Ученые из Национального института стандартов и технологий (США) разработали полимерный композиционный материал со встроенным датчиком, который позволяет отслеживать малейшие механические повреждения внутри композита. Такие материалы могут использоваться при изготовлении самолетов и других транспортных средств. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials Interfaces.

Композиционными называют материалы, состоящие из непрерывной основы (матрицы), армированной наполнителями, которые обладают высокой прочностью, жесткостью или другими полезными свойствами. Композиционный материал, матрица которого образована полимером, называют полимерным композиционным материалом. Эти материалы используются повсеместно, к ним относятся резины, красочные эмалевые покрытия, древесноволокнистые плиты, линолеум, стеклопластики, ударопрочный полистирол и другие.

Теперь американские ученые создали полимерный композит на основе эпоксидной смолы и шелка и встроили в него флуоресцентный датчик, который позволяет отслеживать в материале повреждения наноразмера.

Слева: обычный шелк. В середине: флуоресценция молекул датчика, присутствующих в структуре шелкового волокна. Справа: молекулы датчика в шелковом волокне флуоресцируют в ответ на деформацию. Chelsea Davis and Jeremiah Woodcock/NIST

Датчик состоит из спиролактама с родамином (органическим красителем). В ответ на механическое напряжение датчик флуоресцирует. Ученые присоединили молекулы датчика к шелковым волокнам, встроенным в эпоксидную смолу – основу композиционного материала. То есть, сила, приложенная к материалу, вызывает его деформацию, которая активирует молекулы датчика, заставляя их флуоресцировать. С помощью красного лазерного диода и микроскопа ученые смогли обнаружить внутри материала даже самые мельчайшие разрывы и трещины.

По словам ученых, методы измерения минимальных повреждений в таких материалов уже существуют, однако, данное исследование впервые демонстрирует новый способ, который показывает, что происходит внутри материала на границе раздела компонентов.

Для своего исследования ученые выбрали материал на основе эпоксидной смолы и волокон шелка, так как он сочетает в себе наиболее выгодные свойства: прочность шелка и ударную вязкость смолы. Исследователи планируют расширить свою работу и изучить возможности применения датчика в других видах композиционных материалов.