A korszerű repülőgépek, tengeralattjárók, autók és robotikai rendszerek szerkezeti elemeitől egyre többféle teljesítményt várnak el. Nem elég, ha ellenállnak a fizikai terhelésnek: egyebek mellett csillapítaniuk kellene az ütéseket és rezgéseket, miközben érzékelik is a rájuk ható erőket.

E két feladat egyetlen polimerben való egyesítése sokáig megoldatlan problémának számított. A hatékony rezgéscsillapításhoz könnyen átrendeződő belső szerkezetre van szükség, ez a mozgékonyság azonban rontja a deformációt jelző elektromos hálózat stabilitását. A Vuhani Tengerészeti Műszaki Egyetem kutatói többléptékű anyagtervezéssel választották szét a két folyamatot. Az általuk létrehozott kompozit mechanikai energiát nyel el, méri saját összenyomódását, és melegítés után nagyrészt visszanyeri eredeti tulajdonságait.

## Miért ütközik egymással a két funkció?

A polimerek belső súrlódással csillapítják a mechanikai rezgéseket. Összenyomáskor vagy ütéskor a hosszú molekulaláncok elmozdulnak egymáshoz képest, a külső hatás energiája pedig a molekulák közötti kötések leküzdésére fordítódik, majd hővé alakul. Minél könnyebben mozdulnak el a láncrészletek, és minél több reverzibilis kötés szakad fel deformációkor, annál több energiát képes eloszlatni az anyag. Ezt a mechanikai veszteségi tényező, a tan δ jellemzi: magas értéke jó csillapítóképességet jelent.

A deformáció elektromos mérése a piezorezisztív hatáson alapul. Mivel a polimer önmagában szigetelő, vezető nanorészecskéket, például többfalú szén nanocsöveket kell hozzáadni. Megfelelő mennyiségnél ezek összefüggő vezetőhálózatot alkotnak.

Összenyomáskor csökken a szomszédos nanocsövek közötti távolság. Az elektronok az alagúthatás révén könnyebben jutnak át a réseken, így csökken a kompozit elektromos ellenállása. Az ellenállás változásából megállapítható a nyúlás vagy összenyomódás mértéke. Az érzékenységet a nyúlásmérési tényező, angolul Gauge Factor (GF) fejezi ki.

A két működés ellentétes szerkezeti követelményeket támaszt. A jó csillapításhoz mozgékony polimermátrix és könnyen felszakadó, majd újraalakuló kötések kellenek. Ugyanez a mozgás viszont eltolja egymáshoz képest a nanocsöveket: a vezető érintkezési láncok véletlenszerűen megszakadnak és újra létrejönnek. Emiatt a jel ingadozik, sodródik, és elveszíti arányosságát a terheléssel. Sok összenyomási ciklus után a hálózat akár végleg tönkre is mehet.

## Reverzibilis molekuláris csomópontok

A kutatók úgy oldották fel az ellentmondást, hogy az energiaelnyelést és az áramvezetést eltérő szerkezeti szintekre helyezték. Az alapanyag termoplasztikus poliuretán, amelynek láncvégeit 2-ureido-4[1H]-pirimidinon-, röviden UPy-csoportokkal módosították.

Az UPy-csoportok négy párhuzamos hidrogénkötéssel kapcsolódhatnak egymáshoz. Az így létrejövő molekuláris csomópont erős, de dinamikus: mechanikai ütéskor a négy kötés egymás után felszakad, és közben energiát nyel el. A terhelés megszűnése után a kötések a természetes kémiai affinitás miatt önként újraalakulnak.

A kísérletek alapján az optimális UPy-tartalom 6 mol%. Ennél a koncentrációnál sok energiaelnyelő csomópont jön létre, miközben a polimerláncok elég rugalmasak maradnak a későbbi helyreálláshoz.

## Védett hálózat szén nanocsövekből és szilícium-dioxidból

A vezetőhálózat védelmére a kutatók két összetevőből álló hibrid töltőanyagot készítettek. A 10–20 nanométer átmérőjű, fonalszerű többfalú szén nanocsövek (MWCNT) vezetik az áramot, a körülbelül 20 nanométer átmérőjű, merev szilícium-dioxid-részecskék (SiO₂) pedig a mechanikai terhelés elosztásában vesznek részt.

Mindkét összetevő felületét kémiailag módosították. A nanocsövekre karboxilcsoportokat (-COOH), a szilícium-dioxid-gömbökre pedig a KH550 kapcsolóanyag segítségével aminocsoportokat (-NH₂) vittek fel. Keveréskor a csoportok reakcióba léptek, és erős kémiai hidak alakultak ki a szilícium-dioxid-részecskék és a nanocsövek között.

Összenyomáskor a merev gömbök feszültségi pufferként működnek: átveszik a mátrix mechanikai nyomásának jelentős részét, majd egyenletesebben osztják el azt. Ezzel megakadályozzák a vékony nanocsövek túlzott összenyomódását, összegabalyodását és szakadását. A KH550 molekulái emellett a polimermátrixhoz is kötődnek, így a hibrid hálózatot a helyén tartják.

## Matematikai modellel keresték az optimális arányt

A megfelelő összetétel meghatározásához a kutatók egyesítették a vezetéshez szükséges minimális nanocsőmennyiséget leíró perkolációs egyenletet a polimerek terhelés alatti viszkoelasztikus viselkedését jellemző Maxwell-modellel. A háromdimenziós válaszfelület alapján szűk optimális tartományt azonosítottak:

- a hibrid töltőanyag aránya a teljes tömeg 3–5 százaléka; - az UPy molekuláris egységeké 4–6 mol%.

