Kendi kendini iyileştiren malzeme - Self-healing material

Animasyon 1. Dijital holografik mikroskopi ile ölçülen Tosoh Corporation'dan kendi kendini iyileştiren malzemenin 3 boyutlu ölçümü. Yüzey metalik bir aletle çizildi.

Animasyon 2. Kendi kendini iyileştiren malzemenin sıfırdan kurtarıldığı bölüm

Kendi kendini iyileştiren malzemeler , herhangi bir dış sorun teşhisi veya insan müdahalesi olmaksızın kendi hasarlarını otomatik olarak onarma yeteneğine sahip yapay veya sentetik olarak oluşturulmuş maddelerdir . Genel olarak, malzemeler yorulma , çevresel koşullar veya çalışma sırasında meydana gelen hasar nedeniyle zamanla bozulur . Mikroskobik düzeydeki çatlaklar ve diğer hasar türlerinin malzemelerin termal , elektriksel ve akustik özelliklerini değiştirdiği ve çatlakların yayılmasının malzemenin nihai olarak bozulmasına yol açabileceği gösterilmiştir . Genel olarak, çatlakları erken bir aşamada tespit etmek zordur ve periyodik kontroller ve onarımlar için manuel müdahale gerekir. Buna karşılık, kendi kendini iyileştiren malzemeler, mikro hasara tepki veren bir onarım mekanizmasının başlatılması yoluyla bozulmaya karşı koyar. Bazı kendi kendini iyileştiren malzemeler akıllı yapılar olarak sınıflandırılır ve algılama ve harekete geçirme özelliklerine göre çeşitli çevresel koşullara uyum sağlayabilir.

Kendi kendini onaran malzemelerin en yaygın türleri polimerler veya elastomerler olsa da , kendi kendini onarma , metaller , seramikler ve çimentolu malzemeler dahil olmak üzere tüm malzeme sınıflarını kapsar . İyileştirme mekanizmaları, malzemenin içsel onarımından mikroskobik bir kapta bulunan bir onarım maddesinin eklenmesine kadar değişir. Bir malzemenin otonom olarak kendi kendini iyileştiren olarak kesin olarak tanımlanabilmesi için, iyileşme sürecinin insan müdahalesi olmadan gerçekleşmesi gerekir. Bununla birlikte, kendi kendini iyileştiren polimerler, iyileşme süreçlerini başlatmak için bir dış uyarana (ışık, sıcaklık değişimi, vb.) yanıt olarak aktive olabilir.

Normal kullanımdan kaynaklanan hasarı özünde düzeltebilen bir malzeme, malzeme arızasından kaynaklanan maliyetleri önleyebilir ve daha uzun parça ömrü ve zamanla bozulmanın neden olduğu verimsizliğin azalması yoluyla bir dizi farklı endüstriyel işlemin maliyetlerini azaltabilir.

Tarih

Roma betonu

Antik Romalılar şekli kullanılan kireç harç kendi kendini iyileştirme özelliklerine sahip olduğu tespit edilmiştir. 2014 yılına kadar, jeolog Marie Jackson ve meslektaşları, Trajan Pazarı'nda ve Pantheon ve Kolezyum gibi diğer Roma yapılarında kullanılan harç türünü yeniden yarattılar ve çatlamaya tepkisini incelediler. Romalılar , Alban Hills yanardağından gelen Pozzolane Rosse adlı belirli bir volkanik kül türünü sönmemiş kireç ve suyla karıştırdı . Bir volkanik kaya yığını olan desimetre büyüklüğündeki tüf parçalarını birbirine bağlamak için kullandılar . Malzeme kürlenirken puzolanik aktivitenin bir sonucu olarak, kireç karışımdaki diğer kimyasallarla etkileşime girdi ve yerini Strätlingite adı verilen bir kalsiyum alüminosilikat mineralinin kristalleri aldı . Plakalı strätlingite kristalleri, çatlakların gelişme eğiliminde olduğu arayüzey bölgeleri de dahil olmak üzere malzemenin çimentolu matrisinde büyür. Devam eden bu kristal oluşumu, harcı ve kaba agregayı bir arada tutar, çatlak oluşumuna karşı koyar ve 1.900 yıl boyunca dayanan bir malzeme ile sonuçlanır.

malzeme bilimi

Betondaki ilgili süreçler 19. yüzyıldan beri mikroskobik olarak incelenmiştir.

Kendi kendini iyileştiren materyaller ancak 21. yüzyılda yaygın olarak tanınan bir çalışma alanı olarak ortaya çıktı. Kendi kendini iyileştiren malzemeler üzerine ilk uluslararası konferans 2007'de düzenlendi. Kendi kendini iyileştiren malzemeler alanı, biyomimetik malzemelerin yanı sıra, kendi kendini yağlama gibi kendi kendini düzenleme için gömülü kapasiteye sahip diğer yeni malzemeler ve yüzeyler ile ilgilidir. ve kendi kendini temizleyen malzemeler.

biyomimetik

Bitkiler ve hayvanlar yaraları kapatma ve iyileştirme kapasitesine sahiptir. İncelenen tüm bitki ve hayvanlarda, ilk olarak kendi kendini kapatma evresi ve ikinci olarak kendi kendini iyileştirme evresi tanımlanabilir. Bitkilerde, hızlı kendi kendine kapanma, bitkilerin kurumasını ve patojenik mikropların neden olduğu enfeksiyondan korur. Bu, yaranın kapanmasına ek olarak aynı zamanda bitki organının mekanik özelliklerinin (kısmen) restorasyonu ile sonuçlanan yaralanmanın sonraki kendi kendine iyileşmesi için zaman verir. Bitkilerdeki çeşitli kendi kendini kapama ve kendi kendini iyileştirme süreçlerine dayalı olarak, biyolojik esinli kendi kendini onaran malzemelere farklı işlevsel ilkeler aktarıldı. Biyolojik model ile teknik uygulama arasındaki bağlantı, örneğin analitik bir model veya sayısal bir model olabilen biyolojik modelin altında yatan işlevsel prensibi tanımlayan bir soyutlamadır. Esas olarak fiziksel-kimyasal süreçlerin söz konusu olduğu durumlarda, bir transfer özellikle umut vericidir. Akademik literatürde, polimer kompozitler için kendi kendini onaran sistemlerin geliştirilmesinde kullanılan bu biyomimetik tasarım yaklaşımlarına dair kanıtlar bulunmaktadır . Yukarıdan DIW yapısı, esasen derinin yapısını taklit etmek için kullanılabilir. Toohey et al. bunu disiklopentadien (DCPD) içeren bir mikro kanal ızgarası içeren bir epoksi substrat ile yaptı ve Grubbs katalizörünü yüzeye dahil etti. Bu, kırılmadan sonra tokluğun kısmen geri kazanıldığını gösterdi ve kullanımdan sonra kanalları yenileme yeteneği nedeniyle birkaç kez tekrarlanabilir. İşlem sonsuza kadar tekrarlanamaz, çünkü önceki iyileşmelerden gelen çatlak düzlemindeki polimer zamanla birikecektir. Twining liana Aristolochia macrophylla ve ilgili türlerdeki (boru asmaları) hızlı kendinden sızdırmazlık işlemlerinden esinlenerek, pnömatik yapılar için biyomimetik bir PU-köpük kaplama geliştirildi. Düşük kaplama ağırlığı ve köpük tabakasının kalınlığı ile ilgili olarak, %99.9 ve daha fazla maksimum onarım verimliliği elde edilmiştir. Diğer rol modeller, ağlayan incir (Ficus benjamina), kauçuk ağacı (Hevea brasiliensis) ve spurs (Euphorbia spp.) gibi lateks taşıyan bitkilerdir, bunlarda lezyonların kapatılmasında lateksin pıhtılaşması rol oynar. Makroskopik bir lezyondan sonra önemli mekanik restorasyon gösteren elastomerik malzemeler için farklı kendinden sızdırmazlık stratejileri geliştirildi.

