Но композиционные материалы также удивительно уязвимы: В то время как алюминий может противостоять относительно большим воздействиям, прежде чем взламывание, много слоев в соединениях смогут разбиться из-за относительно маленьких воздействий – недостаток, который считают ахиллесовой пятой материала.Теперь инженеры космоса MIT нашли способ соединить сложные слои таким способом, которым получающийся материал существенно более сильный и более стойкий, чтобы повредить, чем другие продвинутые соединения. Их результаты изданы на этой неделе в журнале Composites Science and Technology.Исследователи закрепили слои композиционных материалов, вместе используя углеродные нанотрубки – тонкие атомом рулоны углерода, которые, несмотря на их микроскопическую высоту, невероятно сильны.
Они включили крошечные «леса» углеродных нанотрубок в подобной клею матрице полимера, затем нажали матрицу между слоями соединений углеволокна. Нанотрубки, напоминая крошечные, вертикально выровненные стежки, работали сами в щелях каждого сложного слоя, служа лесами, чтобы скрепить слои.В экспериментах, чтобы проверить силу материала, команда нашла, что по сравнению с существующими композиционными материалами сшитые соединения были на 30 процентов более сильными, противостоя большим силам перед разбиванием.
Роберто Гусман, который привел работу как MIT postdoc в Отделе Аэронавтики и (Аэрокосмической) Астронавтики, говорит, что улучшение может привести к более сильным, более легким частям самолета – особенно те, которые требуют гвоздей или болтов, которые могут взломать обычные соединения.«Больше работы должно быть сделано, но мы действительно уверенны, что это приведет к более сильным, более легким самолетам», говорит Гусман, который является теперь исследователем в Институте Материалов IMDEA в Испании. «Это означает много сэкономленного топлива, который является большим для окружающей среды и для наших карманов».
Среди соавторов исследования преподаватель AeroAstro Брайан Вардл и исследователи от шведского космоса и оборонной компании Сааб AB.«Вопросы размера»Сегодняшние композиционные материалы состоят из слоев или плие, из горизонтальных углеволокон, скрепляемых клеем полимера, который Вардл описывает как «очень, очень слабая, проблематичная область». Попытки усилить этот регион клея включают Z-скрепление и 3D переплетение – методы, которые включают скрепление или ткацкие связки углеволокон через сложные слои, подобные подталкиванию гвоздей через фанеру или нити через ткань.
«Стежок или гвоздь – тысячи времен, больше, чем углеволокна», говорит Вардл. «Таким образом, когда Вы ведете их через соединение, Вы ломаете тысячи углеволокон и повреждаете соединение».Углеродные нанотрубки, в отличие от этого, составляют приблизительно 10 миллимикронов в диаметре – почти миллион раз, меньший, чем углеволокна.«Вопросы размера, потому что мы в состоянии вставить эти нанотрубки, не нарушая больших углеволокон, и это – то, что поддерживает силу соединения», говорит Вардл. «Что помогает нам увеличить силу, то, что у углеродных нанотрубок есть в 1,000 раз больше площади поверхности, чем углеволокна, которая позволяет им связь лучше с матрицей полимера».
Укладка соревнованияГусман и Вардл придумали технику, чтобы объединить леса углеродных нанотрубок в клею полимера. Они сначала вырастили лес вертикально выровненных углеродных нанотрубок, выполнив процедуру, которую ранее разработала группа Вардла.
Они тогда передали лес на липкий, невылеченный сложный слой и повторили процесс, чтобы произвести стопку 16 сложных плие – типичную сложную косметику ламината – с углеродными нанотрубками, склеенными между каждым слоем.Чтобы проверить силу материала, команда выполнила имеющий напряженность тест – стандартный тест раньше измерял космические части – где исследователи проводят болт через отверстие в соединении, затем сорвал его. В то время как существующие соединения, как правило, ломаются под таким напряжением, команда нашла, что сшитые соединения были более сильными, были в состоянии противостоять на 30 процентов большей силе перед взламыванием.Исследователи также выполнили тест на сжатие открытого отверстия, применив силу, чтобы сжать закрытое болтовое отверстие.
В этом случае сшитое соединение противостояло на 14 процентов большей силе перед ломкой, по сравнению с существующими соединениями.«Повышения силы предполагают, что этот материал будет более стойким к любому типу разрушительных событий или особенностей», говорит Вардл. «И так как большинство новейших самолетов – больше чем 50-процентное соединение в развес, улучшение этих современных соединений имеет очень положительные последствия для самолета структурная работа».