麻省理工研发无需热压罐生产航空级复合材料的方法

 

       麻省理工学院航空航天学院教授Brian Wardle表示：“如果要制造机身或机翼之类的飞机主承力结构件，则需要建造一个两三层建筑物大小的热压罐或高压釜，加压过程耗费大量时间和金钱。如果可以在没有高压釜的情况下制造飞机主承力结构件，我们就可以摆脱所有这些庞大的设备。”

 

       2015年起，博士后Jeonyoo Lee、Wardle实验室成员和航空结构监测公司Metis Design组成研究团队，一起创造了一种无需使用加热炉即可制造航空级复合材料的方法。研究人员没有将材料层放在加热炉中进行固化，而是将它们包裹在碳纳米管超薄膜中。当给薄膜通电时，碳纳米管就像纳米级电热