Kendi kendini iyileştiren polimerler ve elastomerler

Geçen yüzyılda polimerler, plastikler, kauçuklar, filmler, elyaflar veya boyalar gibi ürünler için günlük yaşamda temel bir malzeme haline geldi. Bu büyük talep, güvenilirliklerini ve maksimum ömürlerini uzatmaya zorladı ve hasar veya yorulmadan sonra işlevselliklerini geri kazanabilen yeni bir tasarım sınıfı polimerik malzeme. Bu polimer malzemeler, kendi kendini iyileştirme mekanizmasına yaklaşıma bağlı olarak iki farklı gruba ayrılabilir: içsel veya dışsal. Otonom kendi kendini iyileştiren polimerler , biyolojik bir tepkiye çok benzer üç aşamalı bir süreci takip eder. Hasar durumunda, ilk tepki, hasar oluştuktan hemen sonra gerçekleşen tetikleme veya çalıştırmadır. İkinci tepki, malzemelerin etkilenen bölgeye taşınmasıdır ve bu da çok hızlı gerçekleşir. Üçüncü tepki kimyasal onarım sürecidir. Bu süreç, yerinde olan iyileşme mekanizmasının tipine bağlı olarak farklılık gösterir (örneğin, polimerizasyon , dolaşma, tersinir çapraz bağlama). Bu malzemeler, dört nesil boyunca kronolojik olarak ilişkilendirilebilen üç mekanizmaya (kapsül bazlı, vasküler bazlı ve içsel) göre sınıflandırılabilir. Bazı yönlerden benzer olmakla birlikte, bu mekanizmalar, fiili hasar devam edene kadar yanıtın gizlenmesi veya önlenmesi açısından farklılık gösterir.

polimer dökümü

Moleküler bir perspektiften, geleneksel polimerler, sigma bağlarının bölünmesi yoluyla mekanik strese yol açar . Daha yeni polimerler başka yollarla ürün verebilirken, geleneksel polimerler tipik olarak homolitik veya heterolitik bağ bölünmesi yoluyla ürün verir . Bir polimerin nasıl vereceğini belirleyen faktörler şunları içerir: stres türü, polimere özgü kimyasal özellikler, çözünmenin seviyesi ve türü ve sıcaklık. Bir kaynaktan makromoleküler açısından, büyük ölçekli bir hasar adlandırılan mikro moleküler düzeyde potansiyel olarak hasar kaynaklı strese. Komşu polimer zincirlerinin yakın mesafede hasar gördüğü ve sonuçta bir bütün olarak lifin zayıflamasına yol açan bir mikro çatlak oluşur.

Homolitik bağ bölünmesi

Şema 1. Poli(metil metakrilat)'ın (PMMA) homolitik bölünmesi .

Polimerlerin DPPH (2,2-difenil-1-pikrilhidrazil) ve PMNB (pentametilnitrosobenzen) gibi radikal habercilerin kullanımı yoluyla homolitik bağ bölünmesine maruz kaldıkları gözlemlenmiştir . Bir bağ homolitik olarak bölündüğünde, yeniden birleştirebilen iki radikal tür oluşur. hasarı onarabilir veya daha fazla hasara yol açabilecek diğer homolitik bölünmeleri başlatabilir.

Heterolitik bağ bölünmesi

Şema 2. Polietilen glikolün heterolitik bölünmesi .

Polimerlerin, izotop etiketleme deneyleri yoluyla heterolitik bağ bölünmesine maruz kaldıkları da gözlemlenmiştir. Bir bağ heterolitik olarak bölündüğünde, hasarı onarmak için yeniden birleşebilen, çözücü ile söndürülebilen veya yakındaki polimerlerle yıkıcı bir şekilde reaksiyona girebilen katyonik ve anyonik türler oluşur .

Tersinir bağ bölünmesi

Bazı polimerler, atipik, tersine çevrilebilir bir şekilde mekanik strese yol açar. Diels-Alder bazlı polimerler , mekanik stresin bir retro Diels-Alder reaksiyonunda iki sigma bağını parçaladığı tersinir bir siklo eklemeye maruz kalır . Bu stres, radikal veya yüklü kısımların aksine ek pi-bağlı elektronlarla sonuçlanır.

supramoleküler parçalanma

Supramoleküler polimerler , kovalent olmayan bir şekilde etkileşime giren monomerlerden oluşur . Yaygın etkileşimler arasında hidrojen bağları , metal koordinasyonu ve van der Waals kuvvetleri yer alır . Supramoleküler polimerlerdeki mekanik stres, bu spesifik kovalent olmayan etkileşimlerin bozulmasına neden olarak monomer ayrılmasına ve polimer bozulmasına neden olur.

İçsel polimer bazlı sistemler

İç sistemlerde, malzeme doğal olarak bütünlüğünü geri kazanabilir. Dışsal yaklaşımlar genellikle özerk olsa da, içsel sistemler genellikle iyileşmenin gerçekleşmesi için (termo-mekanik, elektrik, foto-uyaran vb.) 5 ana içsel kendini iyileştirme stratejisi arasında ayrım yapmak mümkündür. Birincisi tersinir reaksiyonlara dayalıdır ve en yaygın olarak kullanılan reaksiyon şeması Diels-Alder (DA) ve retro-Diels-Alder (rDA) reaksiyonlarına dayanmaktadır. Başka bir strateji, eriyebilir termoplastik katkı maddeleri ekleyerek termoset matrislerde kendi kendini iyileştirmeyi başarır. Bir sıcaklık tetikleyicisi, termoplastik katkı maddelerinin çatlaklara yeniden dağılmasını sağlayarak mekanik kilitlenmeye yol açar. Dinamik supramoleküler bağlara veya iyonomerlere dayalı polimer kilitlenmeleri, üçüncü ve dördüncü bir şemayı temsil eder. İlgili supramoleküler etkileşimler ve iyonomerik kümeler genellikle tersine çevrilebilir ve tersine çevrilebilir çapraz bağlar olarak hareket eder, bu nedenle polimerleri kendi kendini iyileştirme yeteneği ile donatabilir. Son olarak, içsel kendi kendini iyileştirmeyi başarmak için alternatif bir yöntem moleküler difüzyona dayanmaktadır.

Tersinir bağ bazlı polimerler

Tersinir sistemler, monomerik , oligomerik veya çapraz bağlanmamış olsun, başlangıç ​​durumuna geri dönebilen polimerik sistemlerdir . Yana polimer normal koşullar altında kararlıdır, tersinir genellikle meydana gelmesi için bir dış etmen etkisiyle gerektirir. Tersinir bir iyileştirici polimer için, malzeme ısıtma gibi yollarla hasar görür ve bileşenlerine geri döndürülürse, polimerize etmek için kullanılan orijinal koşul uygulanarak onarılabilir veya polimer formuna "iyileştirilebilir" .

