麻省理工学院航空航天工程师开发碳纳米管“针脚”加强复合材料

麻省理工学院航空航天工程师已经找到了一种方法来粘合复合层，产生比其他先进复合材料更强，更耐受损坏的材料。改善可能导致更强，更轻的飞机零件。

使用碳纳米管“缝线”，来自麻省理工学院的航空工程师已经找到了一种加强复合材料的方法，帮助制作较轻和更耐损害的飞机框架。

今天最新的空中客车和波音乘客喷气机飞行主要来自碳纤维增强塑料等先进的复合材料 - 非常轻，耐用材料，与铝合金平面相比，将平面的总重量降低多达20％。这种轻量级空气框架直接转化为节省燃料，这是先进复合材料的青睐。

但复合材料也令人惊讶脆弱：虽然铝可以承受裂缝前的相对较大的冲击，但复合材料中的许多层可能由于相对较小的影响而分开 - 这是被认为是材料的阿基尔的脚跟。

现在，MIT航空航天工程师已经找到了一种方法来粘合复合层，使得所得材料基本上比其他先进复合材料更强，更耐损坏。他们的结果本周在复合材料科学和技术杂志上发表。

研究人员使用碳纳米管 - 原子薄碳的复合材料层一起固定在一起，尽管它们的显微壮是粗糙的碳，但令人难以置信的。它们在胶水状聚合物基质内嵌入了碳纳米管的微小“森林”，然后按压碳纤维复合材料层之间的基质。纳米管，类似于微小的垂直对齐的缝线，在每个复合层的裂缝中工作，用作支架将层保持在一起。

在测试材料的实验中，该团队发现，与现有的复合材料相比，缝合复合材料较强，耐受较大的力在分开之前。

Roberto Guzman在航空和航天部门（Aeroastro）中领导了这项工作作为麻省理工学院博士（Aeroastro），说改进可能导致更强大的较浅的飞机零件 - 特别是那些需要钉子或螺栓的零件，这可以破裂常规复合材料。

“需要做更多的工作，但我们真的是积极的，这将导致更强，更轻的飞机，”现在是西班牙IMDEA材料研究所的研究员，Guzman说。“这意味着节省了很多燃料，这对环境和口袋来说很好。”

该研究的共同作者包括AeroAstro教授Brian Waterle和来自瑞典航天航天和国防公司Saab AB的研究人员。

研究人员的技术将碳纳米管的支架整合在聚合物胶水中。他们首先将垂直排列的碳纳米管的森林增长，并将其转移到粘性的未固化复合层上。然后，它们重复了产生16个复合层的堆叠，其中碳纳米管在每层之间胶合。

“大小事项”

今天的复合材料由水平碳纤维的层或层组成，水平碳纤维由聚合物胶水保持在一起，该胶水将被视线描述为“非常非常弱，有问题的区域”。强化该胶水区域的尝试包括Z-Pinning和3-D编织 - 通过复合层涉及钉扎或编织碳纤维束的方法，类似于通过胶合板推，或穿过织物的螺纹。

“缝针或钉子比碳纤维大的数千次，”Watchle说。“所以当你穿过复合材料时，你打破了数千个碳纤维并损坏了复合材料。”

相比之下，碳纳米管的直径约为10纳米 - 比碳纤维小的近一百万次。

“尺寸很重要，因为我们能够在没有扰乱较大的碳纤维的情况下放入这些纳米管子，这就是保持复合材料的力量，”Watchle说。“有助于我们提高强度的是，碳纳米管的表面积比碳纤维更多，这使它们与聚合物基质更好地键合。”

堆积比赛

Guzman和Waterle提出了一种在聚合物胶水内整合碳纳米管支架的技术。他们首先在追随先前发育的群体的程序之后延伸垂直对齐的碳纳米管森林。然后，它们将森林转移到粘性，未固化的复合层上并重复该方法以产生16个复合层的堆叠 - 一种典型的复合层压化妆品 - 含有碳纳米管在每层之间粘合。

为了测试材料的实力，该团队进行了张紧轴承测试 - 用于尺寸航空航天部分的标准测试 - 研究人员通过复合材料中的孔置于孔中，然后将其撕掉。虽然现有的复合材料通常在这种张力下破裂，但球队发现缝合复合材料更强，能够承受在开裂前的力量增加30％。

研究人员还进行了开放式压缩测试，施加​​力以挤压螺栓孔。在这种情况下，与现有的复合材料相比，缝合复合材料在破裂之前，在破裂之前具有14％的力。

“力量增强旨在提出这种材料对任何类型的破坏事件或功能都更具抵抗力，”Watchle说。“由于最新的大部分飞机的大部分超过50％的重量，因此改善了这些最先进的复合材料对飞机结构性能具有非常积极的影响。”

Stanford大学航空航天航天教授的Stephen Tsai表示，先进的复合材料在减少燃料成本的能力中是无与伦比的，因此是飞机排放。

“随着他们的本质上轻，无法与复合材料竞争以减少商业和军用飞机的污染，”Tsai没有贡献，没有贡献这项研究。但他说，航空航天行业已经不再使用这些材料，主要是因为“对[材料'缺乏信心]损害耐受性。教授康复的工作直接地址如何改善损坏耐受性，因此可以实现复合材料本质上无与伦比的性能的较高利用。“

这项工作得到了Airbus Group，Boeing，Greataer，Lockheed Martin，Saab Ab，Spirit Aerosystems Inc.，Textron Systems，Ansys，Hexcel和Tohotenax，通过麻省理工学院的纳米工程复合航空航天结构（NECST）联盟，部分地点美国陆军。

出版物：R.Guzman de Villoria等，“通过对齐的碳纳米管层间增强层压复合材料的面内强度增强”，复合材料科学和技术，2016年9月13日，第33-39号第133页; DOI：10.1016 / J.compscitech.2016.07.006