De voorranden van vliegtuigvleugels moeten voldoen aan een zeer veeleisende reeks kenmerken. Nieuw onderzoek toont aan dat een combinatie van staalcomposietmetaalschuim (CMF) en epoxyhars meer wenselijke eigenschappen heeft voor gebruik als toonaangevend materiaal dan het aluminium dat momenteel wijdverbreid wordt gebruikt.

"We noemen ons hybride materiaal 'geïnfuseerde CMF, '", zegt Afsaneh Rabiei, corresponderende auteur van een paper over het werk en een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan NC State. "En hoewel geïnfuseerd CMF ongeveer hetzelfde gewicht heeft als aluminium, het is harder en heeft andere kenmerken die het aantrekkelijker maken van een vliegprestatie, veiligheids- en brandstofefficiëntiestandpunt."

CMF is een schuim dat bestaat uit holle, metalen bollen - gemaakt van materialen zoals roestvrij staal of titanium - ingebed in een metalen matrix van staal, aluminium of metaallegeringen. Voor deze studie is de onderzoekers gebruikten staal-staal CMF, wat betekent dat zowel de bollen als de matrix van staal waren. Uit eerder werk is gebleken dat het metaalschuim opmerkelijk taai is:het is bestand tegen .50 kaliberrondes, bestand zijn tegen hoge temperaturen, en blokkeer de ontploffingsdruk van zeer explosieve brandbommen.

De geïnfuseerde CMF wordt gemaakt door de staal-stalen CMF onder te dompelen in een hydrofobe epoxyhars en vacuümkrachten te gebruiken om de hars in zowel de holle bollen als in veel kleinere poriën in de stalen matrix zelf te trekken. Dit resulteert erin dat ongeveer 88 procent van de poriën van de CMF gevuld is met epoxyhars.

De onderzoekers testten vervolgens zowel geïnfuseerd CMF als aluminium van ruimtevaartkwaliteit om te zien hoe ze presteerden op drie gebieden:contacthoek, die bepaalt hoe snel water van een materiaal af stroomt; insecten hechting, of hoe goed bug-onderdelen aan het materiaal bleven plakken; en deeltjesslijtage, of hoe goed het materiaal bestand is tegen erosie. Al deze factoren zijn van invloed op de prestaties van de voorrand van een vliegtuigvleugel.

De contacthoek is een maat voor hoe goed water op een oppervlak parelt. Hoe lager de contacthoek van een materiaal, hoe meer het water aan het oppervlak blijft kleven. Dit is relevant voor vliegtuigvleugels omdat waterophoping op een vleugel de prestaties van vliegtuigen kan beïnvloeden. De onderzoekers ontdekten dat geïnfundeerde CMF een contacthoek had die 130% hoger was dan die van aluminium - een significante verbetering.

Aanhechting van insecten wordt op twee manieren gemeten:door de maximale hoogte van insectenresten die zich op een materiaal ophopen, en door de hoeveelheid gebied bedekt door insectenresten op het oppervlak van een materiaal. Opnieuw, doordrenkt CMF presteerde beter dan aluminium - met 60% met betrekking tot maximale hoogte, en met 30% ten opzichte van het bestreken oppervlak.

De onderzoekers voerden ook gritblast-experimenten uit om de erosie te simuleren die wordt veroorzaakt door de slijtage die optreedt in de loop van de tijd wanneer vliegtuigvleugels in gebruik zijn. De onderzoekers vonden dat, terwijl gritstralen de oppervlakteruwheid verhoogde voor geïnfuseerde CMF, het deed het nog steeds beter dan aluminium. Bijvoorbeeld, op zijn slechtst, geïnfuseerd CMF had nog steeds een contacthoek die 50 procent hoger was dan die van aluminium.

Met andere woorden, de geïnfuseerde CMF behield zijn eigenschappen door erosie en slijtage, wat aangeeft dat het geavanceerde vleugelcomponenten een langere levensduur zou geven - en de kosten voor onderhoud en vervanging zou verminderen.

"Aluminium is momenteel het materiaal bij uitstek voor het maken van de voorrand van vliegtuigvleugels met vaste en roterende vleugels, " zegt Rabiei. "Onze resultaten suggereren dat geïnfuseerde CMF een waardevolle vervanging kan zijn, biedt betere prestaties bij hetzelfde gewicht.

"In dezelfde zin, de resultaten suggereren dat we verschillende materialen voor de matrix of bollen zouden kunnen gebruiken om een ​​combinatie te creëren die even goed presteert als conventioneel aluminium met een fractie van het gewicht. Hoe dan ook, u verbetert de prestaties en het brandstofverbruik."