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– La película de nanotubos de carbono produce compuestos aeroespaciales sin la necesidad de grandes hornos o autoclaves.
Cortesía de MIT: el fuselaje de un avión moderno está hecho de varias láminas de diferentes materiales compuestos, con varias capas en un hojaldre delgado. Después de que estas capas se apilan y forman un fuselaje, las estructuras se transforman en hornos y autoclaves del tamaño de un almacén, donde las capas se fusionan para formar una carcasa aerodinámica resistente. Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un método para producir compuestos con Nanotubos aeroespaciales sin los enormes hornos y recipientes a presión. La técnica puede ayudar a acelerar la fabricación de aeronaves y otras grandes estructuras compuestas de alto rendimiento, como las palas de turbinas eólicas.
Los investigadores detallan su nuevo método en un artículo publicado en la revista Interfaces de materiales avanzados.
«Si está creando una estructura primaria, como un fuselaje o un ala, necesita construir un recipiente a presión o autoclave, del tamaño de un edificio de dos o tres pisos, que requiere tiempo y dinero para presurizar», dice Brian Wardle, profesor. de aeronáutica y astronáutica en el MIT. “Estas cosas son enormes piezas de infraestructura. Ahora podemos fabricar materiales de marco primario sin presión a partir del autoclave para poder deshacernos de toda esta infraestructura. »
Los coautores de Wardle en el documento son el autor principal y el postdoc en MIT Jeonyoon Lee, y Seth Kessler de Metis Design Corporation, una compañía de monitoreo de salud estructural aeroespacial con sede en Boston.
Fuera del horno sobre una manta
En 2015, Lee dirigió al equipo, junto con otro miembro del laboratorio de Wardle, para diseñar un método para producir compuestos aeroespaciales sin la necesidad de un horno para fundir materiales. En lugar de colocar capas de material dentro de un horno de curado, los investigadores esencialmente las envolvieron en una película de nanotubos de carbono (CNT) ultradelgada. Cuando aplicaron una corriente eléctrica a la película, los CNT, como una manta eléctrica a nanoescala, generaron rápidamente calor, haciendo que los materiales internos se curaran y fusionaran.
Con esta técnica fuera de horno u OoO, el equipo pudo producir compuestos tan fuertes como los materiales fabricados en hornos de fabricación de aviones convencionales, utilizando solo el 1% de la energía.
Luego, los investigadores buscaron formas de crear compuestos de alto rendimiento sin el uso de grandes autoclaves de alta presión, recipientes del tamaño de un edificio que generan presiones lo suficientemente altas como para presionar materiales, exprimir huecos o bolsas de aire en su interfaz.
«Hay una rugosidad superficial microscópica en cada capa de un material y cuando se unen dos capas, el aire queda atrapado entre las áreas rugosas, que es la principal fuente de vacíos y debilidades en un compuesto», dice Wardle. «Un autoclave puede empujar estos vacíos hasta los bordes y deshacerse de ellos».
Los investigadores, incluido el grupo de Wardle, han explorado técnicas fuera de autoclave, o OoA, para hacer compuestos sin utilizar máquinas grandes. Pero la mayoría de estas técnicas han producido compuestos donde casi el 1% del material contiene vacíos, lo que puede comprometer la resistencia y la vida del material. En comparación, los compuestos aeroespaciales hechos de autoclaves son de una calidad tan alta que los vacíos que contienen son insignificantes y no son fáciles de medir.
«El problema con estos enfoques OoA es también que los materiales han sido especialmente formulados y ninguno está calificado para estructuras primarias como alas y fuselajes», dice Wardle. «Están haciendo algunas incursiones en estructuras secundarias como aletas y puertas, pero todavía están vacías».
Presión capilar
Parte del trabajo de Wardle se centra en el desarrollo de redes nanoporosas: películas ultrafinas hechas de material microscópico alineado, como nanotubos de carbono, que pueden diseñarse con propiedades excepcionales que incluyen color, resistencia y capacidad eléctrica. Los investigadores se preguntaron si estas películas nanoporosas podrían usarse en lugar de autoclaves gigantes para exprimir huecos entre dos capas de material, por poco probable que parezca.
Una película delgada de nanotubos de carbono es como un denso bosque de árboles, y los espacios entre los árboles pueden funcionar como tubos finos a nanoescala o capilares. Un capilar como una pajita puede generar presión en función de su geometría y energía superficial o la capacidad del material para atraer líquidos u otros materiales.
Los investigadores propusieron que si una película delgada de nanotubos de carbono se intercalara entre dos materiales, entonces, a medida que los materiales se calentaran y ablandaran, los capilares entre los nanotubos de carbono deberían tener energía y geometría superficial para atraer los materiales en dirección a cada material, o, en lugar de dejar un vacío entre ellos. Lee calculó que la presión capilar debería ser mayor que la presión aplicada por los autoclaves.
Los investigadores probaron su idea en el laboratorio cultivando películas de nanotubos de carbono alineadas verticalmente utilizando una técnica que desarrollaron anteriormente y luego colocando las películas entre capas de materiales que se usan comúnmente en la fabricación de estructuras de aeronaves basadas en autoclaves primarias. Envolvieron las capas en una segunda película de nanotubos de carbono, a la que aplicaron una corriente eléctrica para calentarla. Observaron que a medida que los materiales se calentaban y se ablandaban en respuesta, se introducían en los capilares de la película intermedia CNT.
El compuesto resultante carecía de huecos, similar a los compuestos aeroespaciales producidos en un autoclave. Los investigadores sometieron los compuestos a pruebas de esfuerzo, tratando de separar las capas, con la idea de que los vacíos, si están presentes, permitirían que las capas se separen más fácilmente.
«En estas pruebas, encontramos que nuestro compuesto no autoclave era tan fuerte como el compuesto de proceso de autoclave estándar de oro utilizado para estructuras aeroespaciales primarias», dice Wardle.
El equipo buscará formas de ampliar la película CNT generadora de presión. En sus experimentos, trabajaron con muestras de varias pulgadas de ancho, lo suficientemente grandes como para demostrar que las redes nanoporosas pueden presurizar los materiales y evitar que se formen huecos. Para que este proceso de hacer alas y fuselajes completos sea factible, los investigadores tendrán que encontrar formas de hacer CNT y otras películas nanoporosas a una escala mucho mayor.
«Hay formas de hacer mantas realmente grandes y hay una producción continua de láminas, hilados y rollos de material que se pueden incorporar al proceso», dice Wardle.
También planea explorar diferentes formulaciones de películas nanoporosas, capilares de ingeniería energética y geometrías de superficie variadas para poder presurizar y unir otros materiales de alto rendimiento.
«Ahora tenemos esta nueva solución material que puede ejercer presión sobre la demanda donde sea que la necesite», dice Wardle. “Además de los aviones, la mayoría de la producción de compuestos en el mundo está compuesta por tuberías compuestas para agua, gas, petróleo, todo lo que entra y sale en nuestras vidas. Esto podría hacer que todas estas cosas se fabriquen sin la infraestructura de horno y autoclave. »
Esta investigación fue apoyada en parte por Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex y Teijin Carbon America a través del Consorcio de Estructuras Aeroespaciales Compuestas Nano-Engineered del MIT (NECST).
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