A részletes vizsgálatokhoz elkészített SPC-5 minta 5 tömegszázalék hibrid töltőanyagot és 6 mol% UPy-egységet tartalmazott.

A laboratóriumi eredmények igazolták a modell előrejelzését. A mechanikai veszteségi tényező (tan δ) 0,83 volt, vagyis az anyag az alkalmazott rezgési energia túlnyomó részét elnyelte. A GF értéke 12,4-et ért el, ami a rugalmas polimerérzékelőknél nagy érzékenységet jelent. A válasz linearitását jelző R² 0,986 volt a 0–50 százalékos összenyomási tartományban: az ellenállás a deformációval szigorúan arányosan, késés és jeltorzulás nélkül változott.

## Tízezer erős összenyomás után is működött

A rugalmas érzékelőkben az ismétlődő terhelés idővel mikrorepedéseket és vezetőképesség-csökkenést okozhat. Az SPC-5 mintát ezért 10 000 cikluson át eredeti vastagságának felére nyomták össze.

Ezzel párhuzamosan két kontrollmintát is teszteltek. Az SPC-M csak szén nanocsöveket tartalmazott, az SPC-P-ben pedig nanocsöveket és szilícium-dioxidot kevertek össze, de KH550 által létrehozott kémiai hidak nélkül.

Az SPC-M a vizsgálat végére érzékenységének 39 százalékát elveszítette: GF-értéke 11,8-ról 7,2-re esett. Az egyszerűen kevert SPC-P vesztesége 32 százalék volt. A kémiailag összekapcsolt hibrid töltőanyagot tartalmazó SPC-5 ezzel szemben eredeti érzékenységének 91,9 százalékát megőrizte; GF-értéke 12,4-ről 11,4-re csökkent.

A kisebb károsodást a szilícium-dioxid-részecskéknek és a kémiai hidaknak tulajdonították, amelyek tízezer nagy deformáció után is óvták a nanocsövek közötti kapcsolatokat.

## Félórás melegítéssel gyógyították a sérüléseket

A nagy tartósság ellenére az ismételt deformáció mikroszkopikus elváltozásokat okozott a polimermátrixban. Ezek kijavítására a tízezer cikluson átesett mintát külső nyomás nélkül 30 percre 80 Celsius-fokos kamrába helyezték.

Melegítéskor az UPy-egységek közötti négyszeres hidrogénkötések átmenetileg felnyíltak. A megnövekedett hőenergia mozgásba hozta a polimerláncok szegmenseit, amelyek kitöltötték a működés során keletkezett mikroszkopikus üregeket és repedéseket. A nanorészecskék felületén lévő KH550 molekulái újra kapcsolatot alakítottak ki a poliuretán karbonilcsoportjaival. Szobahőmérsékletre hűtve az UPy hidrogénkötései ismét bezárultak, helyreállítva a molekuláris váz épségét.

A kezelés után a szakítószilárdság 18,5 MPa-ra állt vissza, ami az eredeti 20,0 MPa 92,5 százaléka. A szakadási nyúlás 510 százalék lett, az eredeti 550 százalék 92,7 százaléka. A GF 11,4-ről 11,6-ra emelkedett, vagyis elérte a kezdeti 12,4-es érték 93,5 százalékát. A rezgéscsillapítási tényező az eredeti szint 85,5 százalékára tért vissza.

## Hajókban, repülőgépekben és robotokban használhatnák

A fejlesztés olyan többfunkciós szerkezeti anyagok előtt nyithat utat, amelyek külön alkatrészek hozzáadása nélkül képesek terhelést viselni, rezgést csillapítani és mérni saját állapotukat.

A hajótechnikában a kompozit motorok és hajócsavartengelyek rezgésnek kitett tartóbakjaiban, illetve csillapító betéteiben kaphatna szerepet. Egyszerre csökkenthetné az erőátviteli rendszer zaját és rezgését, valamint folyamatos adatot adhatna a csapágyak terheléséről. A kifáradás felhalmozódása után az ilyen elemeket tervszerű felmelegítéssel akár a hajón is helyre lehetne állítani.

Repülőgépszárnyakban és űreszközök burkolati elemeiben fontos a mikrodeformációk időbeni észlelése. Egy olyan anyag, amely egyszerre burkolat, csillapító és érzékelő, csökkenthetné a külön szenzorok és kábelek számát, ezzel pedig a repülőeszköz tömegét.

A robotika lágy manipulátoraihoz és működtetőelemeihez olyan anyagok kellenek, amelyek százszoros nagyságrendű összenyomódást és nyúlást viselnek el, miközben pontosan mérik saját helyzetüket, és elnyelik az akadályokkal való ütközések energiáját.

A vuhani kutatók eredménye nem pusztán egy újabb polimerkeverék. Azt mutatja meg, hogy az ütéscsillapítás és a pontos elektromos jel továbbítása közötti fizikai ellentmondás feloldható a szerkezet megfelelő kialakításával. A mátrix molekuláris szintű energiaelnyelése és a hibrid töltőanyag védett áramvezetése révén egyetlen anyag egyesítheti a mechanikai csillapító, a nagy pontosságú érzékelő és az öngyógyító polimer szerepét.

A kutatás forrása az International Journal of Materials and Product Technology.