Kovalent bağ oluşumuna ve kırılmasına dayalı polimer sistemleri

Diels-Alder ve retro-Diels-Alder

Tersinir iyileştirici polimer örnekleri arasında, Diels-Alder (DA) reaksiyonu ve onun retro -Diels-Alder (RDA) analoğu, termal tersinirliği nedeniyle çok umut verici görünmektedir. Genel olarak, furan veya maleimid gibi fonksiyonel grupları içeren monomer , spesifik bir şekilde iki karbon-karbon bağı oluşturur ve DA reaksiyonu yoluyla polimeri oluşturur. Bu polimer, ısıtıldığında, RDA reaksiyonu yoluyla orijinal monomerik birimlerine parçalanır ve daha sonra, polimeri soğutma üzerine veya başlangıçta polimeri yapmak için kullanılan herhangi bir başka koşul yoluyla yeniden biçimlendirir. Son birkaç on yılda, iki tip tersinir polimer incelenmiştir: (i) furan veya maleimid grupları gibi asılı grupların birbirini izleyen DA birleştirme reaksiyonları yoluyla çapraz bağlandığı polimerler ; (ii) çok işlevli monomerlerin ardışık DA birleştirme reaksiyonları yoluyla birbirine bağlandığı polimerler.

Çapraz bağlı polimerler

Bu tip polimerde , polimer , lineer termoplastiklerden asılı grupların çapraz bağlanmasıyla oluşur . Örneğin, Saegusa ve ark. ya maleimid ya da furankarbonil asılı parçalar içeren modifiye poli( N- asetiletilenimin)lerin tersine çevrilebilir çapraz bağlanmasını göstermiştir. Reaksiyon, Şema 3'te gösterilmektedir. Çapraz bağlı polimer , ayrı başlangıç ​​malzemelerinden daha termodinamik olarak kararlı olduğundan, furan ve maleimid birimlerinin DA reaksiyonu yoluyla yüksek çapraz bağlı bir malzeme yapmak için iki tamamlayıcı polimeri karıştırdılar . Bununla birlikte, polimerin polar bir çözücü içinde iki saat boyunca 80 °C'ye ısıtılması üzerine , polimerlerin parçalandığını gösteren RDA reaksiyonu yoluyla iki monomer yeniden üretildi . Bu, ısıtma enerjisinin enerji bariyerini aşmak için yeterli enerji sağlaması ve iki monomerle sonuçlanması nedeniyle mümkün olmuştur . İki başlangıç monomerinin veya hasarlı polimerin 7 gün boyunca oda sıcaklığına soğutulması, polimeri iyileştirdi ve yeniden şekillendirdi.

Şema 3. Furan ve maleimid arasında Diels-Alder siklo katılma reaksiyonu yoluyla tersinir polimer çapraz bağlanması .

Tersinir DA/RDA reaksiyonu, Schiraldi ve arkadaşlarının çalışmasında gösterildiği gibi furan-meleimid bazlı polimerlerle sınırlı değildir . Sarkık antrasen grubu taşıyan polimerlerin maleimidlerle tersinir çapraz bağlanmasını göstermişlerdir . Bununla birlikte, tersinir reaksiyon, rekabet halindeki bozunma reaksiyonu nedeniyle sadece kısmen 250 °C'ye ısıtıldığında meydana geldi .

Çok fonksiyonlu monomerlerin polimerizasyonu

Bu sistemlerde, DA reaksiyonu, bir bağlantı olarak değil, polimeri oluşturmak için omurganın kendisinde gerçekleşir. DA adımlı büyüme furan - maleimid bazlı polimerin (3M4F) polimerizasyonu ve iyileştirme süreçleri için ısıtma/soğutma döngülerine tabi tutularak gösterildi. Tris-maleimid (3M) ve tetra-furan (4F), DA reaksiyonu yoluyla bir polimer oluşturdu ve 120 °C'ye ısıtıldığında, RDA reaksiyonu yoluyla depolimerize edilerek başlangıç ​​materyalleri elde edildi. Daha sonra 90-120 °C'ye ısıtma ve oda sıcaklığına soğutma, polimeri iyileştirdi ve müdahale yoluyla mekanik özelliklerini kısmen geri kazandı. Reaksiyon Şema 4'te gösterilmiştir.

Şema 4. Tersinir yüksek çapraz bağlı furan-maleimid bazlı polimer ağı.

Tiyol bazlı polimerler

Tiyol bazlı polimerler, oksidasyon ve indirgeme yoluyla tersine çevrilebilir şekilde çapraz bağlanabilen disülfid bağlarına sahiptir . İndirgeme koşulu altında , polimerdeki disülfid (SS) köprüleri kırılır ve monomerlerle sonuçlanır, ancak oksitleyici koşul altında , her monomerin tiyolleri (SH), polimeri oluşturmak için başlangıç ​​malzemelerini çapraz bağlayarak disülfid bağını oluşturur. Chujo et al. göstermiştir tiol poli (kullanarak geri dönüşümlü çapraz bağlı polimer tabanlı N -acetylethyleneimine). (Şema 5)

Şema 5. Disülfid köprüleri ile tersinir polimer çapraz bağlanması.

Poli(üre-üretan)

Yumuşak bir poli(üre-üretan) ağ, harici katalizörlere ihtiyaç duymadan oda sıcaklığında kendi kendini iyileştirme özellikleri sağlamak için aromatik disülfidlerdeki metatez reaksiyonunu kullanır. Bu kimyasal reaksiyon, doğal olarak oda sıcaklığında kovalent bağlar oluşturarak polimerin harici bir enerji kaynağı olmadan bağımsız olarak iyileşmesini sağlar. Oda sıcaklığında dinlenmeye bırakılan malzeme sadece iki saat sonra yüzde 80, 24 saat sonra yüzde 97 verimle kendini onardı. 2014 yılında, poliüre elastomer bazlı bir malzemenin kendi kendini iyileştirdiği, katalist veya başka kimyasallar eklenmeden ikiye bölündükten sonra birbirine karıştığı gösterildi. Materyal aynı zamanda ticari olarak temin edilebilen pahalı olmayan bileşikleri de içerir. Elastomer molekülleri ince ayar yapılarak aralarındaki bağ daha uzun hale getirildi. Ortaya çıkan moleküllerin birbirinden ayrılması daha kolaydır ve oda sıcaklığında hemen hemen aynı kuvvetle daha iyi yeniden bağlanabilir. Yeniden bağlama tekrar edilebilir. Esnek, kendi kendini onaran boyalar ve diğer kaplamalar, Illinois Üniversitesi'nde yürütülen araştırmalar sayesinde son zamanlarda yaygın kullanıma bir adım daha yaklaştı. Oradaki bilim adamları, katalizör veya başka kimyasallar eklenmeden ikiye bölündükten sonra tekrar birleşen bir polimer oluşturmak için "kullanıma hazır" bileşenler kullandılar.

Ancak üre-üretan polimerleri 273 K'nin altında camsı geçiş sıcaklıklarına sahiptir, bu nedenle oda sıcaklığında jeldirler ve gerilme mukavemetleri düşüktür. Çekme mukavemetini optimize etmek için tersinir bağlanma enerjisi veya polimer uzunluğu, sırasıyla kovalent veya mekanik kilitlenme derecesini arttırmak için arttırılmalıdır. Bununla birlikte, polimer uzunluğunun arttırılması hareketliliği engeller ve böylece polimerlerin yeniden tersine çevrilebilir şekilde bağlanma yeteneğini bozar. Böylece her bir polimer uzunluğunda optimal bir tersinir bağlanma enerjisi mevcuttur.

