Nieuw zelfhelend composiet haalt 1.000 herstelcycli, maar de auto-industrie is nog ver weg

Gewichtsbesparing is een belangrijk doel in de moderne auto-industrie. Daarom blijven vezelversterkte polymeren (FRP) aantrekkelijk voor onderdelen waar gewicht en stijfheid zwaar wegen. Deze composieten zijn sterk en licht, maar blijven gevoelig voor delaminatie tussen de lagen. Zodra de interne lagen door stress of impact van elkaar loslaten, verliest het onderdeel zijn structurele integriteit. Repareren is vaak lastig en duur, waardoor beschadigde composietdelen in de praktijk vaak eerder worden vervangen dan echt hersteld.

Amerikaanse ingenieurs van onder meer North Carolina State University hebben nu een materiaal ontwikkeld dat dit probleem moet aanpakken. Buitenlandse publicaties zoals Ecoticias trekken daar snel de conclusie uit dat auto-onderdelen straks 'eeuwen' meegaan. Dat is een flinke overdrijving, al is de onderliggende techniek absoluut fascinerend.

Hoe werkt de zelfhelende truc?

Het nieuwe materiaal repareert zichzelf niet op magische wijze na een krasje in de lak. Het draait hier om harde, interne structuurschade. De onderzoekers voegden een 3D-geprinte thermoplastische tussenlaag van EMAA toe, waardoor het laminaat al vóór schade twee tot vier keer beter bestand zou zijn tegen delaminatie.

Daarnaast zitten er dunne koolstof-gebaseerde heaterlagen in het materiaal, die met stroom de tussenlaag kunnen opwarmen zodat die in microscheuren vloeit en de interface intern opnieuw bindt. Dit proces heet thermal remending.

Veertig dagen in de martelkamer

Om te bewijzen dat het werkt, bouwden de onderzoekers een indrukwekkende geautomatiseerde testopstelling. Liefst veertig dagen lang werd het materiaal continu op de proef gesteld. Een machine trok het composiet telkens open tot een interne scheur van exact 50 millimeter ontstond, waarna het verwarmingsproces werd geactiveerd.

Het materiaal doorstond in het lab 1.000 opeenvolgende breuk-en-herstelcycli over een testperiode van 40 dagen. Op basis van de langzaam afnemende taaiheid berekenden de ingenieurs dat een onderdeel modelmatig 125 tot 500 jaar zou kunnen functioneren, afhankelijk van hoe vaak je de herstelcyclus uitvoert.

Waarom dit (nog) niet in je auto zit

Daar zit direct de crux. Die modelmatige honderden jaren gelden in een steriel lab. Een auto heeft te maken met extreme temperatuurwisselingen, pekel, vocht, trillingen en harde impacts. Bovendien repareert het materiaal zich niet vanzelf. In de praktijk vraagt dat om sensoren, veilige elektrische aansturing en onderhoudsprotocollen die bepalen wanneer zo'n herstelcyclus überhaupt zinvol en veilig is. Voordat dit soort systemen de strenge veiligheidscertificeringen in de auto-industrie doorkomen, zijn we jaren verder.

De kans is dan ook groot dat de auto-industrie niet vooraan staat bij de adoptie van dit materiaal. De windenergiesector kampt met een veel acuter afvalprobleem. Volgens het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory telt de VS rond 2050 naar schatting 2,2 miljoen ton aan onbruikbare, lastig te recyclen composietbladen van windmolens. Juist daarom lijkt het logischer dat zulke composieten eerst tractie krijgen in grote, dure en lastig vervangbare structuren zoals turbinebladen dan in massaproductie-auto’s.