För att spara på bränsle och minska utsläppen från flygplan funderar ingenjörer på att bygga lättare, starkare flygplan av avancerade kompositer. Dessa konstruerade material är gjorda av högpresterande fibrer som är inbäddade i polymerark. Arken kan staplas och pressas till ett flerskiktsmaterial och göras till extremt lätta och hållbara strukturer.
Men kompositmaterial har en huvudsårbarhet:utrymmet mellan skikten, som vanligtvis är fyllt med polymer "lim" för att binda ihop skikten. Vid slag eller slag kan sprickor lätt spridas mellan lagren och försvaga materialet, även om det kanske inte finns några synliga skador på själva lagren. Med tiden, när dessa dolda sprickor sprider sig mellan lagren, kan kompositen plötsligt falla sönder utan förvarning.
Nu har MIT-ingenjörer visat att de kan förhindra sprickor från att spridas mellan kompositskikt, med hjälp av ett tillvägagångssätt som de utvecklade kallat "nanosömmar", där de deponerar kemiskt odlade mikroskopiska skogar av kolnanorör mellan kompositskikt. De små, tätt packade fibrerna greppar och håller ihop skikten, som ultrastark kardborre, vilket förhindrar skikten från att skala eller klippas isär.
I experiment med en avancerad komposit känd som tunnskiktskolfiberlaminat visade teamet att lager bundna med nanosömmar förbättrade materialets motståndskraft mot sprickor med upp till 60 procent jämfört med kompositer med konventionella polymerer. Forskarna säger att resultaten hjälper till att ta itu med den största sårbarheten i avancerade kompositer.
"Precis som filodeg flagnar isär, kan kompositskikt lossna eftersom denna interlaminära region är kompositernas akilleshäl", säger Brian Wardle, professor i flygteknik och astronautik vid MIT. "Vi visar att nanosömmar gör denna normalt svaga region så stark och tuff att en spricka inte kommer att växa där. Så vi kan förvänta oss att nästa generation av flygplan kommer att ha kompositer som hålls ihop med denna nano-kardborre för att göra flygplanen säkrare och ha längre livslängd."
Wardle och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces . Studiens första författare är tidigare MIT gästande doktorand och postdoc Carolina Furtado, tillsammans med Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen och Pedro Camanho.
På MIT är Wardle chef för nestled (uttalas "next lab"), där han och hans grupp först utvecklade konceptet med nanostygn. Tillvägagångssättet innebär att "odla" en skog av vertikalt inriktade kolnanorör – ihåliga fibrer av kol, var och en så liten att tiotals miljarder av nanorören kan stå i ett område som är mindre än en fingernagel.
För att odla nanorören använde teamet en process av kemisk ångavsättning för att reagera med olika katalysatorer i en ugn, vilket fick kol att lägga sig på en yta som små hårliknande stöd. Stöden tas så småningom bort och efterlämnar en tätt packad skog av mikroskopiska, vertikala rullar av kol.
Labbet har tidigare visat att nanorörsskogarna kan odlas och fästas på lager av kompositmaterial och att denna fiberförstärkta förening förbättrar materialets totala styrka. Forskarna hade också sett några tecken på att fibrerna kunde förbättra en komposits motståndskraft mot sprickor mellan lagren.
I sin nya studie tog ingenjörerna en mer djupgående titt på området mellan skikten i kompositer för att testa och kvantifiera hur nanosömmar skulle förbättra regionens motståndskraft mot sprickor. Studien fokuserade särskilt på ett avancerat kompositmaterial som kallas tunna skikt av kolfiberlaminat.
"Det här är en framväxande kompositteknik, där varje lager, eller skikt, är cirka 50 mikron tunt, jämfört med standardkompositskikt som är 150 mikron, vilket är ungefär samma diameter som ett människohår. Det finns bevis som tyder på att de är bättre än standard. -tjocklekskompositer Och vi ville se om det kan finnas synergi mellan vår nanosömnad och denna tunnskiktsteknik eftersom det kan leda till mer motståndskraftiga flygplan, högvärdiga flyg- och rymdfarkoster, säger Wardle.