Vitrimerler

Vitrimerler , termoplastikler ve termosetler arasındaki boşluğu dolduran bir polimer alt kümesidir. Dinamik kovalent uyarlanabilir ağlar içindeki ayrıştırıcı ve birleştirici değişime bağımlılıkları, yapısal özelliklerini ve mekanik mukavemetlerini korurken birçok kez yeniden işlenebilme özelliğine sahip mekanik olarak sağlam malzemelerin sentezine izin veren çeşitli kimyasal sistemlere erişime izin verir. Bu malzemelerin kendi kendini iyileştirme yönü, ısı gibi uygulanan dış uyaranlara bir yanıt olarak çapraz bağlı türlerin bağ alışverişinden kaynaklanmaktadır. Dissosiyatif değişim, çapraz bağlanan türlerin rekombinasyonundan önce çapraz bağların kırılması ve böylece değişimden sonra çapraz bağ yoğunluğunun geri kazanılması sürecidir. Dissosiyatif değişim örnekleri, tersine çevrilebilir perisiklik reaksiyonlar, nükleofilik transalkilasyon ve aminal transaminasyonu içerir. İlişkisel değişim, mevcut bir çapraz bağ ile ikame reaksiyonunu ve değişim boyunca çapraz bağların tutulmasını içerir. Birleştirici değişim örnekleri arasında transesterifikasyon, vinilog üretanların transaminasyonu, imin değişimi ve diketonaminlerin transaminasyonu yer alır. Kendi kendine birleşmenin döviz kurları, viskoelastik özellikler ve yeniden işlenebilirlik üzerindeki etkilerini anlamak için, istatistiksel kopolimer analoglarına kıyasla blok kopolimer vitrimerleri kullanılarak nano ölçekli morfolojiye sahip vitrimerler incelenmektedir. Geri dönüşüm dışında, vitrimer malzemeleri tıptaki uygulamalar, örneğin kendi kendini iyileştirebilen biyoepoksi ve kendi kendini iyileştiren elektronik ekranlardaki uygulamalar için umut vaat ediyor. Bu polimerik sistemler henüz emekleme aşamasındayken, bu kimyasal sistemleri ticari olarak ilgili monomerlere ve polimerlere uyarlamak ve daha iyi mekanik testler ve anlayış geliştirmek için daha fazla çalışma yapıldığı sürece, gelecekte ticari olarak uygun, geri dönüştürülebilir malzemeler üretmeye hizmet ederler. bu malzemelerin kullanım ömrü boyunca malzeme özellikleri (yani yeniden işleme döngüleri).

Van der Waals kuvvetine sahip kopolimerler

Van der Waals kuvvetlerinin mekanik hasar üzerine bozulması enerjik olarak elverişsiz ise, iç içe geçen alternatif veya rastgele kopolimer motifleri, harici müdahale olmaksızın enerjik olarak daha uygun bir duruma kendi kendini iyileştirecektir. Bu kendi kendini iyileştirme davranışı, komşu zincirlerin 'anahtar-ve-kilit' ilişkileri nedeniyle zincir ayrılması üzerine enerjisel olarak kendini kurtarmayı destekleyen bir viskoelastik tepkiye bağlı olarak nispeten dar bir bileşimsel aralıkta meydana gelir. Özünde, van der Waals kuvvetleri, gelişmiş kohezyon enerji yoğunluğu (CED) değerlerine yansıyan komşu kopolimerleri stabilize eder. Urban vb., yönlü van der Waals kuvvetleri sayesinde değişen veya rastgele poli(metil metakrilat-alt-ran-n-bütil akrilat) (p(MMA-alt-ran-nBA)) kopolimerleri için indüklenen dipol etkileşimlerinin CED'yi nasıl artırabileceğini gösterir. dolaşmış ve yan yana kopolimer zincirlerinin dengesinde (CEDeq).

Dışsal polimer bazlı sistemler

Dış sistemlerde, iyileştirici kimyalar, malzeme hasarı/çatlamadan sonra içeriklerini çatlak düzlemine salan, reaksiyona giren ve malzeme işlevlerinin restorasyonuna izin veren mikrokapsüller veya vasküler ağlarda çevreleyen polimerden ayrılır. Bu sistemler ayrıca birkaç kategoriye ayrılabilir. Kapsül bazlı polimerler, iyileştirici ajanları, ajanları parçalandıklarında serbest bırakan küçük kapsüller halinde tecrit ederken, vasküler kendi kendini iyileştiren materyaller, iyileştirici ajanı, bir boyutlu, iki boyutlu veya üç boyutlu olarak birbirine bağlanabilen kılcal tip içi boş kanallarda ayırır. Bu kılcal damarlardan biri hasar gördükten sonra, ağ, bir dış kaynak veya hasar görmemiş başka bir kanal tarafından yeniden doldurulabilir. İçsel kendi kendini iyileştiren materyaller, sekestre edilmiş bir iyileştirici ajana sahip değildir, bunun yerine hasar veya bir dış uyaran tarafından tetiklenen gizli bir kendi kendini iyileştirme işlevine sahiptir. Dışsal kendi kendini iyileştiren malzemeler, hasar büyük olsa bile %100'ün üzerinde iyileştirme verimliliği sağlayabilir.

Mikrokapsül iyileşmesi

Kapsül bazlı sistemlerin ortak özelliği, iyileştirici ajanların, çatlak oluşumu üzerine kırılan ve malzemelerin özelliklerini eski haline getirmek için bir takip sürecine yol açan uygun mikro yapılar içine kapsüllenmesidir. Kapsülün duvarları çok kalın oluşturulursa çatlak yaklaştığında kırılmayabilir, ancak çok inceyse erken kırılabilir. Bu işlemin oda sıcaklığında gerçekleşmesi ve reaktanların kapsül içinde monomerik halde kalması için termoset içine bir katalizör de gömülür. Katalizör , reaksiyonun enerji bariyerini düşürür ve monomerin ısı eklenmeden polimerleşmesini sağlar. Monomerin etrafındaki kapsüller (genellikle mumdan yapılır ) ve katalizör, çatlak reaksiyonu kolaylaştırana kadar ayrılmayı sürdürmek için önemlidir. Kapsül katalizör sisteminde, kapsüllenmiş iyileştirici ajan polimer matrisine salınır ve matriste zaten mevcut olan katalizör ile reaksiyona girer. Bu tür malzemelerin tasarlanmasında birçok zorluk vardır. İlk olarak, katalizörün reaktivitesi, mum içine alındıktan sonra bile korunmalıdır. Ek olarak, monomer polimerleşmeden önce tüm çatlağı kaplamak için yeterli bir hızda (yeterince düşük viskoziteye sahip ) akmalıdır, aksi takdirde tam iyileşme kapasitesine ulaşılamaz. Son olarak, etkin bir şekilde reaksiyona girmek ve çatlağın daha fazla yayılmasını önlemek için katalizör monomer içinde hızla çözülmelidir.

