Ny teknik bruger kulstof nanorørsfilm til direkte at opvarme og hærde kompositmaterialer

Kompositmaterialer, der anvendes i flyvinger og flykroppe, fremstilles typisk i store, ovne i industriel størrelse:Flere polymerlag blæses med temperaturer op til 750 grader Fahrenheit, og størknet til et fast stof, elastisk materiale. Ved at bruge denne tilgang, der kræves betydelig energi først for at opvarme ovnen, så gassen omkring det, og endelig den egentlige komposit.

Luftfartsingeniører ved MIT har nu udviklet en kulstof nanorør (CNT) film, der kan opvarme og størkne en komposit uden behov for massive ovne. Når den er tilsluttet en elektrisk strømkilde, og pakket ind over en flerlags polymerkomposit, den opvarmede film stimulerer polymeren til at størkne.

Gruppen testede filmen på et almindeligt kulfibermateriale, der bruges i flykomponenter, og fandt ud af, at filmen skabte en komposit så stærk som den, der blev fremstillet i konventionelle ovne - mens den kun brugte 1 procent af energien.

Den nye "ude af ovnen"-tilgang kan tilbyde en mere direkte, energibesparende metode til fremstilling af stort set enhver industriel komposit, siger Brian L. Wardle, en lektor i luftfart og astronautik ved MIT.

"Typisk, hvis du skal lave en skrog til en Airbus A350 eller Boeing 787, du har omkring en fire-etagers ovn, der koster titusindvis af millioner dollars i infrastruktur, som du ikke har brug for, " siger Wardle. "Vores teknik placerer varmen, hvor den er nødvendig, i direkte kontakt med den del, der samles. Tænk på det som en selvopvarmende pizza. … I stedet for en ovn, du sætter bare pizzaen ind i væggen, og den tilbereder sig selv."

Wardle siger, at kulstofnanorørfilmen også er utrolig let:Efter at den har smeltet de underliggende polymerlag, selve filmen - en brøkdel af et menneskehårs diameter - passer ind i kompositmaterialet, tilfører ubetydelig vægt.

Holdet, herunder MIT kandidatstuderende Jeonyoon Lee og Itai Stein og Seth Kessler fra Metis Design Corporation, har offentliggjort sine resultater i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader .

Carbon nanorør tømidler

Wardle og hans kolleger har eksperimenteret med CNT-film i de seneste år, primært til afisning af flyvinger. Holdet erkendte, at ud over deres ubetydelige vægt, kulstof nanorør opvarmer effektivt, når de udsættes for en elektrisk strøm.

Gruppen udviklede først en teknik til at skabe en film af justerede kulstofnanorør sammensat af bittesmå rør af krystallinsk kulstof, står oprejst som træer i en skov. Forskerne brugte en stang til at rulle "skoven" flad, skabe en tæt film af justerede kulstof nanorør.

I eksperimenter, Wardle og hans team integrerede filmen i flyvinger via konventionelle, ovnbaserede hærdningsmetoder, viser, at når spænding blev påført, filmen genererede varme, forhindrer is i at dannes.

Afisningstestene inspirerede til et spørgsmål:Hvis CNT-filmen kunne generere varme, hvorfor ikke bruge det til at lave selve kompositten?

Hvor varmt kan du gå?

I indledende forsøg, forskerne undersøgte filmens potentiale til at sammensmelte to typer kompositmaterialer af rumfartskvalitet, der typisk bruges i flyvinger og flykroppe. Normalt er materialet, sammensat af omkring 16 lag, er størknet, eller tværbundet, i en højtemperatur industriel ovn.

Forskerne fremstillede en CNT-film på størrelse med en post-it-seddel, og placerede filmen over en firkant af Cycom 5320-1. De forbandt elektroder til filmen, derefter påført en strøm for at opvarme både filmen og den underliggende polymer i Cycom-kompositlagene.

Holdet målte den energi, der krævedes for at størkne, eller tværbinding, polymer- og kulfiberlagene, fandt ud af, at CNT-filmen brugte en hundrededel af den elektricitet, der kræves til traditionelle ovnbaserede metoder til at hærde kompositten. Begge metoder genererede kompositter med lignende egenskaber, såsom tværbindingstæthed.

Wardle siger, at resultaterne skubbede gruppen til at teste CNT-filmen yderligere:Da forskellige kompositter kræver forskellige temperaturer for at smelte sammen, forskerne så for at se, om CNT-filmen kunne, helt bogstaveligt, tag varmen.

"På et tidspunkt, varmeovne steger ud, " siger Wardle. "De oxiderer, eller har forskellige måder, hvorpå de fejler. Det, vi gerne ville se, var, hvor varmt dette materiale kunne blive."

At gøre dette, gruppen testede filmens evne til at generere højere og højere temperaturer, og fandt det toppede på over 1, 000 F. Til sammenligning, nogle af de højeste temperatur-luftfartspolymerer kræver temperaturer op til 750 F for at størkne.

"Vi kan behandle ved de temperaturer, hvilket betyder, at der ikke er nogen komposit, vi ikke kan behandle, " siger Wardle. "Dette åbner virkelig alle polymermaterialer for denne teknologi."

Holdet arbejder sammen med industrielle partnere for at finde måder at opskalere teknologien til at fremstille kompositter, der er store nok til at lave flykroppe og vinger.

"Der skal tænkes lidt over elektroding, og hvordan du rent faktisk vil skabe den elektriske kontakt effektivt over meget store områder, " siger Wardle. "Du har brug for meget mindre strøm, end du i øjeblikket sætter i din ovn. Jeg synes ikke det er en udfordring men det skal gøres."

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.