Современного самолета состоит из нескольких листов, различных композитных материалов, как и многие слои в фило-тесто, выпечка. Как только эти слои уложены и упорядочены в форме фюзеляжа, в конструкции колесных на складе размера печи и автоклавы, где слои сливаются, чтобы сформировать упругий, аэродинамического корпуса.
Сейчас инженерами Массачусетского технологического института разработали метод производства аэрокосмического Композиты без огромных печей и сосудов под давлением. Методика может помочь, чтобы ускорить производство самолетов и других крупных, высокопроизводительных композитных структур, таких как лопасти для ветряных турбин.
Исследователи подробно их новый метод в статье, опубликованной сегодня в журнале Advanced интерфейсы материалов.
«Если вы делаете первичную структуру, как фюзеляж или крыло, нужно строить сосуда под давлением, или автоклавной, размером с двух — или трехэтажное здание, которое само требует денег и времени, чтобы дожать», — говорит Брайан Уордл, профессор аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте. «Эти вещи являются массивные элементы инфраструктуры. Теперь мы можем сделать первичную структуру материалов без автоклава давление, так что мы можем избавиться от всей этой инфраструктуры».
Соавторы Уордл по статье ведущий автор и постдок в MIT Jeonyoo Ли и Сет Кесслер Метис дизайн корпорации, аэрокосмический мониторинг структурного состояния компании, базирующейся в Бостоне.
Из духовки, в одеяло
В 2015 году, Ли руководил командой, вместе с другим членом лаборатории Уордл, в создании способ, чтобы сделать аэрокосмического композитов без использования духовки, чтобы сплавить воедино материалы. Вместо размещения слоев материала внутри духовка, исследователи, по сути, завернул их в сверхтонкой пленкой из углеродных нанотрубок (УНТ). Когда они применяли электрический ток для фильма, УНТ, как наноразмерные электрическое одеяло, быстро тепло, вызывая материалов для лечения и сливаются.
С этом печь, или ООО, Техника, команда была в состоянии производить композиты так же сильны, как материалы, изготовленные в обычное производство самолета печи, используя только 1% энергии.
Затем исследователи искали пути, чтобы сделать высококачественных композитов без использования большого, высокого давления автоклавы — дома-по размеру суда, которые создают достаточно высокое давление для пресс-материалов, выдавливая пустоты или воздушные карманы, в их интерфейс.
«Есть микроскопические шероховатости поверхности на каждого слоя материала, и когда вы соединили две сгибов, воздух попадает в ловушку между проблемным местам, который является основным источником пустоты и слабости в композите», — говорит Уордл. «Автоклав может подтолкнуть те пустоты до краев и избавиться от них».
Исследователи, в том числе группы Уордл уже изучили «из автоклава», или Ооа, технологии производства композитов без использования огромных машин. Но большинство из этих методов имеют произведенный композитов, где почти на 1 процент материала содержит пустот, которые могут нарушить прочность материала и срок службы. Для сравнения, в аэрокосмической индустрии композитов, изготовленных в автоклавах являются столь высокого качества, что какие-то пустоты, которую они содержат, игнорировать и не легко измерить.
«Проблема с этими Ооа подходов является также то, что материалы были специально разработаны, и никто не квалифицирован для первичных структур, таких как крылья и фюзеляж», — говорит Уордл. «Они делают некоторые успехи в вторичные структуры, такие как закрылки и двери, но они все еще получают пустоты.»
Соломы давления
Часть работы Уордл направлен на развитие сетей — нанопористых ультратонких пленок со выровнены, микроскопических материалов, таких как углеродные нанотрубки, которые могут быть разработаны с исключительными свойствами, в том числе цвет, прочность, и электрической мощности. Исследователи задались вопросом, действительно ли эти нанопористых пленок могут быть использованы вместо гигантских автоклавов, чтобы выдавить из пустоты между двумя слоями материала, так же маловероятна, как это может показаться.
Тонкой пленкой из углеродных нанотрубок-это нечто подобное густой лес из деревьев, и промежутки между деревьями может функционировать как тонких наноразмерных трубок или капилляров. Капилляр, таких как солома могут создавать давление с учетом его геометрии и ее поверхностная энергия, или способность материала, чтобы привлечь жидкостей или других материалов.
Исследователи предложили, что если тонкой пленкой из углеродных нанотрубок были зажаты между двумя материалами, то, как материалы были нагревается и размягчается, капилляры между углеродные нанотрубки должны обладать поверхностной энергией и геометрией, что они будут рисовать материалы в отношении друг друга, а не оставляя пустот между ними. Ли рассчитывали, что капиллярное давление должно быть больше, чем давление в автоклавах.
Ученые проверили свою идею в лаборатории путем выращивания пленок вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с помощью метода, который они ранее созданное, то укладка пленки между слоями материалов, которые обычно используются в автоклаве на основе производства первичных авиационных конструкций. Они завернули слоев второй слой углеродных нанотрубок, который они применяли электрический ток, чтобы нагреть его. Они отметили, что в качестве материалов нагревается и размягчается в ответ, они были выведены в капиллярах фильм промежуточными УНТ.
Полученный композит не хватало пустоты, похожие на аэрокосмического композитов которые производятся в автоклаве. Исследователи подвергли композиционных материалов для испытания на прочность, пытаясь раздвинуть слои отдельно, идея в том, что пустоты, если они имеются, позволят слоев, чтобы отделить более легко.
«В этих тестах, мы обнаружили, что наши автоклав композит была так же сильна, как золотой стандарт автоклава процесс композита, используемого для первичной аэрокосмических конструкций», — говорит Уордл.
Команда будет далее искать способы, чтобы увеличить давление-генерирующая пленки УНТ. В своих экспериментах они работали с образцов размером несколько сантиметров-достаточно большой, чтобы продемонстрировать, что нанопористых сети могут дожать материалов и предотвращения пустот от формирования. Чтобы сделать этот процесс жизнеспособен для изготовления всего крыла и фюзеляжа, исследователи должны найти способы, чтобы производство УНТ и другие нанопористые пленки в гораздо больших масштабах.
«Есть способы, чтобы сделать действительно большие одеяла из этого материала, и есть непрерывного производства листов, нитей, и рулоны материала, которые могут быть включены в процесс», — говорит Уордл.
Он также планирует изучить различные составы нанопористых пленок, технических капилляров различной поверхностной энергией и геометрию, чтобы иметь возможность оказать давление и облигаций других высококачественных материалов.
«Теперь у нас есть этот новый материал решение, которое могу предоставить по требованию давление там, где это необходимо», — говорит Уордл. «Помимо самолетов, большинство из композита производства в мире композитных труб для воды, газа, масла, все вещи, которые входят и выходят из нашей жизни. Это может делать все те вещи, без печи и автоклава инфраструктуры».
Это исследование было поддержано, в части, «Эрбас», программный комплекс ANSYS, «Эмбраер», «Локхид Мартин», Сааб АБ, Saertex, и Teijin углерода Америку через МИТ нано-инженерии композитных конструкций аэрокосмической техники (NECST) Консорциума.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!