Şema 6. Grubbs katalizörü aracılığıyla DCPD'nin ROMP'si

Bu işlem, disiklopentadien (DCPD) ve Grubbs katalizörü (benziliden-bis(trisikloheksilfosfin)diklororutenyum) ile gösterilmiştir. Hem DCPD hem de Grubbs katalizörü bir epoksi reçinesine gömülüdür . Monomer tek başına göreli olarak reaktif değildir ve polimerizasyon meydana gelmez. Bir mikro çatlak hem DCPD içeren kapsüle hem de katalizöre ulaştığında , monomer çekirdek-kabuk mikrokapsülünden salınır ve açıkta kalan katalizör ile temasa geçer, bunun üzerine monomer halka açma metatez polimerizasyonuna (ROMP) uğrar . Metatez reaksiyonu monomer yeni bağların lehine iki çift bağ kopması içerir. Katalizörün varlığı , enerji bariyerinin (aktivasyon enerjisi) düşürülmesine izin verir ve polimerizasyon reaksiyonu , oda sıcaklığında ilerleyebilir. Ortaya çıkan polimer , epoksi kompozit malzemenin eski gücünün %67'sini geri kazanmasına olanak tanır .

Grubbs'un katalizörü bu tür bir sistem için iyi bir seçimdir çünkü havaya ve suya karşı duyarsızdır ve bu nedenle malzeme içinde reaktiviteyi sürdürmek için yeterince sağlamdır. Canlı bir katalizör kullanmak, çoklu iyileştirme eylemlerini teşvik etmek için önemlidir. En büyük dezavantajı maliyetidir. Katalizörün daha fazla kullanılmasının doğrudan daha yüksek iyileşme derecesine karşılık geldiği gösterilmiştir. Rutenyum oldukça maliyetlidir ve bu da onu ticari uygulamalar için pratik değildir.

Şekil 1. Mikrokapsül gömülü malzemeden çatlak yayılımının tasviri. Monomer mikrokapsülleri pembe dairelerle temsil edilir ve katalizör mor noktalarla gösterilir.

Buna karşılık, çok kapsüllü sistemlerde hem katalizör hem de iyileştirici madde farklı kapsüllerde kapsüllenir. Gizli işlevsellik adı verilen üçüncü bir sistemde, matriste bulunan polimerleştirici bileşenle artık reaktif işlevsellikler şeklinde reaksiyona girebilen bir iyileştirici madde kapsüllenir. Son yaklaşımda (faz ayrımı), ya iyileştirici ajan ya da polimerleştirici, matris malzemesinde faza ayrılır.

Vasküler yaklaşımlar

Aynı stratejiler 1D, 2D ve 3D vasküler tabanlı sistemlerde uygulanabilir.

İçi boş tüp yaklaşımı

İlk yöntem için, kırılgan cam kılcal damarlar veya lifler, bir kompozit malzeme içine gömülür . (Not: bu, malzemeleri güçlendirmek için zaten yaygın olarak kullanılan bir uygulamadır. Bkz. Fiber takviyeli plastik .) Ortaya çıkan gözenekli ağ, monomer ile doldurulur . Düzenli kullanımdan dolayı malzemede hasar meydana geldiğinde, tüpler de çatlar ve monomer çatlaklara salınır. Sertleştirici madde içeren diğer tüpler de çatlar ve monomerle karışarak çatlağın iyileşmesine neden olur. İçi boş tüpleri kristal bir yapıya sokarken dikkate alınması gereken pek çok şey vardır . Dikkate alınması gereken ilk şey, oluşturulan kanalların, yük taşıyan malzemenin çıkarılması nedeniyle malzemenin yük taşıma kabiliyetini tehlikeye atabileceğidir. Ayrıca kanal çapı, dallanma derecesi, dallanma noktalarının konumu ve kanal oryantasyonu, bir malzeme içinde mikrokanallar oluştururken göz önünde bulundurulması gereken ana şeylerden bazılarıdır. Çok fazla mekanik zorlanmaya dayanması gerekmeyen , ancak kendi kendini iyileştirme özellikleri isteyen malzemeler, yük taşıması amaçlanan malzemelerden daha fazla mikro kanal oluşturabilir. İki tür içi boş boru vardır: ayrı kanallar ve birbirine bağlı kanallar.

ayrık kanallar

Ayrık kanallar, malzemeyi oluşturmaktan bağımsız olarak oluşturulabilir ve malzeme boyunca bir diziye yerleştirilebilir. Bu mikro kanalları oluştururken dikkate alınması gereken önemli bir faktör, tüpler birbirine ne kadar yakınsa, gücün o kadar düşük olacağı, ancak geri kazanımın o kadar verimli olacağıdır. Sandviç yapı, malzemenin ortasındaki tüplerden oluşan ve ortadan dışa doğru iyileşen bir tür ayrı kanaldır. Sandviç yapıların rijitliği yüksektir, bu da onu basınçlı odalar için çekici bir seçenek haline getirir . Sandviç yapılarda çoğunlukla, malzemenin gücü damar ağlarına kıyasla korunur. Ayrıca, malzeme hasardan neredeyse tamamen iyileşme gösterir.

birbirine bağlı ağlar

Birbirine bağlı ağlar, ayrı kanallardan daha verimlidir , ancak oluşturulması daha zor ve daha pahalıdır. Bu kanalları oluşturmanın en temel yolu, mikro ölçekli kanal olukları oluşturmak için temel işleme ilkelerini uygulamaktır. Bu teknikler 600-700 mikrometre arası kanallar verir. Bu teknik, iki boyutlu düzlemde harika çalışır, ancak üç boyutlu bir ağ oluşturmaya çalışırken sınırlıdırlar.

Doğrudan mürekkeple yazma

Doğrudan Mürekkep Yazma (DIW) tekniği, üç boyutlu birbirine bağlı ağlar oluşturmak için viskoelastik mürekkeplerin kontrollü bir ekstrüzyonudur . Önce organik mürekkebi tanımlanmış bir düzende ayarlayarak çalışır . Daha sonra yapıya epoksi gibi bir malzeme süzülür . Bu epoksi daha sonra katılaştırılır ve mütevazi bir vakumla mürekkep emilerek içi boş tüpler oluşturulur.

Karbon nanotüp ağları

Doğrusal eritilmesi yoluyla polimer katı, üç-boyutlu içi epoksi birbirine karışabilir ve böylece matris, doğrusal polimer, belirli bir mobil hale sıcaklıkta olduğunda , karbon nano borucuklar , aynı zamanda, epoksi malzeme içine dahil edilir ve bir doğru akım ile çalıştırılan Algılama eğrisindeki önemli bir kayma, polimerde kalıcı bir hasar olduğunu , dolayısıyla bir çatlağı 'algıladığını' gösterir. Tüm karbon nanotüpleri içinde bir çatlak duyu yapısı doğrusal, yani bunlar matris kadar ısıtmak için ısı ulaşım aracı olarak kullanılabilen polimerler epoksi matris içinde çatlakları doldurmak için yayılabilir. Böylece malzemeyi iyileştirir.

FİŞLER

Harvard Üniversitesi'nden Prof. J. Aizenberg , etçil sürahi bitkisinden ilham alan ve hem su hem de yağ ile karışmayan bir yağlama sıvısı ile doldurulmuş gözenekli bir malzeme olan Kaygan Sıvı-Infused Porous Surfaces'ın ( SLIPS) kullanılmasını öneren farklı bir yaklaşım önerildi. . SLIPS, buz tutmazlığının yanı sıra kendi kendini iyileştirme ve kendi kendini yağlama özelliklerine sahiptir ve birçok amaç için başarıyla kullanılmıştır.

