碳纳米管’针’做出更强,更轻的复合材料

最新的空中客车和波音客机将使用先进复合材料,相比铝制机身以碳纤维为主的机身降低飞机的整体重量多达20%,而且更轻更耐。这种轻巧的机身直接体现就是节省燃油,也是先进复合材料受到青睐的主要原因之一。
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但是,复合材料也出奇的脆弱:虽然铝可承受开裂前比较大的影响,在复合材料中许多层可以掰开由于相对小的影响 – 这被认为是物质的致命弱点缺点。

现在麻省理工航空工程师已经找到一种方法来粘结复合材料层以这样一种方式,所得到的材料是基本上更强,比其它先进复合材料的损坏更耐。他们的研究结果在本周的杂志上发表复合材料科学与技术

研究人员固定在一起,使用碳纳米管复合材料层 – 碳原子薄卷,尽管他们的身形微观,是令人难以置信的强劲。它们嵌入一个胶样聚合物基质内细小的碳纳米管的“森林”,然后按下碳纤维复合材料的层间的基质。纳米管,类似微小的,垂直排列的针,每个复合层的缝隙内工作本身用作脚手架以各层保持在一起。

在实验中,测试材料的强度,研究小组发现,与现有的复合材料相比,缝合复合材料均强30%,前分崩离析承受更大的力量。

罗伯托·古斯曼,谁领导的工作,如航空航天(AeroAstro公司)系麻省理工学院博士后,说的改善可能会导致更强,更轻的飞机零部件 – 特别是那些需要钉子或螺栓,它可以破解传统的复合材料。

“更多的工作需要做,但我们真正积极的,这将导致更强,更轻的飞机,”古斯曼,谁现在是在IMDEA材料研究所,在西班牙研究人员说。“这意味着大量的燃料节约,这是伟大的环境和我们的口袋里。”

该研究报告的合着者包括教授AeroAstro公司布赖恩·沃德尔和瑞典航空航天和防务公司萨博集团的研究人员。

“大小事项”

今天的复合材料组成层或层,水平的碳纤维,由高分子胶,这沃德尔描述为一起举行的“一个非常,非常薄弱,问题的领域。” 企图加强这种胶区域包括Z-钉扎和3-D织造 – 通过复合材料层包括碳纤维的钉扎或织造束方法,类似于通过胶合板推钉,或通过织物线程。

“一针或指甲是几比碳纤维大时代,”沃德尔说。“所以,当你通过复合驱赶他们,你打破数千碳纤维和破坏复合。”

碳纳米管,相反,是直径为约10纳米 – 比碳纤维更小将近一百万次。

“尺寸问题,因为我们能够把这些纳米管在不影响较大的碳纤维,这就是保持复合材料的强度,”沃德尔说。“有什么可以帮助我们提升实力,碳纳米管具有比碳纤维1000倍以上的表面积,从而让他们的债券与聚合物基体更好。”

堆叠起来的竞争

古兹曼和瓦德尔想出了一种技术,在聚合物胶中的碳纳米管的支架相结合。他们首先垂直增长排列的碳纳米管的森林,紧接着沃德尔小组先前开发的过程。然后,他们传送的森林到粘性,未固化的复合材料层并重复该过程,以产生16复合材料的堆叠层片 – 一个典型复合层压化妆 – 与每个层之间粘碳纳米管。

为了测试材料的强度,球队进行了紧张轴承试验 – 用于尺寸航空部件标准测试 – 那里的研究人员把一个螺栓穿过复合一个洞,然后撕开了出来。尽管现有的复合材料通常这种张力下破,该研究小组发现了缝合复合材料均强,能够开裂前承受更多的30%的力量。

研究人员还进行一个开放孔的压缩测试中,将力施加到挤压螺栓孔关上。在这种情况下,缝合复合经受更多的14%,力破之前,相比于现有的复合材料。

“实力的增强表明这种材料将是任何类型的破坏性事件或功能更耐,”沃德尔说。“而且,由于大多数最新的飞机都是按重量计超过50%的复合材料,提高国家的艺术这些复合材料对飞机的结构性能非常积极的意义。”

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