Arméforskare föreställer sig ett rotorcraftkoncept, som representerar reaktiva förstärkningar som när de utsätts för ultraviolett ljus kommer att öka det mekaniska beteendet på begäran. Ingenjörerna sa att kontroll av mekaniskt beteende potentiellt kan leda till ökad aerodynamisk stabilitet i rotorfarkoststrukturer. Kredit:US Army illustration
Ingenjörer vid U.S. Army Research Laboratory och University of Maryland har utvecklat en teknik som gör att ett kompositmaterial blir styvare och starkare vid behov när det utsätts för ultraviolett ljus.
Denna on-demand-kontroll av kompositbeteende kan möjliggöra en mängd nya möjligheter för framtida armérotorcraftdesign, Prestanda och underhåll.
ARL:s Dr Frank Gardea, en forskningsingenjör, sa att fokus för forskningen var på att kontrollera hur molekyler interagerar med varandra. Han sa att syftet var att "få dem interagera på ett sådant sätt att förändringar i en liten storlek, eller nanoskala, kan leda till observerade förändringar i en större storlek, eller makroskala."
Dr Bryan Glaz, chefsforskare vid ARL:s fordonsteknologidirektorat sa "en viktig motivation för detta arbete är önskan att konstruera nya strukturer, utgående från nanoskalan, för att möjliggöra avancerade rotorcraftkoncept som har föreslagits tidigare, men var omöjliga på grund av begränsningar i nuvarande kompositer. En av de viktigaste funktionerna som föreställs av dessa koncept är en avsevärt minskad underhållsbörda på grund av kompromisser vi gör för att flyga i höga hastigheter, han sa.
Det minskade schemalagda underhållet av framtida arméflygplattformar är en viktig teknisk drivkraft för framtida driftskoncept.
"De förbättrade mekaniska egenskaperna med potentiellt låga viktstraff, möjliggörs av den nya tekniken, kan leda till nanokompositbaserade strukturer som skulle möjliggöra rotorcraftkoncept som vi inte kan bygga idag, " sa Glaz.
Det gemensamma arbetet, nyligen publicerad i Avancerade materialgränssnitt , visar att dessa kompositmaterial kan bli 93 procent styvare och 35 procent starkare efter fem minuters exponering för ultraviolett ljus.
Tekniken består av att fästa ultraviolett ljus reaktiva molekyler till förstärkningsmedel som kolnanorör. Dessa reaktiva förstärkningsmedel är sedan inbäddade i en polymer. Vid exponering för ultraviolett ljus, en kemisk reaktion sker så att interaktionen mellan förstärkningsmedlen och polymeren ökar, vilket gör materialet styvare och starkare.
Forskarna sa att kemin som används här är allmänt tillämplig på en mängd olika armerings-/polymerkombinationer, vilket utökar användbarheten av denna kontrollmetod till ett brett utbud av materialsystem.
Forskare visar den syntetiska processen de använder för att skapa fotoresponsiva förstärkningsmedel. Ett kolnanorör, eller CNT, behandlas med en fotoreaktiv molekyl som kallas bensofenon. Efter exponering för ultraviolett ljus, molekylerna binder till den omgivande polymerkedjan. Detta skapar en kovalent koppling mellan nanoröret och polymeren. Kredit:US Army illustration
"Denna forskning visar att det är möjligt att kontrollera den övergripande materialegenskapen hos dessa nanokompositer genom molekylär ingenjörskonst i gränssnittet mellan kompositkomponenterna. Detta är inte bara viktigt för grundläggande vetenskap utan också för optimering av strukturell komponentrespons, " sa Dr Zhongjie Huang, en postdoktor vid University of Maryland.
Arméforskare tänkte på detta grundläggande tillvägagångssätt för potentialen att "möjliggöra nya språngförmågor till stöd för Future Vertical Lift Army Modernization Priority, ", sa tjänstemän.
"I det här fallet, utveckling av avancerade strukturer för att möjliggöra framsteg för arméns luftfartskapacitet som för närvarande inte är genomförbar på grund av begränsningar i mekaniska egenskaper hos nuvarande material, ", sa Glaz. "Detta är särskilt viktigt för den tänkta framtida driftsmiljön som kommer att kräva längre driftsperioder utan möjlighet att återvända till stationära baser för underhåll."
Vissa särskilt attraktiva designalternativ som motsvarar lägre mekaniska belastningar och vibrationer är för närvarande inte möjliga på grund av begränsningar i strukturell dämpning i gångjärnslösa blad- eller vingkonstruktioner.
Framtida strukturer baserade på detta arbete kan bidra till att leda till nya kompositer med kontrollerad strukturell dämpning och låg vikt som kan möjliggöra lågt underhåll, höghastighetsrotorcraftkoncept som för närvarande inte är genomförbara (t.ex. mjuka tiltrotorer i planet).
Dessutom, kontrollerbar mekanisk respons kommer att möjliggöra utveckling av adaptiva flyg- och rymdstrukturer som potentiellt skulle kunna ta emot mekaniska belastningsförhållanden.
"Army Research Laboratory och dess partners kommer att fortsätta att investera i framväxande och soldatinspirerade teknologier som kommer att möjliggöra mer tillförlitliga, högre prestanda, och språngförmågor som är nyckeln till utvecklingen av nästa generations plattformar som används av soldater, sa Elias Rigas, divisionschef för ARL Vehicle Applied Research Division.
Collaboration between the ARL and the University of Maryland was crucial in the development of this method.
"In our lab at UMD we have been developing unique carbon nanomaterials and chemistry but it was not until Gardea approached us did we become aware of the intriguing challenge and opportunity for reconfigurable composite materials, " said Dr. YuHuang Wang, professor of the Department of Chemistry and Biochemistry at the University of Maryland. "Together we have achieved something that is quite remarkable."
