Аэрокосмические инженеры из Массачусетского технологического института разработали пленку из углеродных нанотрубок (УНТ), которая может нагревать и затвердевать композит без необходимости использования массивных печей. При подключении к источнику электроэнергии и намотке на многослойный полимерный композит нагретая пленка стимулирует затвердевание полимера.Группа проверила пленку на обычном углеродном волокне, используемом в компонентах самолетов, и обнаружила, что пленка создает такой же прочный композит, как тот, который производится в обычных печах, при этом потребляя всего 1 процент энергии.Новый подход «вне печи» может предложить более прямой и энергосберегающий метод производства практически любого промышленного композитного материала, говорит Брайан Л. Уордл, доцент кафедры аэронавтики и космонавтики Массачусетского технологического института.
«Обычно, если вы собираетесь готовить фюзеляж для Airbus A350 или Boeing 787, у вас есть примерно четырехэтажная печь, которая стоит десятки миллионов долларов на инфраструктуру, которая вам не нужна», — говорит Уордл. «Наша технология направляет тепло туда, где это необходимо, в прямой контакт с собираемой частью. Думайте об этом как о саморазогревающейся пицце… Вместо духовки вы просто вставляете пиццу в стену, и она готовится сама».
Уордл говорит, что пленка из углеродных нанотрубок также невероятно легкая: после сплавления нижележащих полимерных слоев сама пленка — часть диаметра человеческого волоса — сцепляется с композитом, добавляя незначительный вес.Команда, в которую вошли аспиранты Массачусетского технологического института Чонюн Ли, Итаи Штайн и Сет Кесслер из Metis Design Corporation, опубликовала свои результаты в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.Антиобледенители углеродных нанотрубок
В последние годы Уордл и его коллеги экспериментировали с пленками из углеродных нанотрубок, в основном для удаления обледенения крыльев самолетов. Команда обнаружила, что углеродные нанотрубки не только обладают незначительным весом, но и эффективно нагреваются при воздействии электрического тока.Группа сначала разработала метод создания пленки из выровненных углеродных нанотрубок, состоящей из крошечных трубок кристаллического углерода, стоящих вертикально, как деревья в лесу.
Исследователи использовали стержень, чтобы свернуть «лес», создав плотную пленку из выровненных углеродных нанотрубок.В экспериментах Уордл и его команда интегрировали пленку в крылья самолета с помощью обычных методов отверждения в печи, показав, что при приложении напряжения пленка выделяла тепло, предотвращая образование льда.
Испытания противообледенительной защиты породили вопрос: если пленка УНТ может выделять тепло, почему бы не использовать ее для изготовления самого композита?Насколько жарко ты можешь пойти?В первоначальных экспериментах исследователи исследовали способность пленки объединять два типа композита аэрокосмического класса, который обычно используется в крыльях и фюзеляжах самолетов.
Обычно материал, состоящий примерно из 16 слоев, затвердевает или сшивается в высокотемпературной промышленной печи.Исследователи изготовили пленку из УНТ размером с стикер и поместили пленку на квадрат Cycom 5320-1. Они подключили электроды к пленке, а затем применили ток для нагрева пленки и нижележащего полимера в композитных слоях Cycom.
Команда измерила энергию, необходимую для затвердевания или сшивания слоев полимера и углеродного волокна, обнаружив, что пленка УНТ потребляет одну сотую электричества, необходимого для отверждения композита традиционными методами с использованием печи. Оба метода генерировали композиты со схожими свойствами, такими как плотность сшивки.
Уордл говорит, что результаты подтолкнули группу к дальнейшему тестированию пленки УНТ: поскольку разные композиты требуют разной температуры для плавления, исследователи смотрели, может ли пленка УНТ буквально переносить тепло.«В какой-то момент перегорают обогреватели», — говорит Уордл. «Они окисляются или выходят из строя по-разному. Мы хотели увидеть, насколько горячим может стать этот материал».
Чтобы сделать это, группа проверила способность пленки генерировать все более и более высокие температуры и обнаружила, что ее максимальная температура превышает 1000 F. Для сравнения, некоторые из самых высокотемпературных аэрокосмических полимеров требуют температуры до 750 F для затвердевания.«Мы можем обрабатывать при этих температурах, а это значит, что нет композита, который мы бы не смогли обработать», — говорит Уордл. «Это действительно открывает доступ к этой технологии для всех полимерных материалов».Команда работает с промышленными партнерами, чтобы найти способы расширения технологии для производства композитов, достаточно больших для изготовления фюзеляжей и крыльев самолетов.«Необходимо подумать об электродировании и о том, как вы собираетесь эффективно устанавливать электрический контакт на очень больших площадях», — говорит Уордл. «Вам понадобится гораздо меньше энергии, чем вы сейчас вкладываете в свою духовку.
Я не думаю, что это проблема, но это необходимо сделать».Грегори Одегард, профессор вычислительной механики в Мичиганском технологическом университете, говорит, что пленка из углеродных нанотрубок, созданная группой, может способствовать повышению качества и эффективности процессов производства крупных композитов, таких как крылья коммерческих самолетов.
Новая технология может также открыть двери для более мелких фирм, у которых нет доступа к большим промышленным печам.«Небольшие компании, которые хотят производить композитные детали, могут сделать это без вложений в большие печи или привлечения сторонних ресурсов», — говорит Одегард, не участвовавший в исследовании. «Это может привести к большему количеству инноваций в секторе композитных материалов и, возможно, к улучшению характеристик и использования композитных материалов».
Это исследование частично финансировалось Airbus Group, Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, TohoTenax, ANSYS Inc., Исследовательской лабораторией ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон и Исследовательским офисом армии США.