Kurbanlık iplik dikimi

Organik iplikler (örneğin polilaktid filament gibi), elyaf takviyeli polimerin laminat katmanları boyunca dikilir, bunlar daha sonra kaynatılır ve polimerin sertleştirilmesinden sonra malzemeden vakumla çıkarılır, arkalarında iyileştirici maddelerle doldurulabilecek boş kanallar bırakılır.

Kendi kendini iyileştiren elyaf takviyeli polimer kompozitler

Dolgulu kompozitlere ve fiber takviyeli polimerlere (FRP'ler) kendi kendini iyileştirme işlevselliğinin uygulanmasına yönelik yöntemler, neredeyse yalnızca dışsal sistemlere dayanır ve bu nedenle genel olarak iki yaklaşıma ayrılabilir; ayrık kapsül tabanlı sistemler ve sürekli vasküler sistemler. Doldurulmamış polimerlerin aksine, bağın tersine çevrilebilirliğine dayalı içsel bir yaklaşımın başarısı FRP'lerde henüz kanıtlanmamıştır. Bugüne kadar, FRP'lerin kendi kendini iyileştirmesi, çoğunlukla düz plakalar ve paneller gibi basit yapılara uygulanmıştır. Bununla birlikte, panel yüzeyine erişim nispeten basit olduğundan ve onarım yöntemleri endüstride çok iyi yerleştiğinden, düz panellerde kendi kendini iyileştirmenin bir şekilde sınırlı bir uygulaması vardır. Bunun yerine, T-Eklemler ve Uçak Gövdeleri gibi daha karmaşık ve endüstriyel olarak ilgili yapılarda kendi kendini iyileştirmenin uygulanmasına güçlü bir şekilde odaklanılmıştır.

Kapsül tabanlı sistemler

Kapsül tabanlı bir sistemin oluşturulması ilk olarak White ve ark. 2001 yılında ve bu yaklaşım o zamandan beri birçok yazar tarafından fiber takviyeli malzemelere giriş için uyarlanmıştır. Bu yöntem, kapsüllenmiş bir iyileştirici maddenin hasar bölgesine bırakılmasına dayanır ve kapsüllenmiş iyileştirici maddenin işlevselliği geri yüklenemediğinden genellikle bir defaya mahsus bir işlemdir. Buna rağmen, uygulanan sistemler malzeme bütünlüğünü neredeyse %100'e geri getirebilir ve malzeme ömrü boyunca sabit kalabilir.

damar sistemleri

Lif takviyeli polimer kompozit malzemelerde kendi kendini iyileştiren darbe hasarı için vasküler veya lif bazlı bir yaklaşım daha uygun olabilir. Bu yöntemde, insan dokusundaki kan damarlarına benzer şekilde vasküller olarak bilinen içi boş kanallardan oluşan bir ağ yapı içine yerleştirilir ve bir iyileştirici maddenin verilmesi için kullanılır. Bir hasar olayı sırasında, çatlaklar malzeme boyunca ve damarlara doğru yayılır ve bunların yarılarak açılmasına neden olur. Daha sonra, damarlardan ve hasar düzlemine bir sıvı reçine geçirilerek çatlakların onarılmasına izin verilir. Vasküler sistemlerin, mikrokapsül bazlı sistemlere göre, sürekli olarak büyük hacimlerde onarım ajanı verme yeteneği ve tekrarlanan iyileşme için kullanılma potansiyeli gibi bir takım avantajları vardır. İçi boş kanalların kendileri, termal yönetim ve yapısal sağlık izleme gibi ek işlevler için de kullanılabilir. İçi boş cam elyafların (HGF'ler), 3D baskının, bir "kayıp mum" prosesinin ve bir katı preform rotasının kullanımı dahil olmak üzere, bu vasküllerin sokulması için bir takım yöntemler önerilmiştir.

Kendi kendini iyileştiren kaplamalar

Kaplamalar, bir malzemenin yığın özelliklerinin korunmasına ve iyileştirilmesine izin verir. Bir alt tabaka için çevresel maruziyetten koruma sağlayabilirler. Bu nedenle, hasar meydana geldiğinde (genellikle mikro çatlaklar şeklinde), su ve oksijen gibi çevresel elementler kaplamadan difüze olabilir ve malzeme hasarına veya arızaya neden olabilir. Kaplamalardaki mikro çatlaklar, sırasıyla, kaplamanın mekanik bozulmasına veya delaminasyonuna veya fiber takviyeli kompozitlerde ve mikro elektronikte elektrik arızasına neden olabilir. Hasar bu kadar küçük ölçekte olduğundan, mümkünse onarım genellikle zor ve maliyetlidir. Bu nedenle, kendini otomatik olarak iyileştirebilen bir kaplama (“kendini iyileştiren kaplama”), otomatik olarak geri kazanılan özellikler (mekanik, elektriksel ve estetik özellikler gibi) ile faydalı olabilir ve böylece kaplamanın ömrünü uzatabilir. Literatürde kendi kendini iyileştiren malzemelerle ilgili açıklanan yaklaşımların çoğu, mikrokapsülleme ve hidrojen bağı, iyonomerler ve kimyasal bağlar gibi tersinir fiziksel bağların tanıtılması dahil olmak üzere "kendi kendini iyileştiren" kaplamalar yapmak için uygulanabilir (Diels-Alder kimyası). ). Mikroenkapsülasyon, kendi kendini onaran kaplamalar geliştirmek için en yaygın yöntemdir. Orijinal olarak White ve arkadaşları tarafından, mikrokapsüllenmiş disiklopentadien (DCPD) monomeri ve Grubbs'un katalizörünü kullanarak kendi kendini iyileştiren epoksi polimeri kullanan kapsül yaklaşımı, daha sonra havacılık ve otomotiv endüstrilerinde metalik ve kompozit yapıştırmak için yaygın olarak kullanılan epoksi yapışkan filmlere uyarlandı. substratlar. Son zamanlarda, sırasıyla çok katmanlı bir mikro elektronik cihazda ve pil elektrotlarında elektrik iletkenliğini eski haline getirmek için mikrokapsüllü metal veya karbon siyahı sıvı süspansiyonları kullanıldı; bununla birlikte, kaplamalarda elektriksel özelliklerin restorasyonu için mikroenkapsülasyonun kullanımı sınırlıdır. Sıvı metal mikrodamlacıklar ayrıca, yumuşak biyolojik dokunun esnekliğini taklit ederek, hasar gördüğünde elektrik iletkenliğini koruyan gerilebilir elektrik iletkenleri oluşturmak için silikon elastomer içinde süspanse edilmiştir. Bu tekniğin en yaygın uygulaması, korozyon koruması için polimer kaplamalarda kanıtlanmıştır. Metalik malzemelerin korozyon koruması, ekonomik ve ekolojik ölçekte büyük önem taşımaktadır. Korozyon koruması için polimer kaplamalardaki mikrokapsüllerin etkinliğini kanıtlamak için araştırmacılar bir dizi malzemeyi kapsüllediler. Bu malzemeler DCPD GMA epoksi reçinesi, keten tohumu yağı ve tung yağı gibi izosiyanat monomerlerini içerir. , vb. Her bir kabuk malzemesinin kendi yararları ve zararları vardır. Bu kabuk malzemeleri bile, pestisitlerin ve ilaçların kontrol dağıtımında uygulamalarını genişletti. Kaplamalarda kendi kendini iyileştirmek için yukarıda belirtilen malzemelerin kullanılmasıyla, mikroenkapsülasyonun metali korozyona karşı etkili bir şekilde koruduğu ve bir kaplamanın ömrünü uzattığı kanıtlanmıştır.

Yüksek sıcaklık uygulamalarında kaplamalar, bir cam oluşumu yoluyla kendi kendini iyileştirme performansı gösterecek şekilde tasarlanabilir. Yüksek emisyonlu kaplamalar gibi bu gibi durumlarda, oluşan camın viskozitesi, oksidasyon veya ablasyon nedeniyle kusur oluşumu ile rekabet edebilecek kaplamanın kendi kendini iyileştirme kabiliyetini belirler . Silikat cam bazlı kendi kendini iyileştiren malzemeler, termal bariyer kaplamalarında ve ısı kalkanları gibi uzay uygulamalarında özel bir değere sahiptir. Molibden disilisid esaslı kompozit malzemeler , kaplama uygulamalarında cam esaslı kendi kendini iyileştirme performanslarını arttırmaya yönelik çeşitli çalışmalara konu olmaktadır.

Kendi kendini onaran çimento esaslı malzemeler

Çimentolu malzemeler Roma döneminden beri var olmuştur. Bu materyaller, ilk olarak 1836'da Fransız Bilim Akademisi tarafından rapor edilen doğal bir kendi kendini iyileştirme yeteneğine sahiptir. Bu yetenek, kimyasal ve biyokimyasal stratejilerin entegrasyonu ile geliştirilebilir.

Otojen iyileşme

Otojen iyileşme, çimento esaslı malzemelerin çatlakları onarmak için doğal yeteneğidir. Bu yetenek, esas olarak, hidratlanmamış çimento parçacıklarının daha fazla hidratasyonuna ve çözünmüş kalsiyum hidroksitin karbonatlaşmasına atfedilir. Tatlı su sistemlerindeki çimentolu malzemeler, 7 haftalık bir süre içinde 0,2 mm'ye kadar olan çatlakları otojen olarak iyileştirebilir.

Otojen iyileşmeyi desteklemek ve daha geniş çatlakları kapatmak için, çimentolu bir karışıma süper emici polimerler eklenebilir. Çimento esaslı bir malzemeye çimentoya karşı % 1 m seçilmiş süper emici polimer ilavesi, günde 1 saat su temasına izin verilirse, geleneksel bir çimento esaslı malzeme ile karşılaştırıldığında yaklaşık %40 oranında daha fazla hidratasyonu teşvik etti.

Kimyasal katkılar bazlı şifa

Çimento esaslı malzemelerin kendi kendini iyileştirmesi, belirli kimyasal ajanların reaksiyonu ile sağlanabilir. Bu ajanları barındırmak için kapsüller ve vasküler tüpler olmak üzere iki ana strateji mevcuttur. Bu kapsüller ve damar tüpleri bir kez yırtıldığında bu maddeleri serbest bırakır ve çatlak hasarını iyileştirir. Bu alandaki çalışmalar ağırlıklı olarak bu muhafazaların ve kapsüllenmiş malzemelerin kalitesinin iyileştirilmesine odaklanmıştır.

Biyo-tabanlı şifa

HL Erlich tarafından Chemical Geology dergisinde 1996 yılında yayınlanan bir araştırmaya göre , betonun kendi kendini iyileştirme yeteneği, metabolik aktiviteleri yoluyla kalsiyum karbonat çökelmesine neden olabilen bakterilerin dahil edilmesiyle geliştirilmiştir. Bu çökeltiler birikebilir ve çatlakla ilgili su girişine karşı etkili bir yalıtım oluşturabilir. Nisan 2007'de Hollanda'da düzenlenen Birinci Uluslararası Kendi Kendini İyileştiren Malzemeler Konferansı'nda Henk M. Jonkers ve Erik Schlangen, "alkalifilik spor oluşturan bakterileri" "kendi kendini iyileştiren ajan" olarak başarıyla kullandıkları araştırmalarını sundular. beton". Kendi kendini onaran betonun geliştirilmesi için bakterileri çimento hamuruna dahil eden ilk kişiler onlardı. Macuna doğrudan eklenen bakterilerin sadece 4 ay canlı kaldığı bulundu. Daha sonraki araştırmalar, Jonkers'ın beton içindeki bakterileri korumak için genişletilmiş kil parçacıkları ve Van Tittlelboom'un cam tüpler kullandığını gördü. Bakterileri korumak için başka stratejiler de o zamandan beri rapor edilmiştir. Mikrokapsül bazlı kendi kendini onaran uygulamalar bile biyo bazlı kaplama malzemelerine yayılmıştır. Bu kaplamalar neem yağına dayalıdır ve temel malzeme olarak bitkisel yağ kullandığından başka bir biyo-bazlı karaktere sahiptir.

Kendi kendini iyileştiren seramikler

Genel olarak, seramikler yüksek sıcaklıklarda metallere göre daha üstündür, ancak kırılgandırlar ve kusurlara karşı hassastırlar ve bu da yapısal malzemeler olarak bütünlüklerini ve güvenilirliklerini sorgular. MAX Phases olarak da bilinen faz seramikleri, içsel bir iyileştirme mekanizmasıyla çatlak hasarını otonom olarak iyileştirebilir. Aşınma veya termal stresin neden olduğu mikro çatlaklar, havaya yüksek sıcaklık maruziyeti sırasında genellikle A elementi olan MAX faz bileşenlerinden oluşan oksitlerle doldurulur. Çatlak boşluk doldurma İlk Ti için gösterilmiştir ₃ Alc ₂ 1200 oksidasyonuyla ° C havada. Ti ₂ AlC ve Cr ₂ AlC de bahsedilen yeteneği göstermiştir ve daha fazla üçlü karbür ve nitrürlerin kendi kendini iyileştirebilmeleri beklenmektedir. İşlem, element tükenme noktasına kadar tekrarlanabilir, MAX fazlarını, tek çatlak boşluğu doldurma için harici iyileştirme ajanları (dışsal iyileştirme) gerektiren diğer kendi kendini iyileştiren malzemelerden ayırır. Doldurma okside bağlı olarak, yerel mukavemet gibi başlangıç ​​özelliklerinde iyileştirme sağlanabilir. Öte yandan, müllit, alümina ve zirkonya özünde iyileştirme kabiliyetine sahip değildir, ancak ikinci faz bileşenlerini matrise gömerek kendi kendini iyileştirme yetenekleri ile donatılabilir. Çatlama üzerine, bu parçacıklar oksijene maruz kalır ve ısı varlığında, hacim genişlemesi altında çatlak boşluğunu dolduran yeni malzemeler oluşturmak üzere reaksiyona girerler. Bu konsept, bir Alümina matrisindeki çatlakları iyileştirmek için SiC kullanılarak kanıtlanmıştır ve daha ileri çalışmalar, iyileştirilmiş parçanın yüksek sıcaklık mukavemetini ve statik ve döngüsel yorulma mukavemetini araştırmıştır. Matris ile iyileştirici ajan arasındaki kuvvet ve bağ birinci derecede önemlidir ve bu nedenle iyileştirici parçacıkların seçimini yönetir. ${\displaystyle {\ce {M_{{\mathit {n}}+1}AX_{\mathit {n}}}}}$

