碳纳米管薄膜生产航空航天级复合材料

麻省理工学院的工程师们已经开发出一种方法来生产航空航天级复合材料，而不需要巨大的烤箱和压力容器。这项技术可能有助于加快飞机和其他大型高性能复合材料结构的制造，比如风力涡轮机的叶片。

现代飞机的机身是由多片不同的复合材料制成的，就像一层一层的酥皮酥皮一样。一旦这些层被堆叠并塑造成机身的形状，这些结构就会被推入仓库大小的烤箱和高压灭菌器，在那里，这些层融合在一起，形成一个有弹性的、符合空气动力学的外壳。

麻省理工学院航空航天学教授布莱恩·沃德尔(Brian Wardle)说:“如果你要制造一个像机身或机翼这样的主要结构，你需要建造一个两到三层楼高的压力容器或高压灭菌器，这本身就需要时间和金钱来加压。”“这些都是庞大的基础设施。现在我们可以在没有高压罐压力的情况下制造初级结构材料，因此我们可以摆脱所有的基础设施。”

沃德尔论文的共同作者是第一作者、麻省理工学院博士后Jeonyoo Lee和Metis设计公司的Seth Kessler, Metis设计公司是一家位于波士顿的航空结构健康监测公司。

从烤箱里拿出来，放进毯子里

2015年，麻省理工学院博士后Jeonyoo Lee带领团队与沃德尔实验室的另一名成员一起，创造了一种制造航空航天级复合材料的方法，而不需要烤箱将材料融合在一起。研究人员没有在烤箱中放置一层又一层的材料来固化，而是将它们包裹在一层超薄的碳纳米管薄膜中。当他们对薄膜施加电流时，碳纳米管就像纳米级电热毯一样，迅速产生热量，导致内部的材料固化并融合在一起。

利用这种烤箱外(OoO)技术，该团队能够生产出与传统飞机制造烤箱中制造的材料一样坚固的复合材料，而只使用了1%的能量。

接下来，研究人员寻找了一种方法来制造高性能复合材料，而不使用大型的高压高压釜——建筑大小的容器，产生足够高的压力将材料压在一起，挤压出它们界面上的任何空隙或气囊。

“材料的每一层表面都有微观粗糙度，当你把两层放在一起时，空气会被困在粗糙的区域之间，这是复合材料中空洞和弱点的主要来源，”沃德尔说。“高压灭菌器可以把这些空洞推到边缘，并把它们清除掉。”

包括沃德尔团队在内的研究人员已经探索了“非高压灭菌器”(OoA)技术，可以在不使用大型机器的情况下制造复合材料。但大多数这些技术生产的复合材料中，近1%的材料含有空隙，这可能会影响材料的强度和寿命。相比之下，在高压灭菌器中制成的航空航天级复合材料具有如此高的质量，以至于它们所包含的任何空隙都可以忽略不计，并且不容易测量。

沃德尔说:“这些OoA方法的问题还在于，材料都是专门配制的，没有一种材料可以用于机翼和机身等主要结构。”“它们正在侵入二级结构，比如襟翼和门，但它们仍然会出现空隙。”

稻草的压力

沃德尔的部分工作重点是开发纳米孔网络——由碳纳米管等排列的微观材料制成的超薄薄膜，可以被设计成具有特殊的性能，包括颜色、强度和电容量。研究人员想知道这些纳米多孔薄膜是否可以用来代替巨大的高压灭菌器来挤出两层材料之间的空隙，这看起来似乎不太可能。

碳纳米管薄膜有点像茂密的森林，树木之间的空间可以像薄纳米管或毛细血管一样发挥作用。像吸管这样的毛细管可以根据其几何形状和表面能量，或者材料吸引液体或其他物质的能力来产生压力。

研究人员提出，如果一层碳纳米管薄膜夹在两种材料之间，那么，当材料被加热和软化时，碳纳米管之间的毛细血管应该具有表面能量和几何形状，这样它们就会将材料相互吸引，而不是在它们之间留下空隙。Lee计算出毛细管压力应该大于高压灭菌器施加的压力。

研究人员在实验室中测试了他们的想法，他们使用之前开发的技术，在垂直排列的碳纳米管薄膜中生长，然后将薄膜铺设在通常用于基于高压灭菌器的主要飞机结构制造的材料层之间。他们用第二层碳纳米管薄膜将这些层包裹起来，并用电流将其加热。他们观察到，随着材料的加热和软化，它们被拉进中间碳纳米管薄膜的毛细血管。

由此产生的复合材料缺乏空隙，类似于在高压灭菌器中生产的航空航天级复合材料。研究人员对这种复合材料进行了强度测试，试图将这些层分开，他们的想法是，如果存在空隙，那么这些层就会更容易分开。

“在这些测试中，我们发现我们的非热压罐复合材料与用于主要航空航天结构的金标准热压罐工艺复合材料一样坚固，”Wardle说。

该团队接下来将寻找方法来扩大产生压力的碳纳米管薄膜。在他们的实验中，他们使用了几厘米宽的样品——大到足以证明纳米孔网络可以给材料加压并防止空洞的形成。为了使这一工艺能够用于制造整个机翼和机身，研究人员必须找到方法，以更大的规模制造碳纳米管和其他纳米多孔薄膜。

沃德尔说:“有很多方法可以用这种材料制作真正大的毛毯，而且可以连续生产床单、纱线和卷材。”

他还计划探索纳米多孔膜的不同配方，设计不同表面能量和几何形状的毛细血管，以便能够加压和粘合其他高性能材料。

“现在我们有了这种新的材料解决方案，可以在你需要的地方按需提供压力，”Wardle说。“除了飞机，世界上大部分的复合材料生产都是用于水、天然气、石油等所有进出我们生活的东西的复合管道。这可以在没有烤箱和高压灭菌器基础设施的情况下制造所有这些东西。”

麻省理工学院

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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