Ett modernt flygplans flygkropp är gjord av flera ark av olika kompositmaterial, som så många lager i en filodegsbakelse. När dessa lager är staplade och formade till formen av en flygkropp, strukturerna rullas in i lagerstora ugnar och autoklaver, där skikten smälter samman för att bilda en elastisk, aerodynamiskt skal.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en metod för att producera kompositer av flyg- och rymdkvalitet utan de enorma ugnarna och tryckkärlen. Tekniken kan bidra till att påskynda tillverkningen av flygplan och andra stora, högpresterande kompositstrukturer, såsom blad för vindkraftverk.

Forskarna beskriver sin nya metod i en artikel som publicerades i dag i tidskriften Avancerade materialgränssnitt .

"Om du gör en primär struktur som en flygkropp eller vinge, du behöver bygga ett tryckkärl, eller autoklav, storleken på en två- eller trevåningsbyggnad, som i sig kräver tid och pengar för att pressa, " säger Brian Wardle, professor i flygteknik och astronautik vid MIT. "De här sakerna är massiva delar av infrastruktur. Nu kan vi tillverka primära strukturmaterial utan autoklavtryck, så vi kan bli av med all den infrastrukturen."

Wardles medförfattare på tidningen är huvudförfattare och MIT postdoc Jeonyoo Lee, och Seth Kessler från Metis Design Corporation, ett företag för strukturell hälsoövervakning inom flygindustrin med säte i Boston.

Ut ur ugnen, in i en filt

2015, Lee ledde laget, tillsammans med en annan medlem av Wardles labb, att skapa en metod för att göra kompositer av flyg- och rymdkvalitet utan att behöva en ugn för att smälta samman materialen. Istället för att placera lager av material inuti en ugn för att härda, forskarna svepte i huvudsak in dem i en ultratunn film av kolnanorör (CNT). När de applicerade en elektrisk ström på filmen, CNT, som en elektrisk filt i nanoskala, snabbt genererad värme, får materialen inuti att härda och smälta samman.

Med denna utanför ugnen, eller OoO, Metod, teamet kunde producera kompositer lika starka som de material som tillverkades i konventionella ugnar för flygplanstillverkning, använder bara 1 procent av energin.

Forskarna letade sedan efter sätt att göra högpresterande kompositer utan användning av stora, högtrycksautoklaver – kärl i byggnadsstorlek som genererar tillräckligt högt tryck för att pressa samman material, klämmer ut eventuella tomrum, eller luftfickor, i deras gränssnitt.

"Det finns mikroskopisk ytråhet på varje lager av ett material, och när du sätter ihop två lager, luft fastnar mellan de ojämna områdena, som är den primära källan till tomrum och svaghet i en komposit, " Säger Wardle. "En autoklav kan trycka de tomrummen till kanterna och bli av med dem."

Forskare inklusive Wardles grupp har utforskat "utanför autoklaven, " eller OoA, tekniker för att tillverka kompositer utan att använda de enorma maskinerna. Men de flesta av dessa tekniker har producerat kompositer där nästan 1 procent av materialet innehåller tomrum, vilket kan äventyra ett materials styrka och livslängd. I jämförelse, Kompositer av flyg- och rymdkvalitet tillverkade i autoklaver är av så hög kvalitet att alla hålrum de innehåller är försumbara och inte lätta att mäta.

"Problemet med dessa OoA-metoder är också att materialen har specialformulerats, och ingen är kvalificerad för primära strukturer som vingar och flygkroppar, " säger Wardle. "De gör en del inbrytningar i sekundära strukturer, som klaffar och dörrar, men de får fortfarande tomrum."

Halmtryck

En del av Wardles arbete fokuserar på att utveckla nanoporösa nätverk – ultratunna filmer gjorda av justerade, mikroskopiskt material som kolnanorör, som kan konstrueras med exceptionella egenskaper, inklusive färg, styrka, och elektrisk kapacitet. Forskarna undrade om dessa nanoporösa filmer kunde användas i stället för gigantiska autoklaver för att pressa ut tomrum mellan två materiallager, hur osannolikt det än kan verka.

En tunn film av kolnanorör är ungefär som en tät skog av träd, och utrymmena mellan träden kan fungera som tunna nanoskaliga rör, eller kapillärer. En kapillär som ett sugrör kan generera tryck baserat på dess geometri och dess ytenergi, eller materialets förmåga att dra till sig vätskor eller andra material.

Forskarna föreslog att om en tunn film av kolnanorör klämdes in mellan två material, sedan, när materialen värmdes upp och mjuknade, kapillärerna mellan kolnanorören bör ha en ytenergi och geometri så att de drar in materialen mot varandra, snarare än att lämna ett tomrum mellan dem. Lee beräknade att kapillärtrycket skulle vara större än trycket som applicerades av autoklaverna.

Forskarna testade sin idé i labbet genom att odla filmer av vertikalt riktade kolnanorör med en teknik som de tidigare utvecklat, sedan lägga filmerna mellan lager av material som vanligtvis används vid autoklavbaserad tillverkning av primära flygplansstrukturer. De lindade in lagren i en andra film av kolnanorör, som de applicerade en elektrisk ström på för att värma upp den. De observerade att när materialen värmdes upp och mjuknade som svar, de drogs in i kapillärerna i den mellanliggande CNT-filmen.

Den resulterande kompositen saknade tomrum, liknande kompositer av flyg- och rymdkvalitet som tillverkas i en autoklav. Forskarna utsatte kompositerna för hållfasthetstester, försöker trycka isär lagren, tanken är att tomrum, om närvarande, skulle tillåta skikten att separeras lättare.

"I dessa tester, vi fann att vår komposit utanför autoklaven var lika stark som den autoklavprocess av guldstandard som används för primära rymdstrukturer, " säger Wardle.

Teamet kommer nästa att leta efter sätt att skala upp den tryckgenererande CNT-filmen. I sina experiment, de arbetade med prover som mätte flera centimeter breda – tillräckligt stora för att visa att nanoporösa nätverk kan trycksätta material och förhindra tomrum från att bildas. För att göra denna process genomförbar för tillverkning av hela vingar och flygkroppar, forskare måste hitta sätt att tillverka CNT och andra nanoporösa filmer i mycket större skala.

"Det finns sätt att göra riktigt stora filtar av det här, och det sker kontinuerlig produktion av ark, garn, och rullar med material som kan införlivas i processen, " säger Wardle.

Han planerar också att utforska olika formuleringar av nanoporösa filmer, tekniska kapillärer med varierande ytenergier och geometrier, för att kunna trycksätta och binda andra högpresterande material.

"Nu har vi den här nya materiallösningen som kan ge on-demand-tryck där du behöver det, " säger Wardle. "Bortom flygplan, det mesta av kompositproduktionen i världen är kompositrör, för vatten, gas, olja, alla saker som går in och ut ur våra liv. Detta kan göra att man gör alla dessa saker, utan ugn och autoklavinfrastruktur."

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.