Nano-sømme muliggør lettere og hårdere kompositmaterialer

For at spare på brændstof og reducere flyemissioner søger ingeniører at bygge lettere, stærkere fly af avancerede kompositmaterialer. Disse konstruerede materialer er lavet af højtydende fibre, der er indlejret i polymerplader. Arkene kan stables og presses til ét flerlagsmateriale og laves til ekstremt lette og holdbare strukturer.

Men kompositmaterialer har én hovedsårbarhed:mellemrummet mellem lagene, som typisk er fyldt med polymer "lim" for at binde lagene sammen. Ved stød eller slag kan revner let spredes mellem lag og svække materialet, selvom der måske ikke er synlige skader på selve lagene. Over tid, da disse skjulte revner spredte sig mellem lagene, kunne kompositmaterialet pludselig smuldre uden varsel.

Nu har MIT-ingeniører vist, at de kan forhindre revner i at sprede sig mellem kompositlag, ved at bruge en fremgangsmåde, de udviklede kaldet "nano-stikning", hvor de aflejrer kemisk dyrkede mikroskopiske skove af kulstof-nanorør mellem kompositlag. De små, tætpakkede fibre griber og holder lagene sammen, som ultrastærk velcro, der forhindrer lagene i at skalle eller klippes fra hinanden.

I eksperimenter med et avanceret kompositmateriale kendt som tyndt-lags kulfiberlaminat, demonstrerede holdet, at lag bundet med nano-sømme forbedrede materialets modstandsdygtighed over for revner med op til 60 procent sammenlignet med kompositter med konventionelle polymerer. Forskerne siger, at resultaterne hjælper med at løse den største sårbarhed i avancerede kompositter.

"Ligesom filodejflager fra hinanden, kan sammensatte lag skrælle fra hinanden, fordi denne interlaminære region er kompositternes akilleshæl," siger Brian Wardle, professor i luftfart og astronautik ved MIT. "Vi viser, at nano-sting gør denne normalt svage region så stærk og sej, at der ikke vil vokse en revne der. Så vi kunne forvente, at næste generation af fly vil have kompositmaterialer holdt sammen med denne nano-velcro for at gøre flyene sikrere og have længere levetid."

Wardle og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet ACS Applied Materials &Interfaces . Undersøgelsens første forfatter er den tidligere MIT-gæstende kandidatstuderende og postdoc Carolina Furtado sammen med Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen og Pedro Camanho.

Skovvækst

På MIT er Wardle direktør for nestled (udtales "next lab"), hvor han og hans gruppe først udviklede konceptet med nano-sting. Fremgangsmåden indebærer at "dyrke" en skov af lodret rettede kulstof-nanorør – hule fibre af kulstof, hver så små, at titusindvis af milliarder af nanorørene kan stå i et område, der er mindre end en fingernegl.

For at dyrke nanorørene brugte holdet en proces med kemisk dampaflejring til at reagere med forskellige katalysatorer i en ovn, hvilket fik kulstof til at sætte sig på en overflade som små hårlignende understøtninger. Støtterne bliver til sidst fjernet og efterlader en tætpakket skov af mikroskopiske, lodrette kulstofruller.

Laboratoriet har tidligere vist, at nanorørskovene kan dyrkes og klæbes til lag af kompositmateriale, og at denne fiberforstærkede forbindelse forbedrer materialets samlede styrke. Forskerne havde også set nogle tegn på, at fibrene kunne forbedre en komposits modstandsdygtighed over for revner mellem lagene.

I deres nye undersøgelse tog ingeniørerne et mere dybdegående kig på området mellem lag i kompositter for at teste og kvantificere, hvordan nano-sting ville forbedre regionens modstandsdygtighed over for revner. Undersøgelsen fokuserede især på et avanceret kompositmateriale kendt som tyndtlagede kulfiberlaminater.

"Dette er en ny kompositteknologi, hvor hvert lag eller lag er omkring 50 mikron tyndt sammenlignet med standard kompositlag, der er 150 mikron, hvilket svarer til diameteren af ​​et menneskehår. Der er beviser, der tyder på, at de er bedre end standardlag. Og vi ønskede at se, om der kunne være synergi mellem vores nano-sømme og denne tynde-lagsteknologi, da det kunne føre til mere modstandsdygtige fly, højværdi-luftfartsstrukturer og rumfarts- og militærkøretøjer, siger Wardle.

