碳纳米管膜在没有巨大的烤箱或高压釜的情况下生产航空级复合材料

MIT Postdoc Jeonyoo Lee。

现代飞机的机身由多张不同的复合材料制成，如糕点糕点中的多层。一旦这些层被堆叠并模制成机身形状，就将结构件被转动到仓库尺寸的烤箱和高压釜中，其中层熔合在一起以形成弹性的空气动力学壳。

现在麻省理工学院工程师开发了一种生产航空航天级复合材料的方法，没有巨大的烤箱和压力容器。该技术可以帮助加速飞机和其他大型高性能复合结构的制造，例如风力涡轮机的叶片。

研究人员详细介绍了今天（1月13日）在日志先进的材料界面发表的文件中的新方法。

“如果您正在制作像机身或翼的主要结构，则需要构建一个压力容器，或高压灭菌，两层或三层建筑的大小，这本身需要时间和金钱来加压，”Brian说在麻省理工学院的航空航天教授，航空公司教授。“这些东西是大规模的基础设施。现在我们可以制造没有高压灭菌压力的主要结构材料，因此我们可以摆脱所有基础设施。“

Waterle在本文中的共同作者是领先作者和MIT Postdoc Jeonyoo Lee，以及Metis Design Corporation的Seth Kessler，该公司是一家位于波士顿的航空结构健康监测公司。

走出烤箱，进入毯子

2015年，Lee领导了团队，以及Waterle实验室的另一个成员，在创造一种制作航空航天级复合材料的方法中，无需烤箱将材料熔化在一起。研究人员在碳纳米管（CNT）的超薄薄膜中基本上包裹着它们，而不是将材料层放置在烤箱内部。当它们向薄膜施加电流时，CNT就像纳米级电热毯一样，快速产生热量，使材料固化并保险在一起。

麻省理工学院研究人员已经设计了一种制造高压釜配方的航空级高级碳纤维复合材料的方法，而不利用高压釜的施加压力。复合材料的横截面表明，具有形态学的纳米级毛细管的纳米多孔膜在层状聚合物架构中的界面处为所需的压力提供了所需的压力。

通过这种烤箱，或ooo，技术，该团队能够生产与传统飞机制造烤箱中的材料一样强的复合材料，只使用1％的能量。

研究人员接下来寻找制造高性能复合材料的方法，而无需使用大型高压高压吸管 - 建筑大小的容器，其产生足够高的压力，以将材料压在一起，挤压任何空隙或空气口袋处的界面。

“在材料的每个层上有微观表面粗糙度，当你把两层涂在一起时，空气被陷入粗糙区域之间，这是复合材料中空隙和虚弱的主要来源。”“高压釜可以将那些空隙推向边缘并摆脱它们。”

包括沃德尔集团在内的研究人员探索了“up-autoclave，”或ooa，在不使用巨大机器的情况下制造复合材料的技术。但大多数这些技术具有生产复合材料，其中近1％的材料含有空隙，这可能会损害材料的强度和寿命。相比之下，在高压釜中制造的航空级复合材料具有如此高质量的，其含有的任何空隙是可忽略的并且不容易测量。

“这些OOA方法的问题也是材料经过专门制定的，没有人有资格适用于翅膀和机身等主要结构，”Watchle说。“他们在二级结构中造成一些进球，例如襟翼和门，但它们仍然可以获得空隙。”

稻草压力

Waterle的一部分重点介绍开发纳米多孔网络 - 由排列的微观材料如碳纳米管制成的超薄薄膜，可以设计出具有特殊性质的特殊性质，包括颜色，强度和电容。研究人员想知道这些纳米多孔膜是否可以用代替巨型高压灭菌器来挤出两层材料层之间的空隙，这可能看起来不太可能。

碳纳米管的一部薄膜有些像树的茂密森林一样，树木之间的空间可以像薄的纳米级管或毛细管一样起作用。诸如稻草的毛细管基于其几何形状及其表面能产生压力，或者材料吸引液体或其他材料的能力。

研究人员提出，如果碳纳米管的薄膜夹在两种材料之间，那么，随着材料的加热和软化，碳纳米管之间的毛细管应具有表面能和几何形状，使得它们将朝向每个材料绘制材料其他，而不是在它们之间留下空隙。Lee计算毛细管压力应大于高压釜施加的压力。

研究人员通过使用先前显影的技术在实验室中生长垂直对准的碳纳米管的薄膜来测试他们的想法，然后将薄膜放在通常用于基于自动釜的制造中的材料层之间。它们在碳纳米管的第二膜中包裹了层，它们将电流施加到加热它。他们观察到，随着响应的反应加热和软化的材料，将它们拉入中间CNT薄膜的毛细管中。

得到的复合材料缺乏空隙，类似于在高压釜中产生的航空级复合材料。研究人员将复合材料进行了强度测试，试图将层分开，如果存在的话，该想法将允许层更容易分开。

“在这些测试中，我们发现我们的高压釜复合材料与用于初级航空航天结构的金标式高压釜加工复合材料一样强，”Watchle说。

该团队将下次寻找扩展压力产生CNT膜的方法。在他们的实验中，它们与测量几厘米宽的样品足够大，以证明纳米多孔网络可以加压材料并防止空隙形成。为了使这一过程可行的制造整个翅膀和机身，研究人员必须找到以更大的规模制造CNT和其他纳米多孔电影的方法。

“有些方法可以制造真正的大量毯子，并且可以连续生产纸张，纱线和材料的材料，即在该过程中可以合并，”Watchle说。

他还计划探索不同的纳米多孔膜，不同表面能和几何形状的工程毛细血管配方，能够加压和粘合其他高性能的材料。

“现在我们拥有这种新的材料解决方案，可以提供您需要的按需压力，”Watchle说。“除了飞机之外，世界上大部分复合生产是复合管道，用于水，天然气，石油，所有进出生命的东西。这可以制作所有这些东西，没有烤箱和高压灭菌基础设施。“

参考：“通过纳米多孔电影的毛细管 - 动作无空隙层状聚合物架构”，杰森·李，Seth S.Kessler和Brian L. Waterle，13月20日，先进的材料界面.DOI：
10.1002 / ADMI.201901427

该研究部分得到支持，部分地由空中客车，Ansys，Greataer，洛克希德Martin，Saab Ab，Saertex和Teijin Carban美国通过麻省理工学院的纳米工程复合航空航天结构（NECST）联盟。