突破！碳納米管薄膜可生產(chǎn)航空級(jí)復(fù)合材料 無需大型烤箱或高壓釜
現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身通常是由多片不同的復(fù)合材料制成的，就像葉面面團(tuán)中的許多層一樣。這些片層堆疊并成型后，將這些結(jié)構(gòu)推入倉庫大小的烘箱和高壓滅菌器中，融合形成有彈性的氣動(dòng)外殼。
麻省理工學(xué)院博士后Jeonyoo Lee 圖片來源：麻省理工學(xué)院的Melanie Gonick
麻省理工學(xué)院的工程師最新開發(fā)出一種無需巨大的烘箱和壓力容器即可生產(chǎn)航空級(jí)復(fù)合材料的方法。新技術(shù)可能有助于加快飛機(jī)和其他大型高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。
研究結(jié)果發(fā)表在《高級(jí)材料界面》，論文詳細(xì)介紹了碳納米管薄膜生產(chǎn)航空級(jí)復(fù)合材料的新方法。
如果要制造機(jī)身或機(jī)翼之類的主要結(jié)構(gòu)，則需要建造一個(gè)壓力容器或高壓釜，其大小為兩層或三層建筑物的大小，這本身就需要時(shí)間和金錢來進(jìn)行加壓，現(xiàn)在可以在沒有高壓釜壓力的情況下制造一級(jí)結(jié)構(gòu)材料，因此我們可以擺脫所有這些龐大的基礎(chǔ)設(shè)施。
從烤箱里出來，蓋上毯子
2015年，Lee帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與Wardle實(shí)驗(yàn)室一起創(chuàng)造了一種無需使用烤箱將材料融合在一起即可制造航空級(jí)復(fù)合材料的方法。
研究人員沒有將材料層放在烤箱中進(jìn)行固化，而是將它們包裹在碳納米管（CNT）的超薄膜中。當(dāng)它們向薄膜施加電流時(shí)，CNT就像納米級(jí)電熱毯一樣，會(huì)迅速產(chǎn)生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。
利用這種烤箱外滅菌技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)僅使用1％的能量就能生產(chǎn)出與傳統(tǒng)飛機(jī)制造烤箱一樣堅(jiān)固的復(fù)合材料。
接下來研究人員尋找了不使用大型高壓滅菌器的高性能復(fù)合材料的方法，大型容器產(chǎn)生足夠高的壓力以將材料壓在一起，從而在界面處擠出任何空隙或氣穴。
材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，兩層之間的粗糙區(qū)域會(huì)被空氣填滿，這是復(fù)合材料中空隙和弱點(diǎn)的主要來源。高壓滅菌器可以將這些空隙推到邊緣并消除
“高壓滅菌”技術(shù)，無需使用大型機(jī)器即可制造復(fù)合材料。然而大多數(shù)已生產(chǎn)的復(fù)合材料有近1％的材料含有空隙，這會(huì)損害材料的強(qiáng)度和壽命。相比之下，用高壓滅菌器制造的航空級(jí)復(fù)合材料具有很高的質(zhì)量，所包含的任何空隙都可以忽略不計(jì)且不易測(cè)量。
高壓滅菌方法的問題在于材料是經(jīng)過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機(jī)翼和機(jī)身等主要結(jié)構(gòu)。他們?cè)谳o助結(jié)構(gòu)（例如襟翼和門）方面取得了一些進(jìn)展，產(chǎn)品仍然存在空隙。
復(fù)合材料的橫截面表明，具有形態(tài)控制的納米級(jí)毛細(xì)管的納米多孔薄膜在層狀聚合物結(jié)構(gòu)中的界面處提供了所需的壓力。圖片來源：麻省理工學(xué)院
研究人員的部分工作重點(diǎn)在于開發(fā)納米多孔網(wǎng)絡(luò)，即由對(duì)齊的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，包括顏色，強(qiáng)度和電容量。
研究人員想知道這些納米多孔膜是否可以代替巨大的高壓釜來擠壓兩個(gè)材料層之間的空隙，這似乎不太可能。
碳納米管薄膜有點(diǎn)像茂密的樹木林，樹木之間的空間可以像納米管或毛細(xì)管一樣起作用。諸如稻草之類的毛細(xì)管會(huì)根據(jù)其幾何形狀和表面能，或者碳納米管吸引液體或其他材料的能力而產(chǎn)生壓力。
研究人員提出，如果將碳納米管的薄膜夾在兩種材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的毛細(xì)管應(yīng)具有表面能和幾何形狀，以便它們將材料吸向每種材料其他，而不是在它們之間留出空隙。
毛細(xì)管壓力應(yīng)大于高壓滅菌器施加的壓力。
研究人員在實(shí)驗(yàn)室中通過使用先前開發(fā)的技術(shù)生長(zhǎng)垂直排列的碳納米管薄膜，然后將薄膜放置在通常用于基于高壓滅菌器的主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造中的材料層之間。他們將這些層包裹在第二層碳納米管薄膜中，然后施加電流對(duì)其進(jìn)行加熱。他們觀察到，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入中間CNT膜的毛細(xì)管中。
所得復(fù)合材料沒有空隙，類似于在高壓釜中生產(chǎn)的航空級(jí)復(fù)合材料。研究人員對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，試圖將各層分開，預(yù)估如果存在空隙，則可使各層更容易分離。
實(shí)驗(yàn)室研究測(cè)試中，他們發(fā)現(xiàn)高壓滅菌復(fù)合材料與用于主要航空航天結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)高壓滅菌工藝復(fù)合材料一樣堅(jiān)固。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了幾厘米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)材料加壓并防止形成空隙。為了使該工藝可用于制造整個(gè)機(jī)翼和機(jī)身，研究人員將必須找到大規(guī)模生產(chǎn)CNT和其他納米多孔膜的方法。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_438832.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
