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Os pesquisadores do SEAS desenvolveram uma abordagem multiescala que permite que a borracha reforçada com partículas suporte cargas elevadas e resista ao crescimento de rachaduras durante o uso repetido. Acima, as rachaduras crescem na amostra esquerda, enquanto as rachaduras na amostra direita, feita de material multiescala, permanecem intactas após 350.000 ciclos. Crédito: Grupo Suo/Harvard SEAS
O uso de uma abordagem multiescala aumenta o limiar de fadiga da borracha reforçada com partículas.
Cientistas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson melhoraram o limite de fadiga da borracha reforçada com partículas, desenvolvendo uma nova abordagem multiescala que permite que o material suporte cargas elevadas e resista ao crescimento de fissuras durante o uso repetido. Esta abordagem poderia não só aumentar a longevidade dos produtos de borracha, como os pneus, mas também reduzir a quantidade de poluição proveniente das partículas de borracha libertadas durante a utilização.
A pesquisa está publicada em Natureza.
Melhorando Borrachas Reforçadas com Partículas
O látex de borracha natural é macio e elástico. Para uma variedade de aplicações, incluindo pneus, mangueiras e amortecedores, as borrachas são reforçadas por partículas rígidas, como negro de fumo e sílica. Desde a sua introdução, estas partículas melhoram muito a rigidez das borrachas, mas não a sua resistência ao crescimento de fissuras quando o material é estirado ciclicamente, uma medida conhecida como limiar de fadiga.
Na verdade, o limiar de fadiga das borrachas reforçadas com partículas não melhorou muito desde que foi medido pela primeira vez na década de 1950. Isso significa que mesmo com as melhorias nos pneus que aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o consumo de combustível, pequenas fissuras podem lançar grandes quantidades de partículas de borracha no meio ambiente, que causam poluição do ar para os seres humanos e se acumulam em córregos e rios.
Uma nova descoberta na engenharia da borracha
Em pesquisas anteriores, uma equipe liderada por Zhigang Suo, professor de Mecânica e Materiais do SEAS Allen E. e Marilyn M. Puckett, aumentou significativamente o limiar de fadiga das borrachas, alongando as cadeias de polímeros e densificando os emaranhados. Mas e as borrachas reforçadas com partículas?
A equipe adicionou partículas de sílica à sua borracha altamente emaranhada, pensando que as partículas aumentariam a rigidez, mas não afetariam o limiar de fadiga, como comumente relatado na literatura. Eles estavam errados.
“Foi uma grande surpresa”, disse Jason Steck, ex-aluno de pós-graduação da SEAS e coautor do artigo. “Não esperávamos que a adição de partículas aumentasse o limite de fadiga, mas descobrimos que aumentou por um fator de dez.” Steck agora é engenheiro de pesquisa na GE Aerospace.
No material da equipe de Harvard, as cadeias poliméricas são longas e altamente emaranhadas, enquanto as partículas estão agrupadas e ligadas covalentemente às cadeias poliméricas.
“Acontece que”, disse Junsoo Kim, ex-aluno de pós-graduação da SEAS e coautor do artigo, “este material desconcentra a tensão em torno de uma fissura em duas escalas de comprimento: a escala das cadeias poliméricas e a escala das partículas . Esta combinação impede o crescimento de fissuras no material.”
Kim é agora professor assistente de engenharia mecânica na Universidade do Noroeste.
Implicações e aplicações futuras
A equipe demonstrou sua abordagem cortando uma rachadura em um pedaço de material e depois esticando-o dezenas de milhares de vezes. Nas suas experiências, a fissura nunca cresceu.
“Nossa abordagem de desconcentração de tensões em múltiplas escalas expande o espaço das propriedades dos materiais, abrindo portas para reduzir a poluição de polímeros e construir máquinas leves de alto desempenho”, disse Suo, autor sênior do estudo.
“As abordagens tradicionais para projetar novos materiais elastoméricos perderam esses insights críticos do uso da desconcentração de tensão em múltiplas escalas para obter materiais elastoméricos de alto desempenho para usos industriais amplos”, disse Yakov Kutsovsky, especialista residente no Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard e co-autor de o papel. “Os princípios de design desenvolvidos e demonstrados neste trabalho podem ser aplicáveis a uma ampla gama de indústrias, incluindo aplicações de alto volume, como pneus e produtos industriais de borracha, bem como aplicações emergentes, como dispositivos vestíveis.”
Referência: “A desconcentração de tensão multiescala amplifica a resistência à fadiga da borracha” por Jason Steck, Junsoo Kim, Yakov Kutsovsky e Zhigang Suo, 13 de dezembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06782-2
Kutsovsky atuou anteriormente como Diretor Científico e Diretor de Tecnologia na Cabot Corporation por 15 anos.
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
A pesquisa foi apoiada em parte pela bolsa MRSEC DMR-2011754 e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea sob a bolsa FA9550-20-1-0397.
