Post on 08-Jan-2016
description
Asfalt en bitumendag2010
Zelf herstellende materialen;het concept en de uitvoering
Sybrand van der ZwaagTU Delft / IOP Self Healing Materials
Materiaalontwikkeling over 120 eeuwen
After M.F. Ashby
Een objectievere vergelijking
•Metal 330 106
•Plastics 170 106
•(- plastic surgery) 44 106 •Plastics (pure) 126 106
•Wood 232 106
•Silicon 44 106
•Concrete 76 106
•Asphalt 16 106
•Holiday 234 106
•Money 678 106 •More 4.020 106
•Less 597 106
Google search :May 2nd 2010
# of Google hits*
Hoe maken we nu betere materialen ?
Time
Performance
original
Improved grade
Kenmerken van hedendaagseconstructie materialen
• Atomen en molecules worden direct goed op hun plek gelegd en moeten daar dan ook blijven
• We ontwerpen op het voorkomen van schade
• Voorkomen is beter dan genezen
Materiaalgedrag in de praktijk
Time
Perf
orm
ance
• Time dependent degradation
• Cracking
• Ingress agressieve substances
Lessen uit de natuur
Oppervlakteschade in de natuur
Materialen in de natuur
• Materialen zijn onderdeel van het geheel.
• Optimalisatie is op basis van maximale levensduur tegen de laagste energie kosten.
• De natuur ontwerpt op basis van Schade beheersingSchade beheersing
herstellen is beter dan voorkomen !
Hoe ontwerpen we Zelf herstellende materialen
• we maken gebruik van de oude kennis
• we realiseren ons dat voor zelf herstel we nodig hebben:
• Tot slot houden we bij het ontwerp rekening met de
kenmerken van het materiaal
beweeglijkheidtijdelijkeplaatselijke
Eenmalig herstel
Time
Performance
Existing materials
Self healing material
Existing materials
Meervoudig herstel
Time
Performance
original
improvement
Multiple self healing
Drop should be compared to effect of ‘safety factor’
Multiple self healing example
> 2000 years old
< 50 years old
Een vloeibaar reparatiemiddel
The Scott White approach
= epoxy = liquid adhesive capsule = catalyst
S.R. White et al, Nature 2002
Just cracked
5 seconds later
1 minute later
= crosslinking adhesive
45 minutes later
= fully crosslinked adhesive
Self-Healing Epoxy
2.5 wt% Grubbs catalyst5 wt% microcapsules
Healing conditions:room temperature, 48 h
= 90.3%
Chemische bindingen
die zich zelf weer herstellen
Molecular processes in reversible networks(Diels –Alder reactions)
O
R
N
O
O
R'O
R
N
O
O
R'
CH3
C CH2
O
O O
O
O
CH2C
CH3
n m
N
O
O
R
O
O
N
+
Diels Alder reaction
N
O
O
OR
O
O
O
N
N
O
O
O
R
O
O
O
N
N
O
OO
R
OO
O
N
N
O
OO
R
OO
O
N
N
O
O
O
R
O
O
O
N
N OO
O
R
O
OO N
+ +
furan-malemide
Self healing coatings based on quadrupole hydrogen bonding
Requires anexternal temperatureincrease
The future is nearer than you may think
Zelf Herstellende Metalen
Vermoeiingschade in vliegtuigen
Hoe voorkomen we de vorming van scheuren in aluminium legeringen?
1. Short crack initiation
2-5. Interaction with mobile dislocation saturated with solute
6. Precipitate in prior crack site causes crack closure.
1 2 3
4 5 6
Schut, van Dijk, vd Zwaag
Het bewijs dat het kan.
+ deformation+ time
Zelf herstellende coatings op turbine bladen
Self healing in Thermal Barrier Coatingson turbine blades
PYSZ (6-8wt%)
Ni/Co-CrAlY
Ni-based superalloy
alumina
TBCTBC
TGOTGO
SubstrateSubstrate
BCBC
The thermal barrier coating system
Cracked sample Ti3AlC2
Detail of healed crack in TiAlC ceramic
Na 7 keer breken toch terug op de oude sterkte
Zelf herstellend beton
De hulp van bacteriën
Spore forming alkaliphylic bacteria
Bacterial healing concrete
50%
Copious and fast CaCO3 production on crack surface
2 Ca(CHO2)2 + 2 O2 >> >> 2 CaCO3 + 2 CO2 + 2 H2O
Bacterial concrete healing
Before After0.15 mm crack width
Impregnation techniques to image the effect of healing
Self healing in concrete
Slotopmerking
Dankzij uw belastinggeld is Nederland nu vooraanstaand in de wereld op het gebied van zelf herstellende materialen
72 Nederlandse bedrijven en 5 universiteiten zijn al betrokken bij het onderzoek
De verfindustrie heeft al zijn eerste commerciële product,De betonindustrie is aardig op wegDe asfaltindustrie biedt veel mogelijkheden (en komt eraan)