Hurtigere, stærkere, lettere:Ny teknik fremmer kulfiberkompositter

Disse dage, rumfartsteknik handler om de lette ting:at bygge fly med lettere vinger, skrog og landingsstel i et forsøg på at reducere brændstofomkostningerne.

Avancerede kulfiber-kompositter er blevet brugt i de senere år til at lette flyets belastning. Disse materialer kan matche aluminium og titanium i styrke, men til en brøkdel af vægten, og kan findes i fly som Boeing 787 og Airbus A380, reducere sådanne jetflys vægt med 20 procent.

For den næste generation af kommercielle jetfly, forskere leder efter endnu stærkere og lettere materialer, såsom kompositter lavet med kulfibre belagt med kulstofnanorør - bittesmå rør af krystallinsk kulstof. Når den er arrangeret i visse konfigurationer, nanorør kan være hundredvis af gange stærkere end stål, men kun en sjettedel af vægten, gør sådanne kompositter attraktive til brug i fly, samt biler, tog, rumfartøjer og satellitter.

Men en væsentlig forhindring for at opnå sådanne kompositter ligger på nanoskalaen:Forskere, der har prøvet at dyrke kulstofnanorør på kulfiber, har fundet ud af, at dette væsentligt forringer de underliggende fibre, fratage dem deres iboende styrke.

Nu har et hold fra MIT identificeret årsagen til denne fibernedbrydning, og udtænkte teknikker til at bevare fibrernes styrke. Ved at anvende deres opdagelser, forskerne coated kulfiber med nanorør uden at forårsage fibernedbrydning, gør fibrene dobbelt så stærke som tidligere nanorør-coatede fibre - baner vejen for kulfiberkompositter, der ikke kun er stærkere, men også mere elektrisk ledende. Forskerne siger, at teknikkerne nemt kan integreres i nuværende fiberfremstillingsprocesser.

"Indtil nu, mennesker forbedrede dybest set en del af materialet, men nedværdigede den underliggende fiber, og det var en afvejning, du kunne ikke få alt, hvad du ønskede, " siger Brian Wardle, en lektor i luftfart og astronautik ved MIT. "Med dette bidrag du kan nu få alt, hvad du vil. "

Et papir, der beskriver resultaterne af Wardle og hans kolleger, er offentliggjort i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader . Medforfattere er postdoc Stephen Steiner, som bidrog til forskningen som kandidatstuderende, og Richard Li, en kandidatstuderende, der var bachelor i Wardles laboratorium.

At komme til den sarte fibernedbrydning

For at forstå, hvordan kulfibre fremstilles, gruppen besøgte kulfiberproduktionsanlæg i Japan, Tyskland og Tennessee. Et aspekt af fiberfremstillingsprocessen skilte sig ud:Under fremstillingen, fibre strækkes til nær deres bristepunkt, når de opvarmes til høje temperaturer. I modsætning, forskere, der har forsøgt at dyrke nanorør på kulfibre i laboratoriet, bruger typisk ikke spændinger i deres fremstillingsprocesser.

For at replikere den fremstillingsproces, de var vidne til, Li og Steiner konstruerede et lille apparat af grafit. Forskerne spændte individuelle kulfibre - hver 10 gange tyndere end et menneskehår - på tværs af enheden, meget som strengene på en guitar, og hang små vægte i hver ende af hver fiber, trækker dem stramme. Gruppen dyrkede derefter kulstof nanorør på fibrene, først dækker fibrene med et specielt sæt belægninger, og derefter opvarmning af fibrene i en ovn. De brugte derefter kemisk dampaflejring til at dyrke et fuzzy lag af nanorør langs hver fiber.

For at få nanorør til at vokse, fiberen skal typisk belægges med en metalkatalysator som jern, men forskere har antaget, at sådanne katalysatorer også kan være kilden til fibernedbrydning. I deres eksperimenter, imidlertid, Steiner og Li fandt ud af, at katalysatoren kun bidrog til omkring 15 procent af fiberens nedbrydning.

