Wetenschap
Nanosteken maken lichtere en sterkere composietmaterialen mogelijk
Om brandstof te besparen en de uitstoot van vliegtuigen te verminderen, willen ingenieurs lichtere, sterkere vliegtuigen bouwen uit geavanceerde composieten. Deze technische materialen zijn gemaakt van hoogwaardige vezels die zijn ingebed in polymeerplaten. De platen kunnen worden gestapeld en tot één meerlaags materiaal worden geperst en tot extreem lichte en duurzame structuren worden gemaakt.
Maar composietmaterialen hebben één grote kwetsbaarheid:de ruimte tussen de lagen, die doorgaans gevuld is met polymeerlijm om de lagen aan elkaar te hechten. Bij een botsing of slag kunnen scheuren zich gemakkelijk tussen de lagen verspreiden en het materiaal verzwakken, ook al is er mogelijk geen zichtbare schade aan de lagen zelf. Naarmate deze verborgen scheuren zich na verloop van tijd tussen de lagen verspreiden, kan het composiet plotseling zonder waarschuwing afbrokkelen.
Nu hebben MIT-ingenieurs aangetoond dat ze kunnen voorkomen dat scheuren zich verspreiden tussen composietlagen, met behulp van een door hen ontwikkelde aanpak genaamd 'nano stitching', waarbij ze chemisch gegroeide microscopisch kleine bossen van koolstofnanobuisjes tussen composietlagen deponeren. De kleine, dicht opeengepakte vezels houden de lagen bij elkaar, net als ultrasterk klittenband, waardoor wordt voorkomen dat de lagen loskomen of uit elkaar scheuren.
In experimenten met een geavanceerd composiet, bekend als dunlaags koolstofvezellaminaat, heeft het team aangetoond dat lagen verbonden met nano-stiksels de weerstand van het materiaal tegen scheuren met wel 60 procent verbeterden in vergelijking met composieten met conventionele polymeren. De onderzoekers zeggen dat de resultaten helpen de belangrijkste kwetsbaarheid in geavanceerde composieten aan te pakken.
"Net zoals filodeeg uit elkaar valt, kunnen composietlagen uit elkaar vallen omdat dit interlaminaire gebied de achilleshiel van composieten is", zegt Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. "We laten zien dat nano-stiksels dit normaal gesproken zwakke gebied zo sterk en taai maken dat er daar geen scheur zal groeien. We kunnen dus verwachten dat de volgende generatie vliegtuigen composieten zal hebben die bij elkaar worden gehouden met dit nano-klittenband om vliegtuigen veiliger en veiliger te maken." hebben een langere levensduur."
Wardle en zijn collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces . De eerste auteur van het onderzoek is voormalig MIT-student en postdoc Carolina Furtado, samen met Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen en Pedro Camanho.
Bosgroei
Bij MIT is Wardle directeur van het nestled (uitgesproken als ‘next lab’), waar hij en zijn groep voor het eerst het concept van nano-stitching ontwikkelden. De aanpak omvat het 'groeien' van een woud van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes:holle koolstofvezels, elk zo klein dat tientallen miljarden nanobuisjes kunnen staan in een gebied dat kleiner is dan een vingernagel.
Om de nanobuisjes te laten groeien, gebruikte het team een proces van chemische dampafzetting om te reageren met verschillende katalysatoren in een oven, waardoor koolstof zich op een oppervlak nestelde als kleine, haarachtige dragers. De steunen worden uiteindelijk verwijderd, waardoor een dicht opeengepakt bos van microscopisch kleine verticale rollen koolstof achterblijft.
Het laboratorium heeft eerder aangetoond dat de nanobuisbossen kunnen worden gekweekt en aan lagen composietmateriaal kunnen worden gehecht en dat deze vezelversterkte verbinding de algehele sterkte van het materiaal verbetert. De onderzoekers hadden ook enkele tekenen gezien dat de vezels de weerstand van een composiet tegen scheuren tussen lagen zouden kunnen verbeteren.
In hun nieuwe onderzoek hebben de ingenieurs dieper ingegaan op het tussenlaaggebied in composieten om te testen en te kwantificeren hoe nano-stiksels de weerstand van het gebied tegen scheuren zouden verbeteren. Het onderzoek richtte zich met name op een geavanceerd composietmateriaal dat bekend staat als dunlaags koolstofvezellaminaten.
