_ „Nano cusături” activează bricheta și materiale compozite mai dure

Pentru a economisi combustibil și a reduce emisiile aeronavelor, inginerii caută să construiască avioane mai ușoare și mai puternice din compozite avansate. Aceste materiale proiectate sunt fabricate din fibre de înaltă performanță care sunt încorporate în foi de polimer. Foile pot fi stivuite și presate într-un singur material multistrat și transformate în structuri extrem de ușoare și durabile.

Dar materialele compozite au o vulnerabilitate principală: spațiul dintre straturi, care este de obicei umplut cu „clei” polimeric. legați straturile împreună. În cazul unui impact sau lovire, fisurile se pot răspândi cu ușurință între straturi și slăbesc materialul, chiar dacă nu există nicio deteriorare vizibilă a straturilor în sine. De-a lungul timpului, pe măsură ce aceste fisuri ascunse se răspândesc între straturi, compozitul s-ar putea prăbuși brusc, fără avertisment.

Acum, inginerii MIT au demonstrat că pot preveni răspândirea fisurilor între straturile compozite, folosind o abordare pe care au dezvoltat-o ​​numită „nano”. cusături”, în care depun păduri microscopice crescute chimic de nanotuburi de carbon între straturi compozite. Fibrele minuscule, dens împachetate, prind și țin straturile împreună, precum velcro ultraputernic, împiedicând straturile să se desprindă sau să se despartă.

În experimentele cu un compozit avansat cunoscut sub numele de laminat din fibră de carbon cu straturi subțiri, echipa a demonstrat că straturile legate cu nano cusături au îmbunătățit rezistența materialului la fisuri cu până la 60% în comparație cu compozitele cu polimeri convenționali. Cercetătorii spun că rezultatele ajută la abordarea principalei vulnerabilități a compozitelor avansate.

„La fel ca fulgii de aluat filo, straturile de compozit se pot desprinde, deoarece această regiune interlaminară este călcâiul lui Ahile al compozitelor”, spune Brian. Wardle, profesor de aeronautică și astronautică la MIT. „Arătăm că nano cusăturile face ca această regiune în mod normal slabă să fie atât de puternică și de dură, încât o fisură nu va crește acolo. Deci, ne-am putea aștepta ca următoarea generație de avioane să aibă compozite ținute împreună cu acest nano-Velcro pentru a face aeronavele mai sigure și au o longevitate mai mare.”

Wardle și colegii săi și-au publicat rezultatele în jurnalul ACS Applied Materials & Interfaces. Primul autor al studiului este fosta studentă absolventă în vizită la MIT și postdoc Carolina Furtado, împreună cu Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen și Pedro Camanho.

La MIT, Wardle este director al studiului. nestled (pronunțat „next lab”), unde el și grupul său au dezvoltat pentru prima dată conceptul de nano cusătură. Abordarea implică „creșterea” unei păduri de nanotuburi de carbon aliniate vertical – fibre goale de carbon, fiecare atât de mici încât zeci de miliarde de nanotuburi pot sta într-o zonă mai mică decât o unghie.

Pentru a crește nanotuburi. , echipa a folosit un proces de depunere chimică a vaporilor pentru a reacționa cu diverși catalizatori într-un cuptor, făcând carbonul să se depună pe o suprafață ca suporturi minuscule, asemănătoare părului. Suporturile sunt în cele din urmă îndepărtate, lăsând în urmă o pădure dens împachetată de role microscopice, verticale de carbon.

Laboratorul a arătat anterior că pădurile de nanotuburi pot fi cultivate și aderate la straturi de material compozit și că această fibră. -compusul ranforsat imbunatateste rezistenta generala a materialului. Cercetătorii au văzut, de asemenea, unele semne că fibrele ar putea îmbunătăți rezistența unui compozit la fisurile dintre straturi.

În noul lor studiu, inginerii au analizat mai în profunzime regiunea dintre straturi din compozite pentru a testați și cuantificați modul în care cusăturile nano ar îmbunătăți rezistența regiunii la fisuri. În special, studiul s-a concentrat pe un material compozit avansat cunoscut sub numele de laminate din fibră de carbon cu straturi subțiri.

„Aceasta este o tehnologie compozită în curs de dezvoltare, în care fiecare strat, sau strat, are o grosime de aproximativ 50 de microni, în comparație cu straturi compozite standard, care au 150 de microni, adică aproximativ diametrul unui păr uman. Există dovezi. pentru a sugera că sunt mai bune decât compozitele de grosime standard Și am vrut să vedem dacă ar putea exista sinergie între cusăturile noastre nano și această tehnologie cu straturi subțiri, deoarece ar putea duce la avioane mai rezistente, structuri aerospațiale de mare valoare și spații și armate. vehicule”, spune Wardle.

Experimentele studiului au fost conduse de Carolina Furtado, care s-a alăturat efortului ca parte a programului MIT-Portugalia în 2016, a continuat proiectul ca post-doctorat și acum este profesor la Universitatea din Porto din Portugalia, unde cercetările ei se concentrează pe modelarea fisurilor și a deteriorărilor în compozite avansate.

În testele sale, Furtado a folosit tehnicile grupului de depunere chimică a vaporilor pentru a crește păduri dens împachetate de nanotuburi de carbon aliniate vertical. . Ea a fabricat, de asemenea, mostre de laminate din fibră de carbon cu straturi subțiri. Compozitul avansat rezultat avea aproximativ 3 milimetri grosime și cuprindea 60 de straturi, fiecare făcut din fibre rigide orizontale încorporate într-o foaie de polimer.

Ea a transferat și a lipit pădurea de nanotuburi între cele două straturi medii ale compozitului. , apoi a gătit materialul într-o autoclavă pentru a se întări. Pentru a testa rezistența la fisurare, cercetătorii au plasat o fisură pe marginea compozitului, chiar la începutul regiunii dintre cele două straturi medii.

„În testarea fracturilor, începem întotdeauna cu o fisură, deoarece doresc să testeze dacă și cât de departe se va răspândi fisura", explică Furtado.

Cercetătorii au plasat apoi mostre ale compozitului armat cu nanotuburi într-o configurație experimentală pentru a le testa rezistența la „delaminare” sau potențialul pentru ca straturile să se separe.

„Există o mulțime de moduri prin care puteți obține precursori ai delaminarii, cum ar fi din cauza impactului, cum ar fi căderea sculei, lovirea cu păsări, lovirea pistei în aeronave și aproape că nu ar putea exista daune vizibile. , dar în interior are o delaminare”, spune Wardle. "La fel ca un om, dacă ai o fractură a firului de păr într-un os, nu este bine. Doar pentru că nu poți vedea asta nu înseamnă că nu te afectează. Și deteriorarea compozitelor este greu de inspectat."

Pentru a examina potențialul cusăturii nano de a preveni delaminarea, echipa și-a plasat mostrele într-o configurație pentru a testa trei moduri de delaminare, în care o fisură s-ar putea răspândi prin regiunea dintre straturi și s-ar putea desprinde straturile sau le-ar putea provoca alunecă unul împotriva celuilalt sau o combinație a ambelor. Toate aceste trei moduri sunt cele mai obișnuite moduri în care compozitele convenționale se pot sfărâma și se pot sfărâma intern.

Testele, în care cercetătorii au măsurat cu precizie forța necesară pentru decojirea sau forfecarea straturilor compozitului, au arătat că nano cusut s-a ținut ferm, iar crăpătura inițială făcută de cercetători nu a putut să se răspândească mai mult între straturi. Probele nano cusute au fost cu până la 62 la sută mai dure și mai rezistente la fisuri, în comparație cu același material compozit avansat care a fost ținut împreună cu polimerii convenționali.

„Aceasta este o nouă tehnologie compozită, turboalimentată de nanotuburile noastre. ”, spune Wardle.

„Autorii au demonstrat că straturile subțiri și nanocusăturile împreună au adus o creștere semnificativă a durității”, spune Stephen Tsai, profesor emerit de aeronautică și astronautică la Universitatea Stanford. „Compozitele sunt degradate de rezistența lor interlaminară slabă. Orice îmbunătățire prezentată în această lucrare va crește designul permis și va reduce greutatea și costul tehnologiei compozitelor.”

Cercetătorii au în vedere că orice vehicul sau structură care încorporează convenționale compozitele ar putea fi făcute mai ușoare, mai dure și mai rezistente cu nano cusături.

„Puteți avea o armare selectivă a zonelor problematice, pentru a consolida găurile sau îmbinările cu șuruburi sau locurile în care s-ar putea produce delaminarea”, spune Furtado. „Acest lucru deschide o fereastră mare de oportunitate.”

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea, inovarea și predarea MIT.

(Fluierul)