Carbon nanorørfilm producerer kompositmaterialer i rumfartskvalitet uden behov for store ovne eller autoklaver

Et moderne flys skrog er lavet af flere plader af forskellige kompositmaterialer, som så mange lag i en filodejdej. Når først disse lag er stablet og støbt i form af en skrog, strukturerne køres ind i ovne og autoklaver i lagerstørrelse, hvor lagene smelter sammen for at danne en elastisk, aerodynamisk skal.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en metode til at producere kompositmaterialer i rumfartskvalitet uden de enorme ovne og trykbeholdere. Teknikken kan være med til at fremskynde fremstillingen af ​​fly og andre store, højtydende kompositstrukturer, såsom vinger til vindmøller.

Forskerne beskriver deres nye metode i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede materialegrænseflader .

"Hvis du laver en primær struktur som en skrog eller vinge, du skal bygge en trykbeholder, eller autoklav, på størrelse med en to- eller tre-etagers bygning, som i sig selv kræver tid og penge at lægge pres på, " siger Brian Wardle, professor i luftfart og astronautik ved MIT. "Disse ting er massive stykker infrastruktur. Nu kan vi lave primære strukturmaterialer uden autoklavetryk, så vi kan slippe af med al den infrastruktur."

Wardles medforfattere på papiret er hovedforfatter og MIT postdoc Jeonyoo Lee, og Seth Kessler fra Metis Design Corporation, et luftfartsstrukturelt sundhedsovervågningsfirma med base i Boston.

Ud af ovnen, ind i et tæppe

I 2015 Lee ledede holdet, sammen med et andet medlem af Wardles laboratorium, i at skabe en metode til at lave kompositmaterialer i rumfartskvalitet uden at kræve en ovn til at smelte materialerne sammen. I stedet for at placere lag af materiale inde i en ovn for at hærde, forskerne pakkede dem i det væsentlige ind i en ultratynd film af kulstofnanorør (CNT'er). Da de tilførte en elektrisk strøm til filmen, CNT'erne, som et elektrisk tæppe i nanoskala, hurtigt genereret varme, hvilket får materialerne indeni til at hærde og smelte sammen.

Med denne ude-ovn, eller OoO, teknik, holdet var i stand til at producere kompositter lige så stærke som materialerne fremstillet i konventionelle ovne til flyproduktion, bruger kun 1 procent af energien.

Forskerne ledte derefter efter måder at lave højtydende kompositter uden brug af store, højtryksautoklaver - beholdere i bygningsstørrelse, der genererer højt nok tryk til at presse materialer sammen, at presse eventuelle tomrum ud, eller luftlommer, på deres grænseflade.

"Der er mikroskopisk overfladeruhed på hvert lag af et materiale, og når du lægger to lag sammen, luft bliver fanget mellem de hårde områder, som er den primære kilde til tomrum og svaghed i en komposit, " siger Wardle. "En autoklave kan skubbe disse hulrum til kanterne og slippe af med dem."

Forskere inklusive Wardles gruppe har udforsket "uden for autoklaven, "eller OoA, teknikker til at fremstille kompositter uden at bruge de enorme maskiner. Men de fleste af disse teknikker har produceret kompositter, hvor næsten 1 procent af materialet indeholder hulrum, som kan kompromittere et materiales styrke og levetid. Sammenlignet med, Kompositter i fly- og rumfartskvalitet fremstillet i autoklaver er af så høj kvalitet, at eventuelle hulrum, de indeholder, er ubetydelige og ikke lette at måle.

"Problemet med disse OoA-tilgange er også, at materialerne er specielt formuleret, og ingen er kvalificeret til primære strukturer såsom vinger og flykroppe, " siger Wardle. "De gør nogle indhug i sekundære strukturer, såsom klapper og døre, men de får stadig tomrum."

Halmtryk

En del af Wardles arbejde fokuserer på at udvikle nanoporøse netværk - ultratynde film lavet af tilpassede, mikroskopisk materiale såsom kulstof nanorør, der kan konstrueres med exceptionelle egenskaber, herunder farve, styrke, og elektrisk kapacitet. Forskerne spekulerede på, om disse nanoporøse film kunne bruges i stedet for gigantiske autoklaver til at presse hulrum ud mellem to materielle lag, så usandsynligt som det kan synes.

En tynd film af kulstof nanorør er lidt som en tæt skov af træer, og mellemrummene mellem træerne kan fungere som tynde nanoskala rør, eller kapillærer. Et kapillar som et sugerør kan generere tryk baseret på dets geometri og dets overfladeenergi, eller materialets evne til at tiltrække væsker eller andre materialer.

Forskerne foreslog, at hvis en tynd film af kulstofnanorør blev klemt mellem to materialer, derefter, da materialerne blev opvarmet og blødgjort, kapillærerne mellem kulstofnanorørene skal have en overfladeenergi og geometri, så de vil trække materialerne ind mod hinanden, i stedet for at efterlade et tomrum mellem dem. Lee beregnede, at kapillartrykket skulle være større end trykket påført af autoklaverne.

Forskerne testede deres idé i laboratoriet ved at dyrke film af vertikalt justerede kulstofnanorør ved hjælp af en teknik, de tidligere har udviklet, derefter lægge filmene mellem lag af materialer, der typisk bruges i den autoklave-baserede fremstilling af primære flystrukturer. De pakkede lagene ind i en anden film af kulstof nanorør, som de tilførte en elektrisk strøm til for at varme den op. De observerede, at da materialerne blev opvarmet og blødgjort som reaktion, de blev trukket ind i kapillærerne af den mellemliggende CNT-film.

Den resulterende komposit manglede tomrum, svarende til kompositmaterialer af rumfartskvalitet, der produceres i en autoklave. Forskerne udsatte kompositterne for styrketest, forsøger at skubbe lagene fra hinanden, tanken er, at tomrum, hvis tilstede, ville tillade lagene at adskilles lettere.

"I disse tests, vi fandt ud af, at vores komposit uden for autoklaven var lige så stærk som den guldstandard autoklave-komposit, der blev brugt til primære rumfartsstrukturer, " siger Wardle.

Holdet vil derefter lede efter måder at skalere den trykgenererende CNT-film på. I deres eksperimenter, de arbejdede med prøver, der målte flere centimeter brede - store nok til at demonstrere, at nanoporøse netværk kan sætte materialer under tryk og forhindre hulrum i at dannes. For at gøre denne proces levedygtig til fremstilling af hele vinger og flykroppe, forskere bliver nødt til at finde måder at fremstille CNT og andre nanoporøse film i meget større skala.

"Der er måder at lave virkelig store tæpper af disse ting, og der er kontinuerlig produktion af ark, garn, og ruller af materiale, der kan inkorporeres i processen, " siger Wardle.

Han planlægger også at undersøge forskellige formuleringer af nanoporøse film, konstruktion af kapillærer med varierende overfladeenergier og geometrier, at kunne presse og binde andre højtydende materialer.

"Nu har vi denne nye materialeløsning, der kan give on-demand pres, hvor du har brug for det, " siger Wardle. "Ud over flyvemaskiner, det meste af kompositproduktionen i verden er kompositrør, for vand, gas, olie, alle de ting, der går ind og ud af vores liv. Dette kunne gøre at lave alle disse ting, uden ovnen og autoklavens infrastruktur."

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.