新发现的方法可以简化航空级复合材料的制造

麻省理工学院 (MIT) 的研究人员开发了一种无需高压釜即可使用碳纳米管制造航空级复合材料的新方法。由纳米管制成的纳米多孔薄膜已被证明是一种潜在的解决方案，有助于挤出复合材料的两个材料层之间的空隙，以提高结构完整性——图片由麻省理工学院提供。这种可以彻底改变航空航天制造的新工艺不需要压力容器和巨大的烤箱，这些目前用于制造飞机的主要结构。麻省理工学院博士后 Jeonyoo Lee；和 Seth Kessler，Metis Design Corporation 总裁兼首席执行官，这是一家总部位于马萨诸塞州波士顿的航空航天结构健康监测公司。使用现有技术飞机主体的生产涉及多片复合材料，这些复合材料被排列并模塑成机身形状，然后放入巨大的烘箱和高压釜中，这些层在其中熔合在一起，形成坚固而坚韧的空气动力学外壳。 Wardle 说：“如果你正在制造机身或机翼等主要结构，你需要建造一个压力容器，或者有时需要三层楼那么大的高压灭菌器，这本身就需要时间和金钱来加压。这些东西是大量的基础设施。我们正致力于在没有高压釜压力的情况下制造主要结构材料，这样我们就可以摆脱所有这些基础设施。”2015 年，Lee 带领团队与 Wardle 实验室的另一名成员一起创造了一种制造航空级复合材料的方法，无需需要烤箱将材料融合在一起。研究人员没有将多层材料放入烤箱中进行固化，而是采用了 essen最终将材料包裹在超薄碳纳米管 (CNT) 薄膜中。当他们向薄膜施加电流时，CNT（图片为纳米级电热毯）迅速产生热量，导致内部材料固化并融合在一起。方法，被称为“炉外”（或 OoO），生产的复合材料强度与传统飞机制造炉中制造的材料一样坚固，仅使用 1% 的能量。

消除了对高压灭菌器的需求总而言之

该团队的下一步是寻找制造高性能复合材料的方法，而无需使用大型高压灭菌器，这些高压灭菌器会产生高压以将材料压在一起，挤出任何空隙或气穴。 Spirit AeroSystems 之前与斯特拉斯克莱德大学合作的研究帮助开发了一种制造工艺，该工艺不使用高压灭菌器，而是使用先进的多区域加热工具控制以调整固化周期时间以匹配各个零件的几何形状。包括 Wardle 小组在内的其他研究人员也探索了“非高压釜”或 OoA 技术，无需使用大型机器即可制造复合材料。但大多数这些技术生产的复合材料中近 1% 的生产材料含有空隙，这会损害材料的强度和寿命。相比之下，在高压釜中制造的航空航天级复合材料质量如此之高，以至于它们所含的任何空隙都可以忽略不计，也不容易测量。机翼和机身等结构，”Wardle 说。 “他们在二级结构方面取得了一些进展，例如襟翼和门，但它们仍然存在空隙。”

非高压灭菌的新解决方案

该研究是通过麻省理工学院的纳米工程复合航空航天结构 (NECST) 联盟进行的，该联盟包括以下成员：空中客车；模拟系统；巴西航空工业公司；洛克希德马丁公司；萨博公司；赛尔泰克斯；和 Teijin Carbon America 通过。 Wardle 的部分最新工作侧重于开发纳米​​多孔网络——由对齐的微观材料（如碳纳米管）制成的超薄膜，可以设计具有特殊性能，包括颜色、强度和电容量。研究人员调查了纳米多孔薄膜是否可以用于代替巨大的高压釜来挤出两个材料层之间的空隙，这看起来不太可能。研究人员提出，如果将碳纳米管薄膜夹在两种材料之间，那么随着材料被加热和软化，碳纳米管之间的毛细管应具有表面能和几何形状，以便它们可以吸引 materials 朝向彼此，而不是在它们之间留下空隙。 Lee 计算出毛细管压力应大于高压灭菌器施加的压力。研究人员通过生长垂直排列的碳纳米管薄膜来测试这一概念，然后将薄膜放置在通常用于高压灭菌器制造的材料层之间主要飞机结构。研究人员将这些层包裹在第二层碳纳米管薄膜中，他们对其施加电流以将其加热。他们观察到，当材料响应加热和软化时，它们被拉入中间碳纳米管薄膜的毛细管中。所得复合材料没有空隙，类似于在高压釜中生产的航空级复合材料。研究人员对复合材料进行了强度测试，试图将各层分开，其想法是如果存在空隙，将使各层更容易分离。&ldquo；在这些测试中，我们发现我们的非热压复合材料与用于主要航空航天结构的黄金标准热压工艺复合材料一样坚固，”Wardle 说。该团队接下来将寻找扩大压力的方法-生成碳纳米管薄膜。在他们的实验中，他们使用了几厘米宽的样品——大到足以证明纳米多孔网络可以对材料加压并防止空隙形成。为了使这一工艺能够用于制造整个机翼和机身，研究人员将必须找到更大规模制造 CNT 和其他纳米多孔薄膜的方法。 、纱线和材料卷，可以纳入该过程，”Wardle 说。他还计划探索不同的纳米多孔薄膜配方、不同表面能和几何形状的工程毛细管，以便能够加压和粘合其他高性能材料。“现在我们有了这种新的材料解决方案，可以在您需要的地方提供按需压力，”Wardle 说。 “除了飞机，世界上大部分的复合材料生产都是复合材料管道，用于水、天然气、石油以及我们生活中进出的所有东西。这可以在没有烤箱和高压灭菌器基础设施的情况下制造所有这些东西。结构 (NECST) 联盟。