De romp van een modern vliegtuig is gemaakt van meerdere platen van verschillende composietmaterialen, zoals zoveel lagen in een filodeeggebak. Zodra deze lagen zijn gestapeld en in de vorm van een romp zijn gegoten, de constructies worden in magazijnengrote ovens en autoclaven gereden, waar de lagen samensmelten tot een veerkrachtig, aerodynamische schaal.

Nu hebben MIT-ingenieurs een methode ontwikkeld om composieten van ruimtevaartkwaliteit te produceren zonder de enorme ovens en drukvaten. De techniek kan helpen om de fabricage van vliegtuigen en andere grote, hoogwaardige composietstructuren, zoals wieken voor windturbines.

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe methode in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materiaalinterfaces .

"Als je een primaire structuur maakt, zoals een romp of vleugel, je moet een drukvat bouwen, of autoclaaf, de grootte van een gebouw met twee of drie verdiepingen, die zelf tijd en geld nodig heeft om onder druk te zetten, " zegt Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. "Dit zijn enorme stukken infrastructuur. Nu kunnen we primaire structuurmaterialen maken zonder autoclaafdruk, zodat we van al die infrastructuur af kunnen komen."

Wardle's co-auteurs op het papier zijn hoofdauteur en MIT-postdoc Jeonyoo Lee, en Seth Kessler van Metis Design Corporation, een bedrijf voor structurele gezondheidsmonitoring in de ruimtevaart, gevestigd in Boston.

Uit de oven, in een deken

anno 2015, Lee leidde het team, samen met een ander lid van Wardle's lab, bij het creëren van een methode om composieten van ruimtevaartkwaliteit te maken zonder dat een oven nodig is om de materialen samen te smelten. In plaats van lagen materiaal in een oven te plaatsen om uit te harden, de onderzoekers wikkelden ze in wezen in een ultradunne film van koolstofnanobuisjes (CNT's). Toen ze een elektrische stroom op de film aanbrachten, de CNT's, als een elektrische deken op nanoschaal, snel gegenereerde warmte, waardoor de materialen binnenin uitharden en samensmelten.

Met deze uit de oven of Ooo, techniek, het team was in staat om composieten te produceren die net zo sterk zijn als de materialen die worden gemaakt in conventionele ovens voor de productie van vliegtuigen, met slechts 1 procent van de energie.

De onderzoekers zochten vervolgens naar manieren om hoogwaardige composieten te maken zonder het gebruik van grote, hogedrukautoclaven - vaten van bouwformaat die voldoende hoge druk genereren om materialen samen te persen, alle holtes eruit persen, of luchtzakken, op hun interface.

"Er is microscopisch kleine oppervlakteruwheid op elke laag van een materiaal, en als je twee lagen samenvoegt, lucht komt vast te zitten tussen de ruwe gebieden, wat de primaire bron is van holtes en zwakte in een composiet, ', zegt Wardle. 'Een autoclaaf kan die holtes naar de randen duwen en ze wegwerken.'

Onderzoekers, waaronder de groep van Wardle, hebben onderzoek gedaan naar "buiten de autoclaaf, " of OoA, technieken om composieten te vervaardigen zonder de enorme machines te gebruiken. Maar de meeste van deze technieken hebben composieten geproduceerd waarin bijna 1 procent van het materiaal holtes bevat, die de sterkte en levensduur van een materiaal in gevaar kunnen brengen. In vergelijking, composieten van ruimtevaartkwaliteit die in autoclaven worden gemaakt, zijn van zo'n hoge kwaliteit dat eventuele holtes die ze bevatten verwaarloosbaar zijn en niet gemakkelijk te meten.

"Het probleem met deze OoA-benaderingen is ook dat de materialen speciaal zijn geformuleerd, en geen enkele is gekwalificeerd voor primaire constructies zoals vleugels en rompen, "zegt Wardle. "Ze dringen door in secundaire structuren, zoals kleppen en deuren, maar ze krijgen nog steeds leegtes."

Stro druk

Een deel van Wardle's werk is gericht op het ontwikkelen van nanoporeuze netwerken:ultradunne films gemaakt van uitgelijnde, microscopisch materiaal zoals koolstofnanobuisjes, die kunnen worden ontworpen met uitzonderlijke eigenschappen, inclusief kleur, kracht, en elektrisch vermogen. De onderzoekers vroegen zich af of deze nanoporeuze films kunnen worden gebruikt in plaats van gigantische autoclaven om holtes tussen twee materiaallagen uit te persen. hoe onwaarschijnlijk dat ook lijkt.

Een dunne film van koolstofnanobuisjes lijkt een beetje op een dicht bos van bomen, en de ruimtes tussen de bomen kunnen functioneren als dunne buisjes op nanoschaal, of haarvaten. Een capillair zoals een rietje kan druk genereren op basis van zijn geometrie en oppervlakte-energie, of het vermogen van het materiaal om vloeistoffen of andere materialen aan te trekken.

De onderzoekers stelden voor dat als een dunne film van koolstofnanobuisjes tussen twee materialen zou zitten, dan, als de materialen werden verwarmd en verzacht, de haarvaten tussen de koolstofnanobuisjes moeten een zodanige oppervlakte-energie en geometrie hebben dat ze de materialen naar elkaar toe trekken, in plaats van een leegte tussen hen achter te laten. Lee berekende dat de capillaire druk groter zou moeten zijn dan de druk die door de autoclaven wordt uitgeoefend.

De onderzoekers testten hun idee in het laboratorium door films van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes te kweken met behulp van een techniek die ze eerder hadden ontwikkeld, vervolgens het leggen van de films tussen lagen materialen die typisch worden gebruikt in de autoclaaf-gebaseerde fabricage van primaire vliegtuigconstructies. Ze wikkelden de lagen in een tweede film van koolstofnanobuisjes, waarop ze een elektrische stroom toepasten om het op te warmen. Ze merkten op dat naarmate de materialen als reactie werden verwarmd en zachter, ze werden in de haarvaten van de tussenliggende CNT-film getrokken.

De resulterende composiet miste holtes, vergelijkbaar met composieten van ruimtevaartkwaliteit die in een autoclaaf worden geproduceerd. De onderzoekers onderwierpen de composieten aan sterktetests, proberen de lagen uit elkaar te duwen, het idee is dat leegte, indien aanwezig, zouden de lagen gemakkelijker kunnen scheiden.

"Bij deze proeven we ontdekten dat onze composiet buiten de autoclaaf net zo sterk was als de gouden standaard autoclaafprocescomposiet die wordt gebruikt voor primaire ruimtevaartstructuren, ' zegt Ward.

Het team gaat vervolgens op zoek naar manieren om de drukgenererende CNT-film op te schalen. In hun experimenten, ze werkten met monsters van enkele centimeters breed - groot genoeg om aan te tonen dat nanoporeuze netwerken materialen onder druk kunnen zetten en holtes kunnen voorkomen. Om dit proces haalbaar te maken voor het vervaardigen van volledige vleugels en rompen, onderzoekers zullen manieren moeten vinden om CNT en andere nanoporeuze films op veel grotere schaal te vervaardigen.

"Er zijn manieren om echt grote dekens van dit spul te maken, en er is een continue productie van platen, garens, en rollen materiaal die in het proces kunnen worden verwerkt, ' zegt Ward.

Hij is ook van plan om verschillende formuleringen van nanoporeuze films te onderzoeken, technische capillairen van verschillende oppervlakte-energieën en geometrieën, om andere hoogwaardige materialen onder druk te kunnen zetten en te verlijmen.

"Nu hebben we deze nieuwe materiaaloplossing die on-demand druk kan leveren waar je het nodig hebt, ' zegt Wardle. 'Buiten vliegtuigen, het grootste deel van de composietproductie ter wereld bestaat uit composietbuizen, voor water, gas, olie, alle dingen die in en uit ons leven gaan. Dit zou het maken van al die dingen, zonder de oven- en autoclaafinfrastructuur."

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.