De nyaste Airbus- och Boeing-passagerarjetplanen som flyger idag är främst gjorda av avancerade kompositmaterial som kolfiberförstärkt plast – extremt lätta, slitstarka material som minskar planets totala vikt med så mycket som 20 procent jämfört med plan med aluminiumkropp. Sådana lätta flygplan leder direkt till bränslebesparingar, vilket är en viktig punkt till fördel för avancerade kompositer.

Men kompositmaterial är också förvånansvärt sårbara:Även om aluminium tål relativt stora stötar innan det spricker, de många skikten i kompositer kan gå isär på grund av relativt små stötar – en nackdel som anses vara materialets akilleshäl.

Nu har MITs flygingenjörer hittat ett sätt att binda samman kompositskikt på ett sådant sätt att det resulterande materialet är avsevärt starkare och mer motståndskraftigt mot skador än andra avancerade kompositer. Deras resultat publiceras denna vecka i tidskriften Kompositer vetenskap och teknik .

Forskarna fäste samman lagren av kompositmaterial med hjälp av kolnanorör - atomtunna rullar av kol som, trots deras mikroskopiska kroppsbyggnad, är otroligt starka. De bäddade in små "skogar" av kolnanorör i en limliknande polymermatris, pressade sedan matrisen mellan lager av kolfiberkompositer. Nanorören, liknar liten, vertikalt riktade sömmar, arbetade sig inom springorna i varje kompositskikt, fungerar som en ställning för att hålla ihop lagren.

I experiment för att testa materialets styrka, laget fann att, jämfört med befintliga kompositmaterial, de sydda kompositerna var 30 procent starkare, klarar större krafter innan de går sönder.

Roberto Guzman, som ledde arbetet som MIT postdoc vid Institutionen för flyg- och astronautik (AeroAstro), säger att förbättringen kan leda till starkare, lättare flygplansdelar – särskilt de som kräver spikar eller bultar, som kan knäcka konventionella kompositer.

"Mer arbete måste göras, men vi är verkligen övertygade om att detta kommer att leda till starkare, lättare flygplan, säger Guzman, som nu är forskare vid IMDEA Materials Institute, i Spanien. "Det betyder att mycket bränsle sparas, vilket är bra för miljön och för våra fickor."

Studiens medförfattare är AeroAstro-professor Brian Wardle och forskare från det svenska flyg- och försvarsföretaget Saab AB.

"Storlek spelar roll"

Dagens kompositmaterial är sammansatta av lager, eller skikt, av horisontella kolfibrer, hålls samman av ett polymerlim, som Wardle beskriver som "en mycket, väldigt svag, problematiskt område." Försök att stärka detta limområde inkluderar Z-stiftning och 3D-vävning - metoder som involverar nålning eller vävning av buntar av kolfibrer genom kompositskikt, liknar att trycka spikar genom plywood, eller trä genom tyg.

"Ett stygn eller en spik är tusentals gånger större än kolfiber, " säger Wardle. "Så när du kör dem genom kompositen, du bryter tusentals kolfibrer och skadar kompositen."

Kolnanorör, däremot är cirka 10 nanometer i diameter - nästan en miljon gånger mindre än kolfibrerna.

"Storlek spelar roll, eftersom vi kan sätta in dessa nanorör utan att störa de större kolfibrerna, och det är det som behåller kompositens styrka, " säger Wardle. "Det som hjälper oss att förbättra styrkan är att kolnanorör har 1, 000 gånger större yta än kolfibrer, vilket låter dem binda bättre till polymermatrisen."

Att lägga upp konkurrensen

Guzman och Wardle kom på en teknik för att integrera en ställning av kolnanorör i polymerlimmet. De odlade först en skog av vertikalt riktade kolnanorör, efter en procedur som Wardles grupp tidigare utvecklat. De överförde sedan skogen till en klibbig, ohärdat kompositskikt och upprepade processen för att generera en bunt av 16 kompositskikt - en typisk kompositlaminat - med kolnanorör limmade mellan varje skikt.

För att testa materialets styrka, teamet utförde ett spänningsbärande test – ett standardtest som används för att dimensionera flyg- och rymddelar – där forskarna satte en bult genom ett hål i kompositen, slet sedan ut den. Medan befintliga kompositer vanligtvis går sönder under sådan spänning, teamet fann att de sydda kompositerna var starkare, klarar av 30 procent mer kraft innan den spricker.

Forskarna utförde också ett kompressionstest med öppet hål, applicera kraft för att klämma ihop bulthålet. Isåfall, den sydda kompositen klarade 14 procent mer kraft innan den gick sönder, jämfört med befintliga kompositer.

"Styrkeförbättringarna tyder på att detta material kommer att vara mer motståndskraftigt mot alla typer av skadliga händelser eller funktioner, " säger Wardle. "Och eftersom majoriteten av de nyaste planen är mer än 50 viktprocent sammansatta, Att förbättra dessa toppmoderna kompositer har mycket positiva konsekvenser för flygplanets strukturella prestanda."

Stephen Tsai, emeritus professor i flygteknik och astronautik vid Stanford University, säger att avancerade kompositer är oöverträffade i sin förmåga att minska bränslekostnaderna, och därför, flygplans utsläpp.

"Med sin i sig själv låga vikt, det finns inget vid horisonten som kan konkurrera med kompositmaterial för att minska föroreningarna för kommersiella och militära flygplan, säger Tsai, som inte bidrog till studien. Men han säger att flygindustrin har avstått från en bredare användning av dessa material, främst på grund av en "brist på förtroende för [materialets] skadetolerans. Professor Wardles arbete tar direkt upp hur skadetoleransen kan förbättras, och därmed hur högre utnyttjande av kompositmaterialens i sig oöverträffade prestanda kan realiseras."

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.