Flygplansvingarnas framkanter måste uppfylla en mycket krävande uppsättning egenskaper. Ny forskning visar att en kombination av stålkompositmetallskum (CMF) och epoxiharts har mer önskvärda egenskaper för användning som ett ledande material än det aluminium som för närvarande används allmänt.

"Vi kallar vårt hybridmaterial "infunderat CMF, '" säger Afsaneh Rabiei, motsvarande författare till en artikel om arbetet och professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State. "Och medan infunderad CMF är ungefär samma vikt som aluminium, den är tuffare och har andra egenskaper som gör den mer tilltalande av en flygprestanda, säkerhets- och bränsleeffektivitetssynpunkt."

CMF är ett skum som består av ihåliga, metalliska sfärer – gjorda av material som rostfritt stål eller titan – inbäddade i en metallisk matris gjord av stål, aluminium eller metallegeringar. För denna studie, forskarna använde stål-stål CMF, vilket innebär att både sfärerna och matrisen var gjorda av stål. Tidigare arbete har funnit att metallskummet är anmärkningsvärt tufft:det tål 0,50 kaliber rundor, tål höga temperaturer, och blockera sprängtrycket från högexplosiva brandskott.

Den infunderade CMF görs genom att nedsänka stål-stål CMF i ett hydrofobt epoxiharts och använda vakuumkrafter för att dra in hartset i både de ihåliga sfärerna och in i mycket mindre porer som finns i själva stålmatrisen. Detta resulterar i att cirka 88 procent av CMF:s porer är fyllda med epoxiharts.

Forskarna testade sedan både infunderat CMF och aluminium för att se hur de presterade inom tre områden:kontaktvinkel, som bestämmer hur snabbt vatten strömmar bort från ett material; insektsvidhäftning, eller hur väl insektsdelar fastnade i materialet; och partikelslitage, eller hur väl materialet står emot erosion. Alla dessa faktorer påverkar prestandan hos en flygplansvings framkant.

Kontaktvinkel är ett mått på hur väl vatten pärlar upp på en yta. Ju lägre ett material kontaktvinkel, ju mer vattnet klamrar sig fast vid ytan. Detta är relevant för flygplansvingar eftersom vattenansamling på en vinge kan påverka flygplanets prestanda. Forskarna fann att infunderad CMF hade en kontaktvinkel som var 130 % högre än aluminium - en betydande förbättring.

Insektsvidhäftning mäts på två sätt:genom den maximala höjden av insektsrester som byggs upp på ett material, och av mängden område som täcks av insektsrester på materialets yta. På nytt, infunderad CMF överträffade aluminium – med 60 % när det gäller maximal höjd, och med 30 % i förhållande till den täckta ytan.

Forskarna genomförde också sandsprängningsexperiment för att simulera erosionen som orsakas av slitaget som uppstår över tiden när flygplansvingar används. Forskarna fann att medan sandblästring ökade ytråheten för infunderad CMF, det gick ändå bättre än aluminium. Till exempel, när det är som värst, infunderad CMF hade fortfarande en kontaktvinkel som var 50 procent högre än den för aluminium.

Med andra ord, den infunderade CMF behöll sina egenskaper genom erosion och slitage, vilket indikerar att det skulle ge ledande vingkomponenter en längre livslängd – och minska kostnaderna för underhåll och utbyte.

"Aluminium är för närvarande det valda materialet för att göra framkanten av flygplansvingar med fasta och roterande vingar, " säger Rabiei. "Våra resultat tyder på att infunderad CMF kan vara en värdefull ersättning, ger bättre prestanda vid samma vikt.

"Av samma skäl, resultaten tyder på att vi skulle kunna använda olika material för matrisen eller sfärerna för att skapa en kombination som presterar lika bra som konventionellt aluminium till en bråkdel av vikten. Hur som helst, du förbättrar prestanda och bränsleeffektivitet."