Kendi kendini iyileştiren metaller

Metaller, uzun süreler boyunca yüksek sıcaklıklara ve orta düzeyde gerilimlere maruz kaldıklarında, boşlukların oluşumu ve büyümesinden kaynaklanan erken ve düşük süneklikli sürünme kırılması sergilerler. Bu kusurlar, sonuçta makroskopik başarısızlığa neden olan çatlaklarda birleşir. Erken aşamadaki hasarın kendi kendini iyileştirmesi, bu nedenle metalik bileşenlerin ömrünü uzatmak için umut verici yeni bir yaklaşımdır. Metallerde kendi kendini iyileştirme, yüksek erime noktaları ve bunun sonucunda düşük atom hareketliliği nedeniyle diğer birçok malzeme sınıfına göre özünde daha zordur. Genel olarak, metallerdeki kusurlar, daha fazla çatlak büyümesini hareketsiz hale getiren kusur bölgelerinde çökeltilerin oluşumuyla iyileştirilir. Çatlak ucundaki ve plastik bölgesindeki heterojen çökelme nedeniyle, tepe sertleşen Al alaşımlarına kıyasla, olgunlaşmamış alüminyum alaşımları için geliştirilmiş sürünme ve yorulma özellikleri rapor edilmiştir. Çeliklerdeki sürünme hasarını iyileştirmeye yönelik ilk girişimler, sürünme boşluğu yüzeyinde Cu veya BN'nin dinamik çökelmesine odaklandı. Küre şeklindeki Cu çökeltilerinin büyük bir kısmı matris ile aynı anda oluştuğundan, Cu çökeltmesi deformasyon kaynaklı kusurlar için yalnızca zayıf bir tercihe sahiptir. Son zamanlarda, altın atomları Fe bazlı alaşımlarda oldukça etkili bir iyileştirici ajan olarak kabul edildi. Au çökelmesi için kusur kaynaklı bir mekanizma belirtilir, yani Au çözünen, kusurlar oluşana kadar çözünmüş halde kalır. Yüksek sıcaklıkta sürünme hasarının otonom onarımı, az miktarda Au ile alaşım yapılarak rapor edildi. İyileştirici ajanlar, bir sürünme boşluğunun serbest yüzeyinde seçici olarak çökelerek gözeneklerin dolmasına neden olur. Daha düşük stres seviyeleri için, sürünme boşluklarının %80'e kadar Au çökeltileri ile doldurulması sağlanarak, sürünme ömründe önemli bir artış sağlanır. Basit ikili veya üçlü model sistemlerde sünme hasarı iyileştirme kavramını gerçek çok bileşenli sünme çeliklerine çevirme çalışmaları devam etmektedir.

Kendi kendini iyileştiren organik boyalar

Son zamanlarda, PMMA ve diğer polimer matrislerde katkılandığında foto bozunmadan sonra kendi kendini iyileştiren birkaç organik boya sınıfı keşfedildi . Bu aynı zamanda tersinir olarak bilinen foto-degradasyon . Moleküler difüzyon gibi yaygın proseslerden farklı olarak, mekanizmanın boya-polimer etkileşiminden kaynaklandığı gösterilmiştir.

Diğer uygulamalar

Korozyonu önlemek için metallere kendi kendini iyileştiren epoksiler eklenebilir. Bir substrat metali, 72 saat maruz kaldıktan sonra büyük bozulma ve pas oluşumu gösterdi. Ancak kendi kendini iyileştiren epoksi ile kaplandıktan sonra, aynı maruziyetten 72 saat sonra SEM altında görünür bir hasar olmadı.

Kendi kendini iyileştirme etkinliğinin değerlendirilmesi

Her malzeme sınıfı için kendi kendini iyileştirme yeteneklerinin değerlendirilmesi için çok sayıda metodoloji geliştirilmiştir (Tablo 1).

Bu nedenle, kendi kendini iyileştirme değerlendirilirken, farklı parametrelerin göz önünde bulundurulması gerekir: uyaranın türü (varsa), iyileşme süresi, malzemenin tolere edebileceği maksimum iyileşme döngüsü miktarı ve iyileşme derecesi, bunların tümü malzemenin bakir özelliklerini göz önünde bulundurarak. Bu, tipik olarak, çekme modülü, kopma uzaması, yorulma direnci, bariyer özellikleri, renk ve şeffaflık gibi ilgili fiziksel parametreleri hesaba katar. Belirli bir malzemenin kendi kendini iyileştirme yeteneği, genellikle, kendi kendini iyileştirme etkinliği olarak adlandırılan, bakir malzemeye göre belirli bir özelliğin geri kazanılmasına atıfta bulunur. Kendi kendini iyileştirme etkinliği, hasar görmemiş bakire numune ( f _bakire ) için elde edilen ilgili deneysel değer ile iyileştirilmiş numune ( f _{iyileştirilmiş} ) (denk. 1 ) karşılaştırılarak ölçülebilir .

η = f iyileşti/f bakire

( 1 )

Bu tanımın dışsal kendi kendini iyileştiren materyallerle ilgili bir varyasyonunda, iyileştirme etkinliği, iyileştirici ajanın verilmesinin neden olduğu özelliklerin modifikasyonunu dikkate alır. Bu duruma göre, iyileşmiş numune özelliği f kendi kendine iyileşen madde ile donatılmış olan bir hasar görmemiş kontrol ile karşılaştırıldığında _{olmayan iyileşmiş} (denklem 2 ).

η =f iyileşti/f iyileşmemiş

( 2 )

Belirli bir malzemenin belirli bir özelliği Pi için, optimal bir kendi kendini iyileştirme mekanizması ve işlemi, uygun, normalleştirilmiş bir zarar verme işleminden sonra ilgili malzeme özelliğinin tamamen restorasyonu ile karakterize edilir. 3 farklı özelliğin değerlendirildiği bir malzeme için ƞ ₁ ( P ₁ ), ƞ ₂ ( P ₂ ) ve ƞ ₃ ( P ₃ ) olarak verilen 3 verim belirlenmelidir . Kendi kendini iyileştiren bir malzeme için bir dizi n özelliği temel alan nihai ortalama verim, buna göre denklem 3 ile verilen harmonik ortalama olarak belirlenir . Harmonik ortalama, büyük aykırı değerlere daha az duyarlı olduğu için geleneksel aritmetik ortalamadan daha uygundur.

${\displaystyle {\bar {\eta }}={\frac {n}{\sum _{i=1}^{n}\left({\frac {1}{\eta _{i}(P)) }}\sağ)}}}$

( 3 )

ticarileştirme

En az iki şirket, kendi kendini iyileştiren malzemelerin daha yeni uygulamalarını piyasaya sürmeye çalışıyor. Önde gelen bir kimya şirketi olan Arkema , 2009 yılında kendi kendini iyileştiren elastomerlerin endüstriyel üretiminin başladığını duyurdu. 2012 itibariyle, Autonomic Materials Inc., üç milyon ABD dolarının üzerinde para topladı.

Referanslar

Dış bağlantılar

• İlgili Medya Öz şifa malzemesi Wikimedia Commons