مواد خود ترمیم کننده برای شکل دادن به اتومبیل های آینده
بن اسمیه روند فعلی تحقیق در مورد مواد خود ترمیم را بررسی می کند و اینکه در سالهای آینده صنعت خودرو کجاست؟
18 ژوئیه 2021
به نظر می رسد چیزی خارج از یک فیلم علمی تخیلی باشد ، اما ایده یک ماشین خود ترمیم ممکن است آنطور که به نظر می رسد وحشی و آینده نگرانه نباشد. اگرچه ماشین هایی که می توانند خود را تعمیر کنند فاصله زیادی دارند ، اما مهندسان مواد در حال توسعه فناوری هستند که به زودی می تواند این داستان را به واقعیت تبدیل کند.
مواد خود ترمیمی چگونه کار می کنند؟
معروف ترین وسیله برای ایجاد ماده ای که بتواند خود را بهبود بخشد ، قرار دادن کپسول های کوچک ماده درمانی در داخل خود ماده است. وقتی مواد آسیب دید ، کپسول ها می شکنند و ماده ترمیم کننده را آزاد می کنند. با این حال ، اندازه کپسول در این طرح بسیار مهم است ، زیرا اگر آنها خیلی بزرگ باشند ، مواد ضعیف می شوند. همچنین می توان آنها را فقط یک بار استفاده کرد ، که اگر ماده ای آسیب مکرر ببیند ایده آل نیست.
با این حال ، مهندسان مواد خود ترمیمی ایجاد کرده اند که از طریق شبکه های عروقی کار می کنند ، شبیه رگبرگهای روی برگ. در این مواد ریز عروقی ، هنگام ایجاد ترک ، عامل بهبودی از طریق شبکه عروقی جریان می یابد و شکستگی را التیام می بخشد. ثابت شده است که این موثر است ، اما همچنین یک روش کندتر برای ترمیم یک ماده است.
یک چالش هنگام ایجاد مواد خود ترمیم پذیر که می تواند در بخش خودرو استفاده شود این است که ایجاد فلزات با این ویژگی ها بسیار دشوارتر است. بسیاری از قطعات وسایل نقلیه از فلز ساخته شده اند ، اما به دلیل ساختار شیمیایی فلزات و نحوه اتصال اتم های آنها به یکدیگر ، ایجاد یک فلز خود ترمیم شونده دشوار است. در نتیجه ، مهندسان طراحی اغلب تحقیقات خود را بر روی پلیمرها متمرکز می کنند.
ماشین هایی که هرگز خراشیده نمی شوند یا نمی توانند صدمات خود را برطرف کنند ، ممکن است طی چند دهه آینده در جاده ها رانندگی کنند
تحقیقات انجام شده روی پلیمرهای خود ترمیم کننده نتایج شکننده ای را به همراه داشته است. اکنون می توان یک پلیمر هوشمند داشت که حتی پس از آسیب دیدن بتواند ویژگی های قبلی خود را بازیابد. حتی جالب تر اینکه دانشمندان در زمینه مواد توانسته اند پلیمرهای هوشمندی به نام پلیمرهای ذاتی تولید کنند که می توانند خود را بدون محرک های خارجی ترمیم کنند. این پلیمرهای ذاتی دارای پیوندهای شیمیایی برگشت پذیر خاصی هستند ، به این معنی که آنها می توانند خواص اصلی خود را بازیابی کنند.
کاربردهای عملی
همه این پیشرفت ها امیدوار کننده است ، اما این سوال همچنان باقی است که چگونه این مراحل اولیه در مواد خود ترمیم شونده می تواند فراتر از کنجکاوی از آزمایشگاه باشد. بنابراین بسیاری از محققان در حال بررسی کاربردهای عملی پیشرفت های خود هستند. به عنوان مثال ، محققان در حال بررسی پتانسیل پوشش های پلیمری خود ترمیم شونده در یک اکتشاف فضا و زمینه های اعماق دریا هستند. در این شرایط ، یک پوشش هزینه های نگهداری را به طرز چشمگیری کاهش می دهد ، زیرا مکان های دشواری برای انجام کارهای تعمیراتی هستند.
این پوشش ها برای محیط های شدید در حال طراحی هستند ، اما در صورت موفقیت در این بخش ها ، محصولات احتمالاً در مناطق دیگر در دسترس قرار می گیرند. برخی از پوشش های طراحی شده ضد خوردگی هستند ، در حالی که برخی دیگر در برابر خراش مقاوم هستند. این ویژگی ها به وضوح برای مسافرت به فضا و زیر دریا مفید هستند ، اما همچنین برای وسایل نقلیه ای که در شرایط بسیار کمتری کار می کنند نیز مفید خواهد بود.
رنگ آمیزی اتومبیل یکی از دلایل عمده افزایش هزینه ها در هنگام تعمیر و نگهداری خودرو است. اگر پیشرفت های موجود در پوشش های پلیمری خود ترمیم شونده بتواند رنگی را ایجاد کند که می تواند در برابر خراش های جزئی مقاومت کند و در برابر خوردگی مقاومت کند ، این می تواند تا چه میزان اپراتورهای خودرو برای تعمیرات هزینه کنند. حتی چیزی به همین سادگی امکان افزایش عمر استفاده از وسایل نقلیه را دارد که خبر خوبی برای کاربران خواهد بود.
