نانو لوله کربن “بخیه” کامپوزیت ها را تقویت می کند

روش برای تقویت این مواد می تواند قاب های هواپیما را سبک تر و مقاوم تر کند.

جدیدترین هواپیماهای مسافربری ایرباس و بوئینگ که امروزه پرواز می کنند، عمدتا از مواد پیشرفته کامپوزیتی مانند پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن ساخته شده اند – مواد بسیار سبک و مقاوم هستند که وزن کلی هواپیما را تا ۲۰٪ کاهش می دهد در مقایسه با هواپیماهای آلومینیومی

چنین هواپیمای سبک وزن به طور مستقیم به صرفه جویی در سوخت ترجمه می شود، که یکی از نکات مهم در پیشرفت کامپوزیت است

اما مواد کامپوزیت نیز شگفت آور آسیب پذیر هستند: در حالی که آلومینیوم می تواند اثرات نسبتا بزرگی را قبل از ترک خوردن، مقاومت کند، لایه های زیادی در کامپوزیت ها می توانند به علت اثرات نسبتا کوچک از بین بروند – یک نقص که پاشنه آشیل مواد است.

در حال حاضر مهندسان هوافضایی MIT راهی برای پیوند دادن لایه های کامپوزیتی به گونه ای دارند که مواد حاصل از آن به طور قابل توجهی قوی تر و مقاومت بیشتری نسبت به سایر کامپوزیت های پیشرفته دارند.

نتایج آنها در این هفته در مجله Composites Science and Technology منتشر شده است.

محققان لایه های مواد کامپوزیتی را با استفاده از نانولوله های کربنی – رول های نانو اتمی کربن، که با وجود رشد میکروسکوپی آنها، فوق العاده قوی هستند، لایه های مواد کامپوزیتی را به هم متصل می کنند.

آنها “جنگل های کوچک” نانولوله های کربنی را در یک ماتریس پلیمری مانند چسب قرار دادند و سپس ماتریس را بین لایه های کامپوزیت های فیبر کربن فشرده کردند.

این نانولوله ها، شبیه به بخیه های کوچک و عمودی، خود را در درون شکاف هر لایه کامپوزیتی کار می کنند و به عنوان یک داربست برای نگهداری لایه ها با یکدیگر کار می کنند

در آزمایشی برای آزمایش قدرت مواد، تیمی دریافت که در مقایسه با مواد کامپوزیتی موجود، کامپوزیت های دوخته شده ۳۰ درصد قوی تر بوده و قبل از شکستن آنها، نیروهای بیشتری باقی مانده اند

روبرتو گوزمن، که این کار را به عنوان یک پست کارشناسی ارشد MIT در اداره هواشناسی و فضانوردی (Aero Astro) انجام داد، می گوید بهبود می تواند به قطعات سبک تر و سبک تر هواپیمای منجر شود، به ویژه کسانی که نیاز به ناخن یا پیچ و مهره دارند و می توانند کامپوزیت های معمول را ترک کنند.

گوزمان، که اکنون پژوهشگر مؤسسه مواد IMDEA در اسپانیا است، می گوید: “کار بیشتر باید انجام شود، اما ما واقعا مثبت هستیم که این امر به هواپیماهای سبک تر و سبک تر منجر خواهد شد.”

“این بدان معنی است که سوخت صرفه جویی می شود، که برای محیط زیست و برای جیب های ما عالی است”.

همکاران این مطالعه عبارتند از Brian Wardle، استاد AeroAstro و محققان شرکت هواپیمایی و دفاعی سوئد Saab AB.

“مسائل اندازه”

مواد کامپوزیتی امروزه از لایه ها یا ورق های فیبر کربن افقی تشکیل شده است که توسط یک چسب پلیمری تشکیل می شوند که وردل آن را “یک منطقه بسیار، بسیار ضعیف و مشکل ساز توصیف می کند.

تلاش برای تقویت این منطقه چسب شامل Z-pinning و ۳-D بافندگی – روش هایی است که شامل بسته شدن یا بسته بندی الیاف کربن از طریق لایه های کامپوزیتی، مانند کشیدن ناخن ها از طریق تخته سه لا، یا نخ از طریق پارچه.

