突破！碳納米管薄膜可生產(chǎn)航空級復合材料 無需大型烤箱或高壓釜
現(xiàn)代飛機的機身通常是由多片不同的復合材料制成的，就像葉面面團中的許多層一樣。這些片層堆疊并成型后，將這些結構推入倉庫大小的烘箱和高壓滅菌器中，融合形成有彈性的氣動外殼。
麻省理工學院博士后Jeonyoo Lee 圖片來源：麻省理工學院的Melanie Gonick
麻省理工學院的工程師最新開發(fā)出一種無需巨大的烘箱和壓力容器即可生產(chǎn)航空級復合材料的方法。新技術可能有助于加快飛機和其他大型高性能復合結構的制造，例如風力渦輪機的葉片。
研究結果發(fā)表在《高級材料界面》，論文詳細介紹了碳納米管薄膜生產(chǎn)航空級復合材料的新方法。
如果要制造機身或機翼之類的主要結構，則需要建造一個壓力容器或高壓釜，其大小為兩層或三層建筑物的大小，這本身就需要時間和金錢來進行加壓，現(xiàn)在可以在沒有高壓釜壓力的情況下制造一級結構材料，因此我們可以擺脫所有這些龐大的基礎設施。
從烤箱里出來，蓋上毯子
2015年，Lee帶領團隊與Wardle實驗室一起創(chuàng)造了一種無需使用烤箱將材料融合在一起即可制造航空級復合材料的方法。
研究人員沒有將材料層放在烤箱中進行固化，而是將它們包裹在碳納米管（CNT）的超薄膜中。當它們向薄膜施加電流時，CNT就像納米級電熱毯一樣，會迅速產(chǎn)生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。
利用這種烤箱外滅菌技術，研究團隊僅使用1％的能量就能生產(chǎn)出與傳統(tǒng)飛機制造烤箱一樣堅固的復合材料。
接下來研究人員尋找了不使用大型高壓滅菌器的高性能復合材料的方法，大型容器產(chǎn)生足夠高的壓力以將材料壓在一起，從而在界面處擠出任何空隙或氣穴。
材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，兩層之間的粗糙區(qū)域會被空氣填滿，這是復合材料中空隙和弱點的主要來源。高壓滅菌器可以將這些空隙推到邊緣并消除
“高壓滅菌”技術，無需使用大型機器即可制造復合材料。然而大多數(shù)已生產(chǎn)的復合材料有近1％的材料含有空隙，這會損害材料的強度和壽命。相比之下，用高壓滅菌器制造的航空級復合材料具有很高的質量，所包含的任何空隙都可以忽略不計且不易測量。
高壓滅菌方法的問題在于材料是經(jīng)過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機翼和機身等主要結構。他們在輔助結構（例如襟翼和門）方面取得了一些進展，產(chǎn)品仍然存在空隙。
復合材料的橫截面表明，具有形態(tài)控制的納米級毛細管的納米多孔薄膜在層狀聚合物結構中的界面處提供了所需的壓力。圖片來源：麻省理工學院
研究人員的部分工作重點在于開發(fā)納米多孔網(wǎng)絡，即由對齊的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進行特殊設計，包括顏色，強度和電容量。
研究人員想知道這些納米多孔膜是否可以代替巨大的高壓釜來擠壓兩個材料層之間的空隙，這似乎不太可能。
碳納米管薄膜有點像茂密的樹木林，樹木之間的空間可以像納米管或毛細管一樣起作用。諸如稻草之類的毛細管會根據(jù)其幾何形狀和表面能，或者碳納米管吸引液體或其他材料的能力而產(chǎn)生壓力。
研究人員提出，如果將碳納米管的薄膜夾在兩種材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的毛細管應具有表面能和幾何形狀，以便它們將材料吸向每種材料其他，而不是在它們之間留出空隙。
毛細管壓力應大于高壓滅菌器施加的壓力。
研究人員在實驗室中通過使用先前開發(fā)的技術生長垂直排列的碳納米管薄膜，然后將薄膜放置在通常用于基于高壓滅菌器的主要飛機結構制造中的材料層之間。他們將這些層包裹在第二層碳納米管薄膜中，然后施加電流對其進行加熱。他們觀察到，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入中間CNT膜的毛細管中。
所得復合材料沒有空隙，類似于在高壓釜中生產(chǎn)的航空級復合材料。研究人員對復合材料進行了強度測試，試圖將各層分開，預估如果存在空隙，則可使各層更容易分離。
實驗室研究測試中，他們發(fā)現(xiàn)高壓滅菌復合材料與用于主要航空航天結構的金標準高壓滅菌工藝復合材料一樣堅固。
在他們的實驗中，他們使用了幾厘米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網(wǎng)絡可以對材料加壓并防止形成空隙。為了使該工藝可用于制造整個機翼和機身，研究人員將必須找到大規(guī)模生產(chǎn)CNT和其他納米多孔膜的方法。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_438832.html
