Пленка из углеродных нанотрубок, используемая при производстве композиционных материалов для аэрокосмической отрасли, устраняет необходимость в гигантских печах и автоклавах.
Дженнифер Чу, отдел новостей МТИ
Фюзеляж современного самолета изготавливается из нескольких листов композиционных материалов подобно кондитерским изделиям из слоеного теста. Когда эти слои накладываются друг на друга и формуются в форме фюзеляжа, конструкции направляют в печи и автоклавы размером со склад, где эти слои сплавляются и образуют упругую аэродинамическую оболочку.
Сейчас инженеры Массачусетского технологического института (МТИ) разработали метод производства композиционных материалов для аэрокосмической отрасли без использования огромных печей и резервуаров высокого давления. Данный метод может способствовать ускорению производства самолетов и других крупных высокоэффективных конструкций из композиционных материалов, например, лопастей ветряных турбин.
Исследователи описывают новый метод в статье, опубликованной в журнале "Advanced Materials Interfaces".
"Если вы изготавливаете первичную конструкцию, такую как фюзеляж или крыло, вам нужно построить резервуар высокого давления или автоклав размером с двух- или трехэтажное здание, что само по себе требует времени и денежных затрат", — говорит Байан Уордл, профессор аэронавтики и астронавтики в МТИ. "Такие конструкции являются весьма объемными элементами инфраструктуры. Теперь мы можем производить такие материалы без давления автоклава и избавиться от всей этой инфраструктуры".
Соавторы Уордла по статье — это ведущий автор и доктор наук из МТИ Джониун Ли и Сэт Кесслер из компании Metis Design Corporation, расположенной в Бостоне и занимающейся контролем состояния аэрокосмических конструкций.
Из печи в пленку
В 2015 году Ли руководил командой ученых вместе с еще одним коллегой Уордла по лаборатории, работая над методом создания композиционных материалов для аэрокосмической отрасли, не требующим печи для сплавления материалов. Вместо размещения слоев материала внутри печи для отверждения исследователи, по сути, заворачивали его в ультратонкую пленку из углеродных нанотрубок. Когда на пленку воздействовали электрическим током, углеродные нанотрубки, подобно наноразмерному электроодеялу, быстро генерировали тепло, вызывая отверждение и сплавление материалов.
Благодаря отказу от печи команда смогла создать композиционные материалы, столь же прочные, что и материалы, изготовленные в традиционных печах для производства самолетов, затрачивая всего 1% энергии.
Затем исследователи стали искать способы получения высокоэффективных композиционных материалов без применения крупных автоклавов высокого давления, резервуаров размером с дом, создающих достаточно высокое давления для сжатия материалов вместе, выдавливания каких-либо пустот и воздуха между ними.
"На каждом слое материала существуют микроскопические неровности поверхности и когда эти слои соединяют вместе, воздух оказывается, захвачен в этих неровных областях, что является главной причиной образования пустот и слабых мест в композиционном материале", — говорит Уордл. "Автоклав помогает вытолкнуть эти пустоты к краям и избавиться от них".
Исследователи, в том числе группа Уорлда, рассматривали методы без использования автоклава и другие способы производства композиционных материалов без использования огромных установок. Однако в результате применения большинства таких методов были получены композиционные материалы, почти 1% которых содержал пустоты, что ставило под сомнение прочность и срок службы материалов. Для сравнения, изготовленные в автоклавах композиционные материалы для аэрокосмической отрасли настолько высококачественные, что пустоты в них крайне малы и их чрезвычайно сложно измерить.
"Проблема с отказом от автоклава также связана с тем, что материалы обладают особым составом и не прошли квалификационные испытания для использования в первичных конструкциях, таких как крылья и фюзеляжи", — говорит Уордл. "Такие материалы можно применять во вторичных конструкциях, например, откидных крышках и дверях, но в них все равно остаются пустоты".
Давление соломинки
Часть работы Уордла посвящена разработке нанопористых сетей, ультратонких пленок из ориентированного определенным образом микроскопического материала, например, углеродных нанотрубок, которым можно задать уникальные свойства, включая цвет, прочность и электроемкость. Исследователей заинтересовало, можно ли использовать такие нанопористые пленки вместо гигантских автоклавов для выдавливания пустот между двумя слоями материалов, каким бы невероятным это ни казалось.
Тонкая пленка из углеродных нанотрубок напоминает густой лес, а пространство между деревьев — это тонкие наноразмерные трубки или капилляры. Капилляр, наподобие соломинки, может создавать давление на основе своей геометрии и поверхностной энергии либо способности материала притягивать жидкости или другие материалы.
Исследователи предположили, что, если тонкая пленка из углеродных нанотрубок помещается между двумя материалами, по мере нагревания и размягчения материалов капилляры между углеродными нанотрубками должны обладать такой поверхностной энергией и геометрией, что они притянут материалы друг к другу, не оставляя между ними никаких пустот. Ли вычислил, что давление капилляров должно быть больше давления автоклавов.
Исследователи испытали свою идею в лаборатории, создав пленки из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с помощью ранее разработанной технологии, а затем, разместив пленки между слоями материалов, которые обычно используются в автоклавном производстве первичных конструкций самолетов. Они обернули слои во вторую пленку из углеродных нанотрубок, на которую подали электрический ток для нагрева. Было обнаружено, что по мере нагрева и размягчения материалов они притягивались к капиллярам промежуточной пленки из углеродных нанотрубок.
В получившемся композиционном материале пустоты отсутствовали, как и в композиционных материалах для аэрокосмической отрасли, производимых в автоклавах. Исследователи подвергли композиционные материалы испытаниям на прочность, пытаясь разъединить слои с тем расчетом, что при наличии пустот разделить слои будет проще.
"В ходе испытаний мы обнаружили, что композиционные материалы, полученные без использования автоклава, были столь же прочными, как и композиционные материалы, изготавливаемые в автоклаве по "золотому стандарту" и применяемые в первичных конструкциях космических аппаратов", — говорит Уордл.
Далее команда будет искать способы масштабирования пленок из углеродных нанотрубок для нагнетания давления. В своих экспериментах ученые работали с образцами шириной в несколько сантиметров, достаточно большими, чтобы продемонстрировать способность нанопористых сетей создавать давление и предотвращать образование пустот в материалах. Чтобы сделать данный процесс рациональным для производства целых крыльев и фюзеляжей, исследователи должны найти способы производства углеродных нанотрубок и других нанопористых пленок в гораздо более крупном масштабе.
"Существуют способы создания действительно больших пленок. Можно использовать непрерывное производство листов, лент и рулонов материала, которое станет неотъемлемой частью процесса", — говорит Уордл.
Он также планирует изучить различные составы нанопористых пленок, капилляры с разной поверхностной энергией и геометрией, чтобы обеспечить давление для соединения других высококачественных материалов.
"Сейчас у нас есть это новое решение, создающее давление, когда это необходимо", — говорит Уордл. "Помимо самолетов, большая часть производства композиционных материалов приходится на трубы для воды, газа, нефти. Все эти компоненты можно будет производить без использования печей и автоклавов".
Данное исследование частично выполнено при поддержке компаний Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saerte и Teijin Carbon America при посредничестве консорциума NECST (композиционные наноматериалы для аэрокосмических конструкций) при МТИ.
