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利用碳纳米管薄膜加工复合物材料

2020-01-09 20:24:18来源:励志吧0次阅读

仅需利用传统熔炉制备工艺所需能量的1%,新型纳米管薄膜便可加工位于飞机机翼和机身的复合材料。

MIT的航空工程师们研制了一种碳纳米管(CNT)薄膜,这种薄膜不需要巨大的炉子就可以实现对复合材料的加热和固化。

将薄膜连接到电源上,然后包裹上多层高分子复合物,加热的薄膜就能激发高分子凝固。

应用于机翼和机身的复合材料通常都是在较大的、工业级尺寸的炉子里制备的。多种高分子层在750°F时开始萎缩然后凝固成一个固体的弹性材料。然而,采用这种方法,首先需要大量的能量来加热炉子,然后通入气体,最后才是真正的复合物。

MIT的研究人员在常见的应用于飞机组件的碳纤维材料上测试了该薄膜的性能,发现该薄膜可以制备出与传统炉子强度一样的复合材料—但是仅用了1%的能量。

薄膜连接到电源上,直接产生热量,不需要巨大的炉子就可以实现对复合材料的加工

热量产生

研究团队首先研发了一种技术来制备这种由结晶碳的小管组成的碳纳米薄膜。研究者利用一个棒水平的缠绕碳管,形成一个致密的对齐的碳管薄膜。

在最初的实验中,MIT的研究团队通过传统的基于热炉的修复方法将薄膜整合成机翼,发现当施加电压时,薄膜将产生热量。然后他们研究了薄膜对于熔化两种通常用于机翼和机身的航空级复合物的能力。正常情况下,这种16层的复合材料在一个高温的工业热炉中会固化或交联。

研究者制备了一种CNT薄膜,并将薄膜置于一平米的Cycom 5320-1材料上。他们将电极连接到薄膜上,然后施加电流,同时加热薄膜和内部的在Cycom 5320-1材料层里的高分子。

MIT团队测定了固化或交联高分子和碳纤维层所需要的能量,发现CNT薄膜只用了传统热炉方法修复复合物用电量的百分之一。这种方法制备的复合物具有类似的特性如交联密度。

将薄膜连接到电源上,直接产生热量,不需要巨大的炉子就可以实现对复合材料的加工

Jeonyoon Lee (右) 持有碳纳米管阵列,Itai Y Stein(左)持有制成的碳纳米管薄膜微型加热器

节约能量

据MIT 航空航天学副教授Brian L. Wardle描述,这种新的脱离热炉的方法可能提供一种更加直接的,节能的途径来制备任何工业的复合材料。

他说:通常,如果你想制作一个空中巴士A350或波音787的机身,你必须拥有一个四层的炉子,还需要花费几千万美元建设你不需要的基础设施。但是我们的技术会将热量放到它需要的地方,与要组合的部分直接接触。

Wardle说:这种碳纳米管薄膜还很轻。当他熔化了下面的高分子层后,这种还没有人类头发直径粗的薄膜本身会和复合物啮合在一起,增加的重量根本微不足道。

Wardle又说:研究团队也测试了薄膜产生更高温度的能力,并且发现它产生的最高温度可以超过1000°F。与此对比,一些高温航空高分子固化所需的温度为750°F,这是薄膜可以实现的。

该团队目前致力于与工业伙伴合作来寻找推广这项技术来制备足够大的复合材料用于机翼和机身的方法。

Wardle又说:还需要考虑电极的问题,就是你该如何使电极接触在这么大的面积内都有效,你只需要比你现在投入到炉子上少的多的能量。我不认为这是一个挑战,但是这是必须做的。

航空应用

MIT的计算力学教授Gregory Odegard说,碳纳米管薄膜团队可能会继续提高大型复合材料制备的质量和效率,例如商用飞机的机翼。这项新技术可以为缺乏大型工业炉子的小公司带来可能。

没有参与研究的Odegard说,想要制备复合材料部件的小企业也可以不用投资大型炉子或外包就能做到,这将带来跟更多的复合物的创新和复合材料应用和性能上可能的提升。

这项研究由空中巴士、波音、巴西航空、美国航空航天公司、萨博汽车、日本东邦、ANSYS、赖特-帕特森空军基地美国空军研究实验室、美国陆军研究室部分赞助。

研究团队包括MIT研究生Jeonyoon Lee 和Itai Stein以及墨提斯设计公司的Seth Kessler,该研究结果发表在ACS Applied Materials and Interfaces杂志上。

新材料在线编译整理——翻译:赵欢 校正:摩天轮

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