Velcro-greb

Studiets eksperimenter blev ledet af Carolina Furtado, som sluttede sig til indsatsen som en del af MIT-Portugal-programmet i 2016, fortsatte projektet som postdoc og er nu professor ved universitetet i Porto i Portugal, hvor hendes forskning fokuserer på modellering. revner og skader i avancerede kompositmaterialer.

I sine test brugte Furtado gruppens teknikker til kemisk dampaflejring til at dyrke tætpakkede skove af vertikalt justerede kulstofnanorør. Hun fremstillede også prøver af tyndtlagede kulfiberlaminater. Den resulterende avancerede komposit var omkring 3 millimeter tyk og omfattede 60 lag, hver lavet af stive, vandrette fibre indlejret i en polymerplade.

Hun overførte og klæbte nanorørskoven ind mellem de to midterste lag af kompositten og kogte derefter materialet i en autoklave for at hærde. For at teste revnemodstand placerede forskerne en revne på kanten af ​​kompositmaterialet lige ved starten af ​​området mellem de to midterste lag.

"Ved brudtest starter vi altid med en revne, fordi vi vil teste, om og hvor langt revnen vil sprede sig," forklarer Furtado.

Forskerne placerede derefter prøver af den nanorør-forstærkede komposit i en eksperimentel opsætning for at teste deres modstandsdygtighed over for "delaminering" eller potentialet for, at lag adskilles.

"Der er mange måder, hvorpå du kan få forstadier til delaminering, såsom fra stød, såsom værktøjsfald, fugleangreb, start på landingsbanen i fly, og der kan næsten ikke være nogen synlig skade, men internt har den en delaminering," siger Wardle. "Ligesom et menneske, hvis du har et hårgrænsebrud i en knogle, er det ikke godt. Bare fordi du ikke kan se det, betyder det ikke, at det ikke påvirker dig. Og skader i kompositter er svære at inspicere."

For at undersøge nanostings potentiale til at forhindre delaminering, placerede holdet deres prøver i en opsætning for at teste tre delamineringstilstande, hvor en revne kunne sprede sig gennem området mellem lag og flå lagene fra hinanden eller få dem til at glide mod hinanden eller en kombination af begge. Alle tre af disse tilstande er de mest almindelige måder, hvorpå konventionelle kompositmaterialer internt kan flage og smuldre.

Testene, hvor forskerne præcist målte den kraft, der krævedes for at skrælle eller klippe komposittens lag, afslørede, at nano-syningen holdt fast, og den indledende revne, som forskerne lavede, var ikke i stand til at sprede sig yderligere mellem lagene. De nano-syede prøver var op til 62 procent sejere og mere modstandsdygtige over for revner sammenlignet med det samme avancerede kompositmateriale, som blev holdt sammen med konventionelle polymerer.

"Dette er en ny kompositteknologi, turboladet af vores nanorør," siger Wardle.

"Forfatterne har vist, at tynde lag og nano-sting sammen har givet en betydelig stigning i sejhed," siger Stephen Tsai, emeritus professor i luftfart og astronautik ved Stanford University. "Kompositmaterialer nedbrydes af deres svage interlaminære styrke. Enhver forbedring vist i dette arbejde vil øge det tilladte design og reducere vægten og omkostningerne ved kompositteknologi."

Forskerne forestiller sig, at ethvert køretøj eller enhver struktur, der inkorporerer konventionelle kompositter, kan gøres lettere, sejere og mere modstandsdygtige med nano-syning.

"Du kunne have selektiv forstærkning af problematiske områder, for at forstærke huller eller boltede samlinger eller steder, hvor delaminering kan ske," siger Furtado. "Dette åbner et stort vindue af muligheder."

Flere oplysninger: Carolina Furtado et al., J-Integral Eksperimentel Reduktion afslører forbedringer af brudsejhed i tyndtlagede kulfiberlaminater med tilpasset carbonnanorør interlaminær forstærkning, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2024). DOI:10.1021/acsami.3c17333

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

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.