麻省理工學(xué)院博士后Jeonyoo Lee 圖片來源：麻省理工學(xué)院的Melanie Gonick
麻省理工學(xué)院的工程師最新開發(fā)出一種無需巨大的烘箱和壓力容器即可生產(chǎn)航空級(jí)復(fù)合材料的方法。新技術(shù)可能有助于加快飛機(jī)和其他大型高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。
研究結(jié)果發(fā)表在《高級(jí)材料界面》，論文詳細(xì)介紹了碳納米管薄膜生產(chǎn)航空級(jí)復(fù)合材料的新方法。
如果要制造機(jī)身或機(jī)翼之類的主要結(jié)構(gòu)，則需要建造一個(gè)壓力容器或高壓釜，其大小為兩層或三層建筑物的大小，這本身就需要時(shí)間和金錢來進(jìn)行加壓，現(xiàn)在可以在沒有高壓釜壓力的情況下制造一級(jí)結(jié)構(gòu)材料，因此我們可以擺脫所有這些龐大的基礎(chǔ)設(shè)施。
從烤箱里出來，蓋上毯子
2015年，Lee帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與Wardle實(shí)驗(yàn)室一起創(chuàng)造了一種無需使用烤箱將材料融合在一起即可制造航空級(jí)復(fù)合材料的方法。
研究人員沒有將材料層放在烤箱中進(jìn)行固化，而是將它們包裹在碳納米管（CNT）的超薄膜中。當(dāng)它們向薄膜施加電流時(shí)，CNT就像納米級(jí)電熱毯一樣，會(huì)迅速產(chǎn)生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。
利用這種烤箱外滅菌技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)僅使用1％的能量就能生產(chǎn)出與傳統(tǒng)飛機(jī)制造烤箱一樣堅(jiān)固的復(fù)合材料。
接下來研究人員尋找了不使用大型高壓滅菌器的高性能復(fù)合材料的方法，大型容器產(chǎn)生足夠高的壓力以將材料壓在一起，從而在界面處擠出任何空隙或氣穴。
材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，兩層之間的粗糙區(qū)域會(huì)被空氣填滿，這是復(fù)合材料中空隙和弱點(diǎn)的主要來源。高壓滅菌器可以將這些空隙推到邊緣并消除
“高壓滅菌”技術(shù)，無需使用大型機(jī)器即可制造復(fù)合材料。然而大多數(shù)已生產(chǎn)的復(fù)合材料有近1％的材料含有空隙，這會(huì)損害材料的強(qiáng)度和壽命。相比之下，用高壓滅菌器制造的航空級(jí)復(fù)合材料具有很高的質(zhì)量，所包含的任何空隙都可以忽略不計(jì)且不易測(cè)量。
高壓滅菌方法的問題在于材料是經(jīng)過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機(jī)翼和機(jī)身等主要結(jié)構(gòu)。他們?cè)谳o助結(jié)構(gòu)（例如襟翼和門）方面取得了一些進(jìn)展，產(chǎn)品仍然存在空隙。
復(fù)合材料的橫截面表明，具有形態(tài)控制的納米級(jí)毛細(xì)管的納米多孔薄膜在層狀聚合物結(jié)構(gòu)中的界面處提供了所需的壓力。圖片來源：麻省理工學(xué)院
研究人員的部分工作重點(diǎn)在于開發(fā)納米多孔網(wǎng)絡(luò)，即由對(duì)齊的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，包括顏色，強(qiáng)度和電容量。
研究人員想知道這些納米多孔膜是否可以代替巨大的高壓釜來擠壓兩個(gè)材料層之間的空隙，這似乎不太可能。
碳納米管薄膜有點(diǎn)像茂密的樹木林，樹木之間的空間可以像納米管或毛細(xì)管一樣起作用。諸如稻草之類的毛細(xì)管會(huì)根據(jù)其幾何形狀和表面能，或者碳納米管吸引液體或其他材料的能力而產(chǎn)生壓力。
研究人員提出，如果將碳納米管的薄膜夾在兩種材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的毛細(xì)管應(yīng)具有表面能和幾何形狀，以便它們將材料吸向每種材料其他，而不是在它們之間留出空隙。
毛細(xì)管壓力應(yīng)大于高壓滅菌器施加的壓力。
研究人員在實(shí)驗(yàn)室中通過使用先前開發(fā)的技術(shù)生長(zhǎng)垂直排列的碳納米管薄膜，然后將薄膜放置在通常用于基于高壓滅菌器的主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造中的材料層之間。他們將這些層包裹在第二層碳納米管薄膜中，然后施加電流對(duì)其進(jìn)行加熱。他們觀察到，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入中間CNT膜的毛細(xì)管中。
所得復(fù)合材料沒有空隙，類似于在高壓釜中生產(chǎn)的航空級(jí)復(fù)合材料。研究人員對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，試圖將各層分開，預(yù)估如果存在空隙，則可使各層更容易分離。
實(shí)驗(yàn)室研究測(cè)試中，他們發(fā)現(xiàn)高壓滅菌復(fù)合材料與用于主要航空航天結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)高壓滅菌工藝復(fù)合材料一樣堅(jiān)固。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了幾厘米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)材料加壓并防止形成空隙。為了使該工藝可用于制造整個(gè)機(jī)翼和機(jī)身，研究人員將必須找到大規(guī)模生產(chǎn)CNT和其他納米多孔膜的方法。
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