Un equipo de ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Houston anunciaron recientemente que han desarrollado un nuevo material compuesto reforzado con fibra que puede repararse a sí mismo más de 1.000 veces después de sufrir daños estructurales. Al mismo tiempo, su resistencia inicial es significativamente mayor que la de los materiales compuestos tradicionales que se utilizan actualmente para fabricar componentes clave como alas de aviones y palas de turbinas eólicas. Los investigadores lo han descrito como un "cambio de juego" en una variedad de aplicaciones clave. El equipo de investigación cree que se espera que este material extienda significativamente la vida útil de equipos clave como automóviles, aviones, naves espaciales y turbinas eólicas.

Este avance apunta a un problema común de "fallo de delaminación" en materiales compuestos: durante el servicio, la estructura en capas dentro del polímero reforzado con fibra (FRP) se separará gradualmente con el tiempo, lo que provocará grietas o incluso fracturas. El nuevo material es similar en apariencia al FRP tradicional, pero tiene un diseño estructural más resistente y puede inhibir más eficazmente la delaminación, la propagación de grietas y el daño estructural general.

Según los informes, los investigadores utilizaron tecnología de impresión tridimensional para incrustar una capa intermedia de "agente autocurativo" termoplástico con un patrón específico entre las capas del material compuesto, logrando así capacidades antidelaminación significativamente mejoradas. Esta capa intermedia está hecha de poli(etileno-com-ácido metacrílico) (EMAA), que aumenta la resistencia del material al daño por delaminación aproximadamente de 2 a 4 veces en comparación con el FRP ordinario, lo que reduce significativamente la generación de grietas y el daño estructural.

Además de la capa intermedia de agente autorreparante, en el interior del material también está integrada una capa calefactora a base de carbono. Este diseño se considera otra innovación clave. Cuando se aplica una corriente externa, estas capas calefactoras calentarán y derretirán la capa intermedia de EMAA, lo que hará que fluya hacia pequeñas grietas, rellenará y "soldará" la interfaz dañada y completará el proceso llamado "reparación térmica". El mecanismo se origina en el reentrelazamiento y reconstrucción de las cadenas de polímeros.

Para verificar la capacidad de autocuración de este nuevo material, los investigadores simularon el entorno de servicio real aplicando cargas de tracción y crearon artificialmente defectos de delaminación de aproximadamente dos pulgadas de largo en las muestras. Posteriormente, el equipo activó el proceso de autorreparación varias veces y realizó repetidamente esta prueba de carga, daño y reparación durante hasta 40 días, para un total de 1000 ciclos para evaluar el mantenimiento de la integridad estructural del material en condiciones repetidas de daño y reparación.

Los resultados experimentales muestran que el material aún puede reparar eficazmente daños internos después de múltiples ciclos de autocuración y mantener una alta tenacidad sin una degradación estructural obvia. Con base en esto, el equipo de investigación consideró que si este material se adopta a gran escala en industrias como la aeroespacial, la de energía renovable y la de automóviles, se espera que la vida útil de los componentes clave se extienda de las décadas típicas actuales a cientos de años.

Jack Turicek, el primer autor del artículo, dijo que en comparación con los materiales compuestos tradicionales, este nuevo material es más fuerte desde el principio y puede resistir mejor el daño estructural durante al menos 500 ciclos de reparación de daños. Aunque la dureza del material disminuirá gradualmente a medida que aumente el número de reparaciones, este proceso de descomposición es muy lento, lo que teóricamente puede extender la vida útil de las piezas relevantes a unos 500 años, mientras que la vida típica de los materiales compuestos de FRP tradicionales es en su mayoría de sólo 15 a 40 años.

Los investigadores señalaron que si este material se puede utilizar en aplicaciones de ingeniería, ayudará a reducir los costos de operación y mantenimiento al extender la vida útil de los componentes clave y reducir la frecuencia de reemplazo. También reducirá el consumo de energía y las emisiones de residuos sólidos industriales al reducir las necesidades de fabricación y sustitución, lo que tendrá una importancia positiva para la gestión de residuos industriales y la protección del medio ambiente. Sin embargo, también enfatizaron que las pruebas actuales todavía se realizan principalmente en entornos de laboratorio, y que los materiales deben someterse a pruebas a largo plazo en condiciones de trabajo reales antes de que puedan considerarse realmente soluciones de ingeniería maduras y confiables.