Kompositmaterial som används i flygplansvingar och flygkroppar tillverkas vanligtvis i stora, ugnar i industriell storlek:Flera polymerlager blästras med temperaturer upp till 750 grader Fahrenheit, och stelnade för att bilda ett fast ämne, fjädrande material. Genom att använda detta tillvägagångssätt, det krävs mycket energi först för att värma ugnen, sedan gasen runt den, och slutligen själva kompositen.

Flygingenjörer vid MIT har nu utvecklat en film av kolnanorör (CNT) som kan värma och stelna en komposit utan behov av massiva ugnar. När den är ansluten till en elektrisk strömkälla, och lindad över en flerskiktspolymerkomposit, den uppvärmda filmen stimulerar polymeren att stelna.

Gruppen testade filmen på ett vanligt kolfibermaterial som används i flygplanskomponenter, och fann att filmen skapade en komposit lika stark som den som tillverkas i konventionella ugnar – samtidigt som den bara använde 1 procent av energin.

Den nya metoden "utanför ugnen" kan erbjuda en mer direkt, energibesparande metod för tillverkning av praktiskt taget alla industriella kompositer, säger Brian L. Wardle, en docent i flygteknik och astronautik vid MIT.

"Vanligtvis, om du ska laga en flygkropp till en Airbus A350 eller Boeing 787, du har ungefär en fyravåningsugn som kostar tiotals miljoner dollar i infrastruktur som du inte behöver, " säger Wardle. "Vår teknik placerar värmen där den behövs, i direkt kontakt med den del som monteras. Se det som en självvärmande pizza. … Istället för en ugn, du kopplar bara in pizzan i väggen och den lagar sig själv."

Wardle säger att kolnanorörsfilmen också är otroligt lätt:efter att den har smält de underliggande polymerskikten, filmen i sig – en bråkdel av ett människohårs diameter – passar ihop med kompositen, tillför försumbar vikt.

Laget, inklusive MIT doktorander Jeonyoon Lee och Itai Stein och Seth Kessler från Metis Design Corporation, har publicerat sina resultat i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt .

Avisningsmedel för nanorör i kol

Wardle och hans kollegor har experimenterat med CNT-filmer de senaste åren, främst för avisning av flygplansvingar. Teamet insåg att förutom deras försumbara vikt, kolnanorör värmer effektivt när de utsätts för en elektrisk ström.

Gruppen utvecklade först en teknik för att skapa en film av inriktade kolnanorör som består av små rör av kristallint kol, står upprätt som träd i en skog. Forskarna använde en spö för att rulla "skogen" platt, skapa en tät film av inriktade kolnanorör.

I experiment, Wardle och hans team integrerade filmen i flygplansvingar via konventionella, ugnsbaserade härdningsmetoder, visar att när spänning applicerades, filmen genererade värme, förhindrar isbildning.

Avisningstesten inspirerade till en fråga:Om CNT-filmen kunde generera värme, varför inte använda den för att göra själva kompositen?

Hur varmt kan du gå?

I inledande experiment, forskarna undersökte filmens potential att smälta samman två typer av komposit av flyg- och rymdkvalitet som vanligtvis används i flygplansvingar och flygkroppar. Normalt materialet, består av cirka 16 lager, är stelnat, eller tvärbunden, i en industriell ugn med hög temperatur.

Forskarna tillverkade en CNT-film ungefär lika stor som en post-it-lapp, och placerade filmen över en fyrkant av Cycom 5320-1. De kopplade elektroder till filmen, applicerade sedan en ström för att värma både filmen och den underliggande polymeren i Cycom-kompositskikten.

Teamet mätte energin som krävdes för att stelna, eller tvärbindning, polymer- och kolfiberskikten, fann att CNT-filmen använde en hundradel av den elektricitet som krävdes för traditionella ugnsbaserade metoder för att härda kompositen. Båda metoderna genererade kompositer med liknande egenskaper, såsom tvärbindningsdensitet.

Wardle säger att resultaten fick gruppen att testa CNT-filmen ytterligare:Eftersom olika kompositer kräver olika temperaturer för att smälta samman, forskarna tittade för att se om CNT-filmen kunde, ganska bokstavligt, ta värmen.

"Vid något tillfälle, värmare steker ut, " säger Wardle. "De oxiderar, eller har olika sätt som de misslyckas på. Det vi ville se var hur varmt det här materialet kunde bli."

Att göra detta, gruppen testade filmens förmåga att generera högre och högre temperaturer, och upptäckte att den toppade på över 1, 000 F. I jämförelse, några av flyg- och rymdpolymererna med högsta temperatur kräver temperaturer upp till 750 F för att stelna.

"Vi kan bearbeta vid dessa temperaturer, vilket betyder att det inte finns någon komposit som vi inte kan bearbeta, Wardle säger. "Detta öppnar verkligen upp alla polymera material för denna teknik."

Teamet arbetar med industriella partners för att hitta sätt att skala upp tekniken för att tillverka kompositer som är tillräckligt stora för att göra flygplanskroppar och vingar.

"Det måste tänkas lite på elektrodering, och hur du faktiskt kommer att göra den elektriska kontakten effektivt över mycket stora ytor, " säger Wardle. "Du skulle behöva mycket mindre kraft än du för närvarande stoppar in i din ugn. Jag tycker inte att det är en utmaning, men det måste göras."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.