Studiens experiment leddes av Carolina Furtado, som gick med i arbetet som en del av MIT-Portugal-programmet 2016, fortsatte projektet som postdoc och är nu professor vid universitetet i Porto i Portugal, där hennes forskning fokuserar på modellering sprickor och skador i avancerade kompositer.
I sina tester använde Furtado gruppens tekniker för kemisk ångavsättning för att odla tätt packade skogar av vertikalt riktade kolnanorör. Hon tillverkade också prover av tunna skikt av kolfiberlaminat. Den resulterande avancerade kompositen var cirka 3 millimeter tjock och bestod av 60 lager, vart och ett av styva, horisontella fibrer inbäddade i ett polymerark.
Hon överförde och fäste nanorörsskogen mellan de två mittersta skikten av kompositen och kokade sedan materialet i en autoklav för att härda. För att testa sprickmotståndet placerade forskarna en spricka på kanten av kompositen, precis i början av området mellan de två mellanlagren.
"Vid frakturtestning börjar vi alltid med en spricka eftersom vi vill testa om och hur långt sprickan kommer att sprida sig", förklarar Furtado.
Forskarna placerade sedan prover av den nanorörsförstärkta kompositen i en experimentell uppställning för att testa deras motståndskraft mot "delaminering" eller möjligheten för skikt att separera.
"Det finns många sätt du kan få föregångare till delaminering, till exempel från stötar, som verktygsfall, fågelangrepp, start på startbanan i flygplan, och det kan nästan inte finnas några synliga skador, men internt har den en delaminering," säger Wardle. "Precis som en människa, om du har en hårfästesfraktur i ett ben, är det inte bra. Bara för att du inte kan se det betyder det inte att det inte påverkar dig. Och skador i kompositer är svåra att inspektera."
För att undersöka nanosömmens potential att förhindra delaminering, placerade teamet sina prover i en uppsättning för att testa tre delamineringslägen, där en spricka kunde spridas genom området mellan lagren och dra isär lagren eller få dem att glida mot varandra eller en kombination av båda. Alla dessa tre lägen är de vanligaste sätten på vilka konventionella kompositer internt kan flagna och smula sönder.
Testerna, där forskarna exakt mätte kraften som krävdes för att skala eller klippa kompositens lager, avslöjade att nanostickningen höll fast och den första sprickan som forskarna gjorde kunde inte spridas vidare mellan lagren. De nanosydda proverna var upp till 62 procent segare och mer motståndskraftiga mot sprickor, jämfört med samma avancerade kompositmaterial som hölls ihop med konventionella polymerer.
"Det här är en ny kompositteknik, turboladdad av våra nanorör", säger Wardle.
"Författarna har visat att tunna lager och nanosömmar tillsammans har gjort en betydande ökning av segheten", säger Stephen Tsai, emeritusprofessor i flygteknik och astronautik vid Stanford University. "Kompositer försämras av sin svaga interlaminära hållfasthet. Alla förbättringar som visas i detta arbete kommer att öka den tillåtna designen och minska vikten och kostnaden för kompositteknik."
Forskarna föreställer sig att alla fordon eller strukturer som innehåller konventionella kompositer skulle kunna göras lättare, tuffare och mer motståndskraftiga med nanosömmar.
"Du kan ha selektiv förstärkning av problematiska områden, för att förstärka hål eller bultförband, eller platser där delaminering kan inträffa," säger Furtado. "Detta öppnar ett stort fönster av möjligheter."
Mer information: Carolina Furtado et al, J-Integral Experimentell Reduktion avslöjar förbättringar av brottseghet i tunna skikt av kolfiberlaminat med inriktad kolnanorör interlaminär förstärkning, ACS applicerade material och gränssnitt (2024). DOI:10.1021/acsami.3c17333
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