رانندگی در جاده
مواد خود ترمیم شونده می توانند هم در وسایل نقلیه و هم در سطح جاده انقلابی ایجاد کنند
پیوندهای شیمیایی برگشت پذیر نیز در قلب پیشرفت تکنولوژی دیگری قرار دارند. محققان دانشگاه هاروارد یک لاستیک سخت و خود ترمیم کننده تولید کرده اند . برای این کار ، آنها با ایجاد یک طناب مولکولی پیوندهای کووالانسی و برگشت پذیر را با هم ترکیب کردند. نتیجه یک لاستیک شفاف است که با توزیع تنش در اطراف مواد خود را بهبود می بخشد.
هنگامی که لاستیک ترک می خورد ، معمولاً به این دلیل است که استرس در یک نقطه محلی شده است. ترکیب مولکولی لاستیک خود ترمیم کننده از وقوع این امر جلوگیری می کند ، زیرا مواد از طریق شبکه ای از دیوانه ها که در اصل ترک هایی هستند که توسط رشته های رشته ای به هم متصل می شوند ، تنش را به اطراف پخش می کنند. با اجازه می دهد تا استرس به طور مساوی تری از طریق ماده پخش شود ، لاستیک خود ترمیم شونده توانایی مقابله با نیرویی را که به آن وارد می شود ، دارد.
لاستیک خود ترمیم کننده کاربردهای عملی بالقوه بسیاری دارد. می توان از آن برای ساخت نوارهای لاستیکی استفاده کرد که هرگز قفل نمی شوند ، اما کاربرد اصلی که محققان به آن اشاره کردند لاستیک است. لاستیک های ساخته شده از این نوع لاستیک می توانند فشار بیشتری را نسبت به لاستیک های موجود تحمل کنند و حتی در محیط های شدید نیز دوام بیشتری دارند. حتی گفته شده که اگر لاستیک بریده شود ، اگر از لاستیک خود ترمیم شده ساخته شده باشد ، نیازی به تعویض فوری نیست.
به نظر می رسد چیزی خارج از یک فیلم علمی تخیلی باشد ، اما ایده یک ماشین خود ترمیم ممکن است آنطور که به نظر می رسد وحشی و آینده نگرانه نباشد
اما شاید لازم باشد ما به دنبال استفاده از مواد خود ترمیم شونده فقط به جستجوی اتومبیل ها باشیم. هنگام تفکر در مورد پیشرفت در علم مواد ، سطح جاده ها به راحتی فراموش می شود. با این حال ، پیشرفت های اخیر بدان معنی است که علاوه بر اتومبیل هایی که دارای خواص خود ترمیم شوند ، جاده ها نیز می توانند این ویژگی ها را در آینده نشان دهند.
در توسعه امیدوار کننده دانشمندان یک بتن خود ترمیم را ثبت کرده اند. بتن هندریک ماریوس جونکرز شامل باکتری هایی است که سنگ آهک تولید می کنند و به سطح جاده اجازه می دهند تا خود اصلاح شود. جاده های آینده بنابراین می توانند چاله های خود را پر کنند. هزینه تعمیر گودال در انگلیس در سال 2020 1.3 میلیارد پوند (1.84 میلیارد دلار) تخمین زده شده است ، بنابراین توسعه یک جاده خود ترمیم می تواند چیزی بیش از ایجاد یک رانندگی روان باشد. این می تواند هزینه های تعمیر را کاهش دهد و به طور بالقوه عمر رانندگی وسایل نقلیه را افزایش دهد.
به نظر می رسد در زمینه مواد خود ترمیم شونده علم تمام تلاش خود را می کند تا به داستان برسد. با این حال ، هنوز آنجا نیست. تا آن زمان ، مهندسان طراح باید روی انتخاب موادی که متناسب با تقاضای پروژه آنها باشد کار کنند. مهندسین طراحی برای انتخاب هرچه نتیجه بهتر ، به روشهای آسان برای تحقیق و مقایسه مواد مختلف نیاز دارند و پایگاه داده های مواد مانند Matmatch می توانند به شما کمک کنند.
به عنوان مثال ، یک ماده پلی آمید مانند ForTii 11 مقاومت بهینه را برای اجزای الکتریکی خودرو فراهم می کند. این پلی آمید در دمای بالا حاوی بازدارنده های شعله فاقد هالوژن و حاوی هالوژن است و در محیط های سخت عملکرد خوبی دارد. خطرات ترک خوردگی را به حداقل می رساند و قابلیت اطمینان محصول را از نظر پیری شوک حرارتی بهبود می بخشد.
اتومبیل های آینده نگر که می توانند خودشان را اصلاح کنند ممکن است هنوز برای خرید در دسترس نباشند ، اما تحقیقات در مورد مواد خود ترمیم کننده هر ساله در حال افزایش است. ماشین هایی که هرگز خراشیده نمی شوند یا نمی توانند صدمات خود را برطرف کنند ، ممکن است طی چند دهه آینده در جاده ها رانندگی کنند. اگرچه این فناوری هنوز در حال توسعه است ، دانشمندان و مهندسان مواد در حال تبدیل موارد علمی تخیلی به واقعیت علمی هستند.
درباره نویسنده: Ben Smye رئیس رشد در موتور جستجوی مواد Matmatch است
فولکس واگن قصد دارد در سالهای آینده از فرآیند چاپ سه بعدی جدید در تولید خودرو استفاده کند