Вуглецева нанотрубка "стежки" зроблена міцніше, легша композита

Метод зміцнення цих

матеріалів може допомогти зробити літак легше, і наділити більшою стійкістю
Дата: 3 серпня 2016
джерело: Массачусетський технологічний інститут
Додаткова інформація: Авіаконструктори розробили вуглецеві нанотрубоки "стежки", які сильно пов'язують композити, та можуть виробляти більш легкі, стійкі до пошкодження літаки.


Новітні Еірбас і Боінг пасажирські літаки, що виконують рейси до сьогодні, виробляються в основному з сучасних композитних матеріалів, таких як вуглецеве волокно армованої пластмаси - надзвичайно легкі, міцні матеріали, які знижують загальну вагу літака на цілих 20 відсотків в порівнянні з алюмінієвими літаками. Такі легкі планери приводять безпосередньо до економії палива, що є одним з основних пунктів на користь передових композиційних матеріалів.
Але композитні матеріали також уразливі: в той час як алюміній може витримувати відносно великі удари до тріщин, багато шарів в композитах можуть розпадатися через відносно невеликі впливи - недолік, який вважається ахіллесовою п'ятою матеріалу.
В даний час MIT- аерокосмічна інженерна промисловість знайшла спосіб зв'язати композитні шари таким чином, що отриманий матеріал по суті, міцніше і більш стійкий до пошкоджень, ніж інші передові композити. Їх результати опубліковані на цьому тижні в журналі Composites науки і техніки.
Дослідники закріпили шари композиційних матеріалів разом використовуючи вуглецеві нанотрубки – розміров з атом тонкі рулони вуглецю, які, незважаючи на їх мікроскопічнустатуру, неймовірно сильні. Вони вбудували крихітний «лісс» вуглецевих нанотрубок в полімерну клеєподібну матрицю, потім пресовують матрицю між шарами вуглецевого волокна композитів. Нанотрубки, що нагадують крихітні, вертикально вирівняні стежки, працюють на себе в тріщинах кожного складового шару, яка виступає в якості каркаса для утримання шарів разом.

В експериментах, щоб перевірити міцність матеріалу, вчені виявили, що, в порівнянні з існуючими композитними матеріалами, прошиті композити були на 30 відсотків сильніше, витримуючу великі сили перед розвалюванням.
Роберто Гусман, який вів роботу як постдоктора MIT в відділі аеронавтики і астронавтики (AeroAstro), говорить, що поліпшення може привести до сильніших, більш легких частин літака - особливо ті, які вимагають цвяхів або болтів, які можуть зламати звичайні композити.
"Більше роботи повинно бути зроблено, але ми дійсно впевнені, що це призведе до більш сильних та легких літаків," говорить Гузман, який в даний час являється науковим співробітником Інституту IMDEA матеріалів, в Іспанії. "Це означає, що багато палива збережено, що відмінно підходить як для навколишнього середовища, так і для наших кишень."
Співгавтори дослідження є AeroAstro Професор Брайан Уордль і дослідники з шведської аерокосмічної та оборонної компанії Saab AB.

"Розмір має значення"
Сучасні композитні матеріали складаються з шарів або шарів, горизонтальних вуглецевих волокон, скріплених полімерним клеєм, який Уордл описує як "дуже, дуже слабкою, проблемною областю." Спроби зміцнити цю область клею включають Z-піннінга і 3-D ткацтво - методи, які включають піннінгові або ткацькі пучки вуглецевих волокон через композитних шарів, подібний до штовхання цвяхів через фанеру або нитку через тканину.
Вуглецеві нанотрубки, на відміну від цього, близько 10 нанометрів в діаметрі - майже в мільйон разів менше, ніж вуглецеві волокна.
"Розмір має значення, тому що ми можемо поставити ці нанотрубки без шкоди для більш велиих вуглецевих волокон, і це те, що зберігає міцність композиційного матеріалу", говорить Уордль. "Що допомагає підвищити міцність, те що вуглецеві нанотрубки мають в 1000 разів більшу площу поверхні вуглецевих волокон, що дозволяє їх краще зв'язати з полімерною матрицею."
Підсумки
Гузман і Уордль придумали методику для інтеграції волосінь вуглецевих нанотрубок з полімерним клеєм. Спочатку виростили ліс вертикально вирівняних вуглецевих нанотрубок, відповідно до процедури, раніше розробленої групою Уордль. Потім вони перенесли ліс на липий слой композитного шару і процес повторюється для формування 16 шарів композиційного матеріалу - типову композитну шарувату косметику - з вуглецевими нанотрубками, склеєних між кожним шаром.
Щоб перевірити міцність матеріалу, команда провела випробування на розтягнення-підшипника - стандартний тест, який використовується для розміру аерокосмічних частин - де дослідники ставлять болт через отвір в композиційному матеріалі, а потім розривають його. У той час як існуючі композити, як правило, ламається під такою напругою, команда знайшла ,що пришиті композити сильніше , вони здатні витримати на 30 відсотків більше сили перед розтріскуванням.
Дослідники також проводили тест на стиск відкритого отвору, застосовуючи силу, щоб болтовий отвір бувзакритим. В цьому випадку зшитий композит витримував на 14 відсотків більше сили до розриву, в порівнянні з існуючими композитами.
" Припускають, що цей матеріал буде більш стійкий до будь-якого типу ушкоджень, подій або функцій," говорить Уордль. "І оскільки більшість новітніх літаків більш ніж на 50 відсотків по масі композиту, композит має дуже позитивні наслідки для авіаційної структурної продуктивності."

Переклав Ілля Лук'яненко
Оригінал:https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160803111753.htm