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麻省理工学院航空航天工程师开发碳纳米管“针”来加强复合材料

麻省理工学院的航空航天工程师已经找到了一种粘合复合材料层的方法,生产的材料比其他先进复合材料更坚固,抗损坏性更强。改进可能会导致更强,更轻的飞机部件。

                  

今天飞行的最新空中客车和波音客机主要由先进的复合材料制成,如碳纤维增强塑料 - 极轻,耐用的材料,与铝制飞机相比,可将飞机的总重量降低20%。这种轻型机身直接转化为节省燃料,这是先进复合材料的主要优势。

但复合材料也令人惊讶地很脆弱:虽然铝在开裂之前可承受相对较大的冲击,但复合材料中的许多层会由于相对较小的冲击而破裂 - 这被认为是材料的致命弱点。

现在,麻省理工学院的航空航天工程师已经找到了一种粘合复合材料层的方法,使得所得到的材料比其他高级复合材料更坚固,更耐损坏。他们的结果本周在复合材料科学与技术杂志上发表。

研究人员使用碳纳米管将复合材料层紧固在​​一起 - 原子薄的碳卷,尽管其微观的身材,却非常强大。他们将碳纳米管的微小“森林”嵌入胶状聚合物基质中,然后将基质压在碳纤维复合材料层之间。纳米管类似于细小的垂直对齐线迹,它们自身在每个复合层的缝隙内工作,作为支撑层将其固定在一起。

在测试材料强度的实验中,研究小组发现,与现有复合材料相比,缝合复合材料的强度提高了30%,在分离之前承受更大的力量。

在航空航天部(AeroAstro)担任麻省理工博士后的Roberto Guzman说,这种改进可能会导致更强更轻的飞机部件 - 尤其是那些需要钉子或螺栓的部件,这些部件可能会破坏传统的复合材料。

“需要做更多的工作,但我们真的很积极,这将导致更强,更轻的飞机,”现在是西班牙IMDEA材料研究所研究员的古兹曼说道。 “这意味着节省了大量的燃料,这对于环境和我们的口袋来说非常有用。”

该研究的合着者包括AeroAstro教授Brian Wardle和来自瑞典航空和国防公司Saab AB的研究人员。

研究人员的技术将聚合物胶内的碳纳米管支架整合在一起。他们首先生长了垂直排列的碳纳米管森林,并将其转移到粘性未固化的复合层上。然后他们重复这一过程,生成一堆16个复合层,并在每层之间粘合了碳纳米管。

“大小事项”

今天的复合材料由水平碳纤维的层或层组成,由聚合物胶粘在一起,Wardle将其描述为“一个非常非常薄弱的​​问题区域”。试图加强这种胶粘区域包括Z型销钉和3个-D编织 - 通过复合层固定或编织碳纤维束的方法,类似于通过胶合板推动钉子或穿过织物的线。

Wardle说:“针或钉比碳纤维大几千倍。 “所以当你把它们拉过复合材料时,就会破坏成千上万的碳纤维并损坏复合材料。”

相比之下,碳纳米管的直径约为10纳米 - 比碳纤维小近百万倍。

“尺寸很重要,因为我们可以将这些纳米管放入而不会干扰较大的碳纤维,这就是维持复合材料强度的原因,”Wardle说。 “有助于我们提高强度的是碳纳米管的表面积比碳纤维多1000倍,这使得它们与聚合物基体的结合更好。”

加强竞争

古斯曼和沃德尔提出了一种将碳纳米管支架结合在聚合物胶内的技术。他们首先生长了一个垂直排列的碳纳米管森林,遵循Wardle的小组以前开发的程序。然后,他们将森林转移到粘性未固化的复合层上,并重复该过程以生成16层复合层 - 一种典型的复合层压制品 - 在每层之间粘合有碳纳米管。

为了测试材料的强度,该团队进行了拉力测试 - 一种用于测量航空零件尺寸的标准测试 - 研究人员将螺栓穿过复合材料的一个孔,然后将其撕开。虽然现有的复合材料通常会在这种张力下破裂,但研究团队发现,缝合后的复合材料更坚固,能够在开裂前承受30%的力。

研究人员还进行了裸眼压缩测试,施加​​力来挤压关闭的螺栓孔。在这种情况下,与现有复合材料相比,缝合复合材料在断裂之前能够承受14%的力。

“强度增强表明这种材料将更能抵抗任何类型的破坏性事件或特征,”Wardle说。 “由于大多数新型飞机的重量超过50%,改进这些先进复合材料对飞机结构性能具有非常积极的意义。”

斯坦福大学航空和航天学荣休教授斯蒂芬蔡说,先进的复合材料在降低燃料成本和降低飞机排放方面的能力是无与伦比的。

“由于它们本身重量轻,在地平线上没有任何东西可以与复合材料相抗衡,从而减少商用和军用飞机的污染,”Tsai说,他没有对这项研究做出贡献。但他表示,航空业已经避免了更广泛地使用这些材料,主要原因是“对材料的损伤容忍度缺乏信心。 Wardle教授的工作直接阐述了如何改善损伤容限,以及如何更好地利用复合材料本身无法比拟的性能。“

这项工作得到了空客集团,波音公司,Embraer公司,洛克希德马丁公司,萨博AB公司,Spirit航空系统公司,德事隆系统公司,ANSYS公司,赫克塞尔公司和TohoTenax公司的支持,通过MIT的纳米工程复合材料航空航天系统(NECST)联盟,部分由美国陆军。

出版物:R.Guzman de Villoria等人,“通过定向碳纳米管层间增强的层压复合材料的平面内强度增强”复合材料科学与技术,第133卷,2016年9月14日,第33-39页; DOI:10.1016 / j.compscitech.2016.07.006

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu