По оценкам, добыча, рафинирование и переработка металлов, широко используемых в строительстве и называемых конструкционными металлами, приводит к выбросам около трех миллиардов тонн CO2-эквивалента. И хотя переработка этих материалов потенциально может уменьшить их негативное воздействие на окружающую среду, многие из них получают повреждения, например, трещины, которые не позволяют продлить их жизненный цикл.
Высокотемпературные методы, такие как пайка и сварка, использовались для ремонта металлов на протяжении тысячелетий. Однако и они страдают от ограничений, поскольку некоторые сплавы — металлические вещества, состоящие из двух или более элементов, — склонны к растрескиванию при сильном нагреве. Некоторые новые сложные 3D-печатные структуры являются слишком сложными или деликатными для использования этих инструментов.
В работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, группа исследователей под руководством Джеймса Пикуля из Школы инженерии и прикладных наук представляет новую методику восстановления прочности и жесткости металлов. Исследователи использовали «электрохимическое заживление» для восстановления разрушенных металлов в различных металлических материалах, включая сталь, алюминиевые сплавы и сложные 3D-печатные структуры, в условиях комнатной температуры.
«Металлы, которые трудно поддаются ремонту, обычно оказываются отходами, что вызывает экономические и экологические проблемы», — говорит Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики. Наш метод электрохимического восстановления предлагает решение этой проблемы, позволяя полностью восстановить прочность металла на растяжение, включая «несвариваемые» алюминиевые сплавы, используемые в аэрокосмической промышленности. Это открывает целый ряд новых возможностей для ремонта металлов экономически эффективным и устойчивым способом».
Ведущим автором статьи является Закария Х’саин, постдокторский исследователь в исследовательской группе Пикуля, получивший степень доктора философии в Пенсильванском университете. Х’Сайн объясняет, что пайка похожа на пломбирование зуба стоматологом, когда полость запечатывается путем введения наполнителя и введения его в ослабленный участок; а сварка позволяет превратить два куска металла в один, расплавляя их вместе с помощью высокотемпературного лазера или искры. Он говорит, что их новая методика заживления металлов использует другой подход к восстановлению металлов.
«Мы называем наш метод электрохимическим заживлением, потому что он больше похож на то, как наш организм восстанавливает перелом кости», — говорит Х’сайн. «Лечебная материя доставляется к месту перелома, и прочность восстанавливается за счет роста и соединения материи с противоположных поверхностей перелома».
Чтобы позволить металлу «зажить», исследователи поместили его в раствор на водной основе, известный как электролит; их раствор представлял собой соленую водную смесь, содержащую ионы никеля. Затем группа приложила отрицательное напряжение, которое переместило ионы в электролите к трещинам металла, что привело к увеличению количества электронов, пока ионы металла из электролита не начали красть избыточные электроны — химическая реакция, называемая восстановлением. Это превращало ионы в твердые атомы металла, и по мере роста атомов на поверхности они заживляли трещину.
«Мы нанесли защитное полимерное покрытие на металл, чтобы он служил барьером, поэтому при воздействии электролита никелирование или заживление ограничивается местом перелома и не мешает другим частям металлической структуры», — говорит Х’Сайн.
Опираясь на результаты своего предыдущего исследования возможностей электрохимического заживления для восстановления металлов, команда разработала модель для оценки эффективности ремонта в восстановлении механической прочности на основе геометрии трещины, исходной прочности всей структуры, прочности никелевого покрытия и других параметров процесса.
Они применили свою модель к трем различным сплавам: относительно недорогой низкоуглеродистой стали, популярной в строительстве и машиностроении, и двум «несвариваемым» алюминиевым сплавам, обычно используемым в крыльях и фюзеляжах самолетов.
В более позднем эксперименте команда сотрудничала с Масудом Акбарзаде, доцентом кафедры архитектуры в Школе дизайна Стюарта Вайцмана, и Мостафой Акбари, аспирантом в Лаборатории полиэдральных структур Акбарзаде, чтобы выяснить, можно ли использовать электрохимическое заживление для ремонта 3D-печатных эффективных конструкций.
«Мы показали, что можем восстановить 100% прочности для всех этих сплавов, если будем следовать нашей модели», — говорит Х’сайн. «В то время как предыдущие электрохимические методы опирались на сложные химические растворы, предназначенные для каждого материала, мы представляем универсальный подход, который может быть применен ко многим».
«Мы особенно взволнованы потенциалом электрохимического лечения для революционного ремонта 3D-печатных металлических структур со сложной морфологией», — говорит Акбарзадех. «Позволяя полностью восстановить прочность на растяжение в нашей трудносвариваемой структуре шеллака, мы прокладываем путь для более эффективных и устойчивых процессов ремонта этих все более популярных строительных материалов».
В дальнейших исследованиях команда планирует расширить свою работу с 3D-печатной структурой, разрабатывая и изготавливая компоненты, которые заранее учитывают необходимость ремонта для обеспечения эффективного восстановления прочности. Кроме того, они также заинтересованы в изучении методов автономного ремонта и снижения затрат с использованием альтернативных электроосажденных металлов.