來源：賢集網(wǎng)
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麻省理工學院博士后Jeonyoo Lee 圖片來源：麻省理工學院的Melanie Gonick
麻省理工學院的工程師最新開發(fā)出一種無需巨大的烘箱和壓力容器即可生產(chǎn)航空級復合材料的方法。新技術可能有助于加快飛機和其他大型高性能復合結構的制造，例如風力渦輪機的葉片。
研究結果發(fā)表在《高級材料界面》，論文詳細介紹了碳納米管薄膜生產(chǎn)航空級復合材料的新方法。
如果要制造機身或機翼之類的主要結構，則需要建造一個壓力容器或高壓釜，其大小為兩層或三層建筑物的大小，這本身就需要時間和金錢來進行加壓，現(xiàn)在可以在沒有高壓釜壓力的情況下制造一級結構材料，因此我們可以擺脫所有這些龐大的基礎設施。
從烤箱里出來，蓋上毯子
2015年，Lee帶領團隊與Wardle實驗室一起創(chuàng)造了一種無需使用烤箱將材料融合在一起即可制造航空級復合材料的方法。
研究人員沒有將材料層放在烤箱中進行固化，而是將它們包裹在碳納米管（CNT）的超薄膜中。當它們向薄膜施加電流時，CNT就像納米級電熱毯一樣，會迅速產(chǎn)生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。
利用這種烤箱外滅菌技術，研究團隊僅使用1％的能量就能生產(chǎn)出與傳統(tǒng)飛機制造烤箱一樣堅固的復合材料。
接下來研究人員尋找了不使用大型高壓滅菌器的高性能復合材料的方法，大型容器產(chǎn)生足夠高的壓力以將材料壓在一起，從而在界面處擠出任何空隙或氣穴。
材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，兩層之間的粗糙區(qū)域會被空氣填滿，這是復合材料中空隙和弱點的主要來源。高壓滅菌器可以將這些空隙推到邊緣并消除
“高壓滅菌”技術，無需使用大型機器即可制造復合材料。然而大多數(shù)已生產(chǎn)的復合材料有近1％的材料含有空隙，這會損害材料的強度和壽命。相比之下，用高壓滅菌器制造的航空級復合材料具有很高的質量，所包含的任何空隙都可以忽略不計且不易測量。
高壓滅菌方法的問題在于材料是經(jīng)過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機翼和機身等主要結構。他們在輔助結構（例如襟翼和門）方面取得了一些進展，產(chǎn)品仍然存在空隙。
復合材料的橫截面表明，具有形態(tài)控制的納米級毛細管的納米多孔薄膜在層狀聚合物結構中的界面處提供了所需的壓力。圖片來源：麻省理工學院
研究人員的部分工作重點在于開發(fā)納米多孔網(wǎng)絡，即由對齊的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進行特殊設計，包括顏色，強度和電容量。
研究人員想知道這些納米多孔膜是否可以代替巨大的高壓釜來擠壓兩個材料層之間的空隙，這似乎不太可能。
碳納米管薄膜有點像茂密的樹木林，樹木之間的空間可以像納米管或毛細管一樣起作用。諸如稻草之類的毛細管會根據(jù)其幾何形狀和表面能，或者碳納米管吸引液體或其他材料的能力而產(chǎn)生壓力。
研究人員提出，如果將碳納米管的薄膜夾在兩種材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的毛細管應具有表面能和幾何形狀，以便它們將材料吸向每種材料其他，而不是在它們之間留出空隙。
毛細管壓力應大于高壓滅菌器施加的壓力。
研究人員在實驗室中通過使用先前開發(fā)的技術生長垂直排列的碳納米管薄膜，然后將薄膜放置在通常用于基于高壓滅菌器的主要飛機結構制造中的材料層之間。他們將這些層包裹在第二層碳納米管薄膜中，然后施加電流對其進行加熱。他們觀察到，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入中間CNT膜的毛細管中。
所得復合材料沒有空隙，類似于在高壓釜中生產(chǎn)的航空級復合材料。研究人員對復合材料進行了強度測試，試圖將各層分開，預估如果存在空隙，則可使各層更容易分離。
實驗室研究測試中，他們發(fā)現(xiàn)高壓滅菌復合材料與用于主要航空航天結構的金標準高壓滅菌工藝復合材料一樣堅固。
在他們的實驗中，他們使用了幾厘米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網(wǎng)絡可以對材料加壓并防止形成空隙。為了使該工藝可用于制造整個機翼和機身，研究人員將必須找到大規(guī)模生產(chǎn)CNT和其他納米多孔膜的方法。
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