Metode til at forstærke kulstof nanorør kunne gøre flyets rammer lettere, mere modstandsdygtig over for skader

De nyeste Airbus- og Boeing-passagerfly, der flyver i dag, er primært lavet af avancerede kompositmaterialer såsom kulfiberforstærket plastik - ekstremt lette, holdbare materialer, der reducerer flyets samlede vægt med så meget som 20 procent sammenlignet med fly med aluminiumskroppe. Sådanne lette flyskrog betyder direkte brændstofbesparelser, hvilket er et vigtigt punkt i avancerede kompositmaterialers favør.

Men kompositmaterialer er også overraskende sårbare:Mens aluminium kan modstå relativt store stød, før det revner, de mange lag i kompositmaterialer kan gå i stykker på grund af relativt små stød – en ulempe, der betragtes som materialets akilleshæl.

Nu har MIT rumfartsingeniører fundet en måde at binde sammensatte lag på en sådan måde, at det resulterende materiale er væsentligt stærkere og mere modstandsdygtigt over for skader end andre avancerede kompositmaterialer. Deres resultater offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Kompositter Videnskab og teknologi .

Forskerne fastgjorde lagene af kompositmaterialer sammen ved hjælp af kulstofnanorør - atomtynde kulstofruller, der, på trods af deres mikroskopiske statur, er utrolig stærke. De indlejrede bittesmå "skove" af kulstofnanorør i en limlignende polymermatrix, pressede derefter matrixen mellem lag af kulfiberkompositter. Nanorørene, ligner lille, lodret justerede sømme, arbejdede sig inden for sprækkerne af hvert kompositlag, fungerer som et stillads til at holde lagene sammen.

I forsøg for at teste materialets styrke, holdet fandt ud af, at sammenlignet med eksisterende kompositmaterialer, de sammensyede kompositmaterialer var 30 procent stærkere, modstå større kræfter, før de går i stykker.

Roberto Guzman, der ledede arbejdet som MIT postdoc i Institut for Luftfart og Astronautik (AeroAstro), siger, at forbedringen kan føre til stærkere, lettere flydele - især dem, der kræver søm eller bolte, som kan knække konventionelle kompositter.

"Der skal arbejdes mere, men vi er virkelig positive over, at dette vil føre til stærkere, lettere fly, " siger Guzman, som nu er forsker ved IMDEA Materials Institute, i Spanien. "Det betyder, at der er sparet meget brændstof, hvilket er fantastisk for miljøet og for vores lommer."

Studiets medforfattere omfatter AeroAstro-professor Brian Wardle og forskere fra den svenske rumfarts- og forsvarsvirksomhed Saab AB.

"Størrelse betyder noget"

Nutidens kompositmaterialer er sammensat af lag, eller lag, af horisontale kulfibre, holdt sammen af ​​en polymerlim, som Wardle beskriver som "en meget, meget svag, problematisk område." Forsøg på at styrke dette limområde omfatter Z-pinning og 3-D vævning - metoder, der involverer pinning eller vævning af bundter af kulfiber gennem kompositlag, ligner at skubbe søm gennem krydsfiner, eller tråd gennem stof.

"Et søm eller søm er tusindvis af gange større end kulfibre, " siger Wardle. "Så når du kører dem gennem kompositten, du knækker tusindvis af kulfibre og beskadiger kompositten."

Kulstof nanorør, derimod er omkring 10 nanometer i diameter - næsten en million gange mindre end kulfiberne.

"Størrelse betyder noget, fordi vi er i stand til at sætte disse nanorør i uden at forstyrre de større kulfibre, og det er det, der bevarer komposittens styrke, " siger Wardle. "Det, der hjælper os med at øge styrken, er, at kulstofnanorør har 1, 000 gange mere overflade end kulfiber, hvilket lader dem binde bedre til polymermatrixen."

Stable konkurrencen op

Guzman og Wardle kom op med en teknik til at integrere et stillads af kulstofnanorør i polymerlimen. De dyrkede først en skov af vertikalt justerede kulstofnanorør, efter en procedure, som Wardles gruppe tidligere har udviklet. De overførte derefter skoven til en klæbrig, uherdet kompositlag og gentog processen med at generere en stak med 16 kompositlag - en typisk sammensat laminatmakeup - med kulnanorør limet mellem hvert lag.

For at teste materialets styrke, holdet udførte en spændingsbærende test - en standardtest, der bruges til at dimensionere rumfartsdele - hvor forskerne satte en bolt gennem et hul i kompositmaterialet, så rev den ud. Mens eksisterende kompositter typisk bryder under en sådan spænding, holdet fandt, at de sammensyede kompositmaterialer var stærkere, i stand til at modstå 30 procent mere kraft før revner.

Forskerne udførte også en åben-hullet kompressionstest, påføre kraft for at klemme bolthullet lukket. I det tilfælde, den sammensyede komposit modstod 14 procent mere kraft, før den knækkede, sammenlignet med eksisterende kompositmaterialer.

"Styrkeforbedringerne tyder på, at dette materiale vil være mere modstandsdygtigt over for enhver form for skadelige begivenheder eller funktioner, " siger Wardle. "Og da størstedelen af ​​de nyeste fly er mere end 50 vægtprocent sammensatte, at forbedre disse avancerede kompositter har meget positive konsekvenser for flyets strukturelle ydeevne."

Stephen Tsai, emeritus professor i luftfart og astronautik ved Stanford University, siger, at avancerede kompositmaterialer er uovertruffen i deres evne til at reducere brændstofomkostninger, og derfor, emissioner fra fly.

"Med deres iboende lette vægt, der er intet i horisonten, der kan konkurrere med kompositmaterialer for at reducere forureningen af ​​kommercielle og militære fly, " siger Tsai, som ikke har bidraget til undersøgelsen. Men han siger, at luftfartsindustrien har afstået fra bredere brug af disse materialer, primært på grund af en "manglende tillid til [materialernes] skadetolerance. Professor Wardles arbejde adresserer direkte, hvordan skadetolerancen kan forbedres, og dermed hvordan højere udnyttelse af den iboende uovertrufne ydeevne af kompositmaterialer kan realiseres."

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.