وردل می گوید: “دوخت یا ناخن هزاران بار بزرگتر از الیاف کربن است.” “پس هنگامی که آنها را از طریق کامپوزیت رانندگی می کنید، هزاران فیبر کربنی را شکستید و به کامپوزیت آسیب می رسانید.”

در مقابل، نانولوله های کربنی حدود ۱۰ نانومتر هستند که تقریبا یک میلیون برابر کوچکتر از الیاف کربن هستند.

وردل می گوید: “اندازه مهم است، زیرا ما قادر به قرار دادن این نانولوله ها بدون مزاحمت کردن فیبر کربن بزرگتر هستیم، و این چیزی است که قدرت مرکب را حفظ می کند.”

“آنچه که به ما کمک می کند قدرت را افزایش می دهد این است که نانولوله های کربنی دارای ۱۰۰۰ برابر سطح بیشتر از الیاف کربن هستند که به آنها اجازه می دهد با ماتریس پلیمری بهتر بپیوندند.”

جمع کردن رقابت

Guzman و Wardle با یک تکنیک برای ترکیب یک داربست نانولوله های کربنی درون چسب پلیمری وارد شدند.

آنها ابتدا یک جنگل از نانولوله های کربنی به صورت عمودی ترشح کردند، به دنبال روش هایی که گروه Wardle قبلا توسعه داده بودند.

سپس جنگل را بر روی یک لایه کامپوزیت چسبناک و غیر قابل حمل انتقال دادند و فرآیند را برای تولید یک ستون از ۱۶ ستون کامپوزیت – یک لایه کامپوزیتی معمولی – با نانولوله های کربنی میان هر لایه برای آزمایش قدرت مواد، تیم انجام آزمایش کششی – آزمون استاندارد مورد استفاده برای اندازه گیری قطعات هوا و فضا – که در آن محقق قرار دادن پیچ از طریق سوراخ در کامپوزیت، و سپس آن را خراب کردن.

در حالیکه کامپوزیت های موجود معمولا تحت چنین تنش هایی شکسته می شوند، تیم متوجه شد که کامپوزیت های دوخته شده قوی تر بوده و قادر به مقاومت ۳۰ درصدی در برابر ترک خوردگی هستند.

محققان همچنین یک تست فشرده سازی باز سوراخ را انجام دادند، با استفاده از نیرویی که فشار سوراخ پیچ را خاموش می کرد، انجام شد. در این حالت، کامپوزیت دوخته شده قبل از شکستن، نسبت به کامپوزیت های موجود ۱۴ درصد بیشتر است.

وردل می گوید: “پیشرفت های قدرت نشان می دهد که این ماده برای هرگونه رویداد یا ویژگی های مضر مقاوم تر خواهد بود.

از آنجا که اکثر جدیدترین هواپیما ها از وزن بیش از ۵۰ درصد کامپوزیت برخوردار هستند، بهبود این ترکیبات پیشرفته هنری اثرات بسیار مثبتی بر عملکرد ساختمانی هواپیما دارد.”

استیفن تسای، استاد انستیتو هواشناسی و فضانوردی در دانشگاه استنفورد، می گوید کامپوزیت های پیشرفته در توانایی خود برای کاهش هزینه های سوخت و در نتیجه انتشار هواپیما بی نظیر هستند.

Tsai می گوید: “با وزن ذاتی آن، وزن کافی در این افق وجود ندارد که می تواند با مواد کامپوزیتی رقابت کند تا آلودگی هوا را برای هواپیماهای تجاری و نظامی کاهش دهد.”

اما او می گوید صنعت هوافضا از استفاده وسیع تر از این مواد جلوگیری کرده است، در درجه اول به علت “عدم اعتماد به تحمل آسیب [مواد”].

کار پروفسور وردل به طور مستقیم به این موضوع اشاره می کند که آیا تحمل آسیب می تواند بهبود یابد یا خیر، و در نتیجه، چگونه می توان از بهره برداری بی نظیر از مواد کامپوزیتی به طور ذاتی بهره برداری کرد. “

این کار توسط گروه هواپیمایی ایرباس، بوئینگ، امبرر، لاکهید مارتین، ساعب AB، Spirit AeroSystems Inc.، Textron Systems، ANSYS، Hexcel و TohoTenax از طریق ساختارهای هوافضایی کامپوزیت NECST (NECST) MIT و NECST پشتیبانی و توسط ارتش آمریکا.