"Da vi kom til det små, vi fandt ud af, at metalkatalysatoren, den opfattede gerningsmand, viste sig at være mere en medskyldig, " siger Steiner. "Vi kunne se, at det gjorde en lille skade, men det var ikke den ting, der virkelig dræbte alt."

I stedet, gruppen fandt, efter yderligere forsøg, at størstedelen af ​​fibernedbrydningen skyldtes et hidtil uidentificeret mekanokemisk fænomen, der opstod som følge af manglende spænding, når kulfibre opvarmes over en vis temperatur.

Hårbalsam i omvendt rækkefølge

Efter at have identificeret årsagerne til fibernedbrydning, forskerne kom med to praktiske strategier til at dyrke nanorør på kulfiber, der bevarer fiberstyrken.

Først, holdet belagde kulfiberen med et lag aluminiumoxidkeramik for at "tilsløre" det, gør det muligt for jernkatalysatoren at klæbe til fiberen uden at nedbryde den. Løsningen, imidlertid, kom med en anden udfordring:laget af aluminiumoxid blev ved med at flasse af.

For at holde aluminiumoxidet på plads, holdet udviklede en polymerbelægning kaldet K-PSMA – som, som Steiner beskriver det, fungerer som hårbalsam omvendt. Hårbalsam har to tilsyneladende modsatte kemiske egenskaber:en vandabsorberende komponent, der gør det muligt for balsamen at klæbe til håret, og en vandtæt komponent, der forhindrer håret i at blive kruset. Ligeledes, K-PSMA har hydrofile og hydrofobe komponenter, men dens vandtætte funktion klæber til kulfiberen, mens den vandabsorberende komponent tiltrækker aluminiumoxidet og metalkatalysatoren.

I deres eksperimenter, forskerne fandt ud af, at belægningen tillod aluminiumoxid og metalkatalysator at klæbe, uden at skulle tilføje andre processer, som at forætse fiberoverfladen. Holdet placerede de coatede fibre under spænding, og med succes voksede nanorør uden at beskadige fiberen.

For koncernens anden strategi, Steiner observerede, at det kan være muligt at eliminere behovet for spænding ved at reducere temperaturen på nanorørs vækst. Ved at bruge en nyligt opdaget nanorør-vækstproces sammen med K-PSMA, holdet demonstrerede, at det er muligt at dyrke nanorør ved en meget lavere temperatur - næsten 300 grader celsius køligere end normalt brugt - for at undgå skader på den underliggende fiber, .

"Denne proces reducerer ikke kun mængden af ​​energi og mængden af ​​gas, der kræves, men mængden af ​​fremmede stoffer du skal påføre fiberen, " siger Steiner. "Det er faktisk ret simpelt og omkostningseffektivt."

Milo Shaffer, professor i materialekemi ved Imperial College, London, siger, at gruppens kulfiberteknikker kan være nyttige til at designe kompositter til brug i elektroder og luftfiltre. Et næste skridt mod dette mål, han siger, er at sikre, at fiberens forskellige lag og belægninger bliver på plads.

"Dette resultat indikerer en vigtig faktor, der skal inkorporeres i fremtidige 'behårede kulfiber'-udviklinger, " siger Shaffer, som ikke har bidraget til forskningen. "Virkningen af ​​de forskellige belægningskombinationer på [nanorør] vedhæftning, og den eventuelle – og kritiske – fiber-matrix adhæsion i kompositter, mangler at blive udforsket."

Forskerne har indgivet patent på de to strategier, og forestiller sig avancerede fiberkompositter, der inkorporerer deres teknikker til en lang række anvendelser.

"Der er ikke mange mennesker, der innoverer materialekemi til avancerede strukturelle applikationer til rumfart, " siger Steiner. "Jeg synes, det er særligt spændende, og har en meget reel mulighed for at påvirke miljøet i stor skala, og om ydeevnen af ​​rumfartskøretøjer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.