Kas ir pašdziedinošie{0} materiāli?
Pašdziedinošie materiāli ir izstrādāti, lai automātiski labotu bojājumus pēc to rašanās, atdarinot bioloģiskos procesus, kuros dzīvie audi atjaunojas pēc savainojumiem. Inženiertehniskajā ziņā mikroplaisas, kas tiek aizzīmogotas agri, neļauj plaisai pāraugt strukturālā kļūmē, kas pagarina kalpošanas laiku un samazina apkopi. Alumīnijs ir kļuvis par galveno sastāvdaļu vairākās pašdziedināšanas sistēmās, jo tas ir ļoti reaģētspējīgs un spēj veidot stabilus oksīdus: kad plaisa atveras, alumīnija daļiņas atbrīvo jonus, kas reaģē ar vides stimuliem, piemēram, mitrumu un skābekli, lai izgulsnētu dziedinošus savienojumus, piemēram, alumīnija hidroksīdu, noslēdzot mikroplaisu un atjaunojot mehānisko izturību.
Kā alumīnijs veicina dziedināšanu
Dziedināšanas mehānisms balstās uz to pašu ķīmiju, kas nodrošina alumīnija dabisko izturību pret koroziju. Alumīnijs viegli reaģē ar skābekli un ūdeni, un iegūtais oksīda vai hidroksīda slānis var novērst nelielus defektus. Pašdziedinošajos polimēros un kompozītos alumīnija daļiņas ir izkliedētas matricā tā, ka ikreiz, kad izplatās plaisa, tiek atklātas svaigas daļiņas. Nesenie pētījumi liecina, ka ar alumīniju-leģētiem polimēriem apkārtējās vides apstākļos ir aptuveni 85% plaisu dzīšanas efektivitāte. Nekontrolēta oksidēšana var samazināt ilgtermiņa veiktspēju, taču tagad tiek izmantotas uzlabotas iekapsulēšanas metodes, piemēram, silīcija dioksīda pārklājumi, lai kontrolētu reakciju un aizsargātu daļiņas pirms bojājumu rašanās.
Dziedināšanas sistēmas, kurās tiek izmantots alumīnijs
Alumīnijs ir integrēts trīs primārajās pašdziedināšanas sistēmās{0}}. Sistēmās, kuru pamatā ir mikrokapsulas-, alumīnija-pildītās kapsulas plīst, kad cauri iziet plaisa, un bojātajā zonā izdalās dziedinošie līdzekļi. Asinsvadu sistēmās iegultie kanāli vai vadi piegādā ārstniecisko materiālu; alumīnija stieples var pat izkausēt, lai aizpildītu plaisas ar lokalizētas apkures palīdzību. Iekšējās sistēmās alumīnija joni krustojas ar polimēru ķēdēm, lai pats materiāls varētu atkārtoti{6}}sasaistīties bojātajā saskarnē. Ziņotie piemēri ietver alumīnija-poliuretāna mikrokapsulas, kas sasniedz aptuveni 90% dziedināšanu 24 stundu laikā, un bioloģiski{11}}iedvesmotas sistēmas, kas imitē dabisko adhēziju, izmantojot alumīnija{12}kompleksus.
Izturības un svara priekšrocības
Alumīnijs uzlabo pašdziedinošo kompozītmateriālu izturību, veidojot pasīvos oksīda slāņus, kas novērš turpmāku koroziju bojājumu vietās. Epoksīda kompozītmateriālos alumīnija pārslas rada upurētas saites, kas pārtrūkst un pārveidojas spriedzes ietekmē, izkliedējot enerģiju; eksperimenti ziņo par 40% lielāku noguruma pretestību alumīnija-pastiprinātajiem pārklājumiem. Tā kā alumīnijs ir viegls, tā pievienošana būtiski neietekmē materiāla blīvumu, kam ir nozīme svarīgās{5}nozarēs, piemēram, aviācijā un transportā. Iespējamās pielietošanas jomas ir kosmosa pārklājumi un jūras pret-apaugšanas sistēmas, kur galvenā prasība ir ilgs kalpošanas laiks agresīvā vidē.
Ierobežojumi un atklātie izaicinājumi
Paliek vairāki ierobežojumi. Alumīnijs var būt uzņēmīgs pret galvanisko koroziju vadošā vidē, kas prasa izolācijas barjeras kompozītmateriālu konstrukcijā. Augstas-tīrības alumīnijs ir dārgs liela-apjoma izmantošanai, un tas izraisa interesi par zemākām-izmaksas alternatīvām, piemēram, alumīnija-silīcija sakausējumiem. PH jutība var ierobežot biomedicīnas lietojumu, un pētnieki izstrādā pH{7}}atbildīgus pārklājumus, lai to risinātu. Alumīniju-saturošu kompozītmateriālu otrreizēja pārstrāde ir arī tehniski sarežģīta un joprojām ir ļoti svarīga ilgtspējībai. Daļiņu vienmērīgas izkliedes nodrošināšana matricā ir vēl viens praktisks jautājums, ko bieži risina ar ultraskaņu{11}}jaukšanu ražošanas laikā.
Nākotnes virzieni
Pētījumi virzās uz nano{0}}inženierijas pamatstruktūrām-, kas uzlabo stabilitāti un katalītisko aktivitāti, mašīnmācības pieejām, kas optimizē daļiņu izmēru un sadalījumu mērķtiecīgai dziedināšanai, un biohibrīdiem materiāliem, piemēram, alumīniju-saistošiem peptīdiem, lai radītu videi draudzīgākus risinājumus. Liela mēroga-ražošanas metodes, tostarp elektrovērpšana, tiek pārbaudītas rūpnieciskai lietošanai. Galīgais mērķis ir vairāku-ciklu pašdziedināšana-, kurā materiāls var novērst atkārtotus bojājumus, nepasliktinot veiktspēju. Alumīnija piegādātājiem šie uzlabojumi rada arvien lielāku saikni starp jau zināmiem produktiem un progresīvu materiālu zinātni, un tās pašas zināšanas par izejmateriāliem, kas paredzētas folijas, lokšņu un pulvera lietošanai, ir tieši saistītas ar šo jauno jomu.
FAQ
J. Kādu lomu spēlē alumīnijs{0}}pašdziedinošajos materiālos?
A: Alumīnijs darbojas kā dziedinošs līdzeklis: kad rodas plaisas, alumīnija daļiņas atbrīvo jonus, kas reaģē ar mitrumu vai skābekli, veidojot savienojumus, kas noblīvē mikroplaisas un atjauno izturību.
J: Kā alumīnijs uzlabo kompozītmateriālu izturību?
A: Tas veido pasīvos oksīda slāņus, kas novērš turpmāku koroziju bojājumu vietās, un alumīnija pārslas veido ziedošas saites, kas stresa apstākļos izkliedē enerģiju, uzlabojot izturību pret nogurumu.
J. Kādas ir galvenās{0}}pašatveseļošanās sistēmas, kurās tiek izmantots alumīnijs?
A. Trīs galvenās sistēmas ir balstītas uz mikrokapsulām{0}}, vaskulārām un raksturīgām, un hibrīdās pieejas apvieno alumīniju ar citiem funkcionāliem materiāliem, kas arī tiek pētīti.
J. Vai ir ierobežojumi attiecībā uz alumīnija-pašdziedinošiem-materiāliem?
A: Jā, tostarp galvaniskā korozija vadošā vidē, augstas-tīrības alumīnija izmaksas, pH jutīgums biomedicīnas lietošanā, dispersijas problēmas un otrreizējās pārstrādes grūtības.
J: Vai alumīnijs pašdziedinošos materiālos{0}} ir gatavs rūpniecībai?
A. Tehnoloģija joprojām tiek izstrādāta ar daudzsološiem laboratorijas rezultātiem un izmēģinājuma ražošanas metodēm, un tās mērķis ir vairāku{0}}ciklu dziedināšana, kas piemērota liela mēroga-rūpnieciskai ieviešanai.
J: Kāpēc alumīnijs ir izvēlēts nevis citiem metāliem, lai ārstētu?
A: Alumīnijs apvieno augstu reaģētspēju ar vieglo svaru aptuveni 2,7 g/cm3 un stabilu, aizsargājošu oksīda ķīmisko sastāvu, kas ir piemērots gan dziedināšanas mehānismam, gan kosmosa un jūras lietojumu svara mērķiem.
