De nieuwste passagiersvliegtuigen van Airbus en Boeing die tegenwoordig vliegen, zijn voornamelijk gemaakt van geavanceerde composietmaterialen zoals met koolstofvezel versterkt plastic - extreem licht, duurzame materialen die het totale gewicht van het vliegtuig met maar liefst 20 procent verminderen in vergelijking met vliegtuigen met aluminium body. Dergelijke lichtgewicht casco's vertalen zich direct in brandstofbesparing, wat een belangrijk punt is in het voordeel van geavanceerde composieten.

Maar composietmaterialen zijn ook verrassend kwetsbaar:hoewel aluminium relatief grote schokken kan weerstaan ​​voordat het barst, de vele lagen in composieten kunnen uiteenvallen als gevolg van relatief kleine schokken - een nadeel dat wordt beschouwd als de achilleshiel van het materiaal.

Nu hebben MIT-luchtvaartingenieurs een manier gevonden om composietlagen zo te hechten dat het resulterende materiaal aanzienlijk sterker en beter bestand is tegen beschadiging dan andere geavanceerde composieten. Hun resultaten worden deze week gepubliceerd in het tijdschrift Composieten Wetenschap en Technologie .

De onderzoekers bevestigden de lagen composietmaterialen aan elkaar met behulp van koolstofnanobuisjes - atoomdunne rollen koolstof die, ondanks hun microscopische gestalte, zijn ongelooflijk sterk. Ze hebben kleine "bossen" van koolstofnanobuisjes ingebed in een lijmachtige polymeermatrix, drukte vervolgens de matrix tussen lagen koolstofvezelcomposieten. De nanobuisjes, lijkt op klein, verticaal uitgelijnde steken, werkten zichzelf in de spleten van elke composietlaag, dienen als een steiger om de lagen bij elkaar te houden.

In experimenten om de sterkte van het materiaal te testen, het team vond dat vergeleken met bestaande composietmaterialen, de gestikte composieten waren 30 procent sterker, grotere krachten weerstaan ​​voordat ze uiteenvallen.

Roberto Guzman, die het werk leidde als MIT-postdoc bij de afdeling Lucht- en ruimtevaart (AeroAstro), zegt dat de verbetering kan leiden tot sterkere, lichtere vliegtuigonderdelen, met name die waarvoor spijkers of bouten nodig zijn, die conventionele composieten kunnen kraken.

"Er moet meer worden gedaan, maar we zijn er echt zeker van dat dit zal leiden tot sterkere, lichtere vliegtuigen, " zegt Guzman, die nu onderzoeker is aan het IMDEA Materials Institute, in Spanje. "Dat betekent veel brandstofbesparing, wat goed is voor het milieu en voor onze portemonnee."

De co-auteurs van de studie zijn onder meer AeroAstro-professor Brian Wardle en onderzoekers van het Zweedse ruimtevaart- en defensiebedrijf Saab AB.

"Grootte doet er toe"

De composietmaterialen van vandaag zijn samengesteld uit lagen, of lagen, van horizontale koolstofvezels, bij elkaar gehouden door een polymeerlijm, die Wardle beschrijft als "een zeer, erg zwak, problematisch gebied." Pogingen om dit lijmgebied te versterken zijn onder meer Z-pinning en 3D-weefmethoden waarbij bundels koolstofvezels door composietlagen worden vastgemaakt of weven, vergelijkbaar met het duwen van spijkers door multiplex, of draad door stof.

"Een steek of spijker is duizenden keren groter dan koolstofvezels, "zegt Wardle. "Dus als je ze door de composiet rijdt, je breekt duizenden koolstofvezels en beschadigt het composiet."

Koolstof nanobuisjes, daarentegen, zijn ongeveer 10 nanometer in diameter - bijna een miljoen keer kleiner dan de koolstofvezels.

"Grootte doet er toe, omdat we deze nanobuisjes erin kunnen stoppen zonder de grotere koolstofvezels te verstoren, en dat is wat de sterkte van het composiet handhaaft, " zegt Wardle. "Wat ons helpt de sterkte te vergroten, is dat koolstofnanobuisjes 1 hebben. 000 keer meer oppervlakte dan koolstofvezels, waardoor ze beter hechten aan de polymeermatrix."

De concurrentie opstapelen

Guzman en Wardle bedachten een techniek om een ​​steiger van koolstofnanobuisjes in de polymeerlijm te integreren. Ze kweekten eerst een bos van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen, volgens een procedure die de groep van Wardle eerder heeft ontwikkeld. Vervolgens brachten ze het bos over op een plakkerige, niet-uitgeharde composietlaag en herhaalde het proces om een ​​stapel van 16 composietlagen te genereren - een typische samenstelling van composietlaminaat - met koolstofnanobuisjes die tussen elke laag zijn gelijmd.

Om de sterkte van het materiaal te testen, het team voerde een spanningsdragende test uit - een standaardtest die wordt gebruikt om ruimtevaartonderdelen op maat te maken - waarbij de onderzoekers een bout door een gat in het composiet staken, heb het er toen uitgehaald. Terwijl bestaande composieten doorgaans breken onder een dergelijke spanning, het team ontdekte dat de gestikte composieten sterker waren, in staat om 30 procent meer kracht te weerstaan ​​voordat het barst.

De onderzoekers voerden ook een open-gat compressietest uit, kracht uitoefenen om het boutgat dicht te knijpen. In dat geval, het gestikte composiet weerstond 14 procent meer kracht voordat het brak, vergeleken met bestaande composieten.

"De sterkteverbeteringen suggereren dat dit materiaal beter bestand is tegen elke vorm van schadelijke gebeurtenissen of functies, ' zegt Wardle. 'En aangezien de meeste van de nieuwste vliegtuigen voor meer dan 50 procent uit composiet bestaan, het verbeteren van deze ultramoderne composieten heeft zeer positieve gevolgen voor de structurele prestaties van vliegtuigen."

Stephen Tsai, emeritus hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan de Stanford University, zegt dat geavanceerde composieten ongeëvenaard zijn in hun vermogen om brandstofkosten te verlagen, en daarom, uitstoot van vliegtuigen.

"Met hun intrinsiek lichte gewicht, er is niets aan de horizon dat kan concurreren met composietmaterialen om de vervuiling voor commerciële en militaire vliegtuigen te verminderen, " zegt Tsai, die niet aan het onderzoek hebben meegewerkt. Maar hij zegt dat de lucht- en ruimtevaartindustrie heeft afgezien van een breder gebruik van deze materialen. voornamelijk vanwege een "gebrek aan vertrouwen in [de materialen] schadetolerantie. Het werk van professor Wardle gaat direct in op hoe de schadetolerantie kan worden verbeterd, en dus hoe een hoger gebruik van de intrinsiek ongeëvenaarde prestaties van composietmaterialen kan worden gerealiseerd."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.