"Dit is een opkomende composiettechnologie, waarbij elke laag, of laag, ongeveer 50 micron dun is, vergeleken met standaard composietlagen van 150 micron, wat ongeveer de diameter van een mensenhaar is. Er zijn aanwijzingen dat ze beter zijn dan standaard En we wilden zien of er synergie zou kunnen bestaan tussen onze nano-stiksels en deze dunnelaagtechnologie, omdat dit zou kunnen leiden tot veerkrachtigere vliegtuigen, hoogwaardige lucht- en ruimtevaartstructuren en ruimtevaart- en militaire voertuigen,' zegt Wardle.
Klittenbandgreep
De experimenten van het onderzoek werden geleid door Carolina Furtado, die zich in 2016 bij de inspanning voegde als onderdeel van het MIT-Portugal-programma, het project voortzette als postdoc en nu professor is aan de Universiteit van Porto in Portugal, waar haar onderzoek zich richt op modellering. scheuren en schade in geavanceerde composieten.
In haar tests gebruikte Furtado de technieken van chemische dampafzetting van de groep om dicht opeengepakte bossen met verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes te laten groeien. Ze vervaardigde ook monsters van dunlaags koolstofvezellaminaten. Het resulterende geavanceerde composiet was ongeveer 3 millimeter dik en bestond uit 60 lagen, elk gemaakt van stijve, horizontale vezels ingebed in een polymeerlaag.
Ze bracht het nanobuisjesbos over en plakte het tussen de twee middelste lagen van het composiet, en kookte het materiaal vervolgens in een autoclaaf om uit te harden. Om de scheurweerstand te testen plaatsten de onderzoekers een scheur op de rand van het composiet, precies aan het begin van het gebied tussen de twee middelste lagen.
"Bij breuktesten beginnen we altijd met een scheur, omdat we willen testen of en hoe ver de scheur zich zal verspreiden", legt Furtado uit.
De onderzoekers plaatsten vervolgens monsters van het met nanobuisjes versterkte composiet in een experimentele opstelling om hun veerkracht tegen "delaminering" te testen, oftewel de mogelijkheid dat lagen scheiden.
"Er zijn veel manieren waarop je voorlopers van delaminatie kunt krijgen, bijvoorbeeld door botsingen, zoals het laten vallen van gereedschap, vogelaanvaringen, het omhoog schieten van de landingsbaan in vliegtuigen, en er kan bijna geen zichtbare schade zijn, maar intern is er sprake van delaminatie", zegt Wardle. "Net als bij een mens is het niet goed als je een haarlijnbreuk in een bot hebt. Dat je het niet kunt zien, betekent niet dat het geen gevolgen voor je heeft. En schade aan composieten is moeilijk te inspecteren."
Om het potentieel van nano-stitching om delaminatie te voorkomen te onderzoeken, plaatste het team hun monsters in een opstelling om drie delaminatiemodi te testen, waarbij een scheur zich door het gebied tussen de lagen kon verspreiden en de lagen uit elkaar kon trekken of ervoor kon zorgen dat ze tegen elkaar aan gleden of een combinatie van beide. Alle drie deze modi zijn de meest voorkomende manieren waarop conventionele composieten intern kunnen schilferen en afbrokkelen.
Uit de tests, waarbij de onderzoekers nauwkeurig de kracht maten die nodig was om de lagen van het composiet af te pellen of af te schuiven, bleek dat het nano-gestikte materiaal stevig vasthield en dat de aanvankelijke scheur die de onderzoekers maakten zich niet verder tussen de lagen kon verspreiden. De nano-gestikte monsters waren tot 62 procent sterker en beter bestand tegen scheuren, vergeleken met hetzelfde geavanceerde composietmateriaal dat bij elkaar werd gehouden met conventionele polymeren.
"Dit is een nieuwe composiettechnologie, aangedreven door onze nanobuisjes", zegt Wardle.
"De auteurs hebben aangetoond dat dunne lagen en nano-stiksels aan elkaar de stevigheid aanzienlijk hebben vergroot", zegt Stephen Tsai, emeritus hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan de Stanford University. "Composieten worden aangetast door hun zwakke interlaminaire sterkte. Elke verbetering die in dit werk wordt getoond, zal het toegestane ontwerp vergroten en het gewicht en de kosten van composiettechnologie verlagen."
De onderzoekers voorzien dat elk voertuig of elke structuur waarin conventionele composieten zijn verwerkt, lichter, sterker en veerkrachtiger kan worden gemaakt met nano-stiksels.
"Je zou selectieve versterking van problematische gebieden kunnen hebben, om gaten of boutverbindingen te versterken, of plaatsen waar delaminatie kan optreden", zegt Furtado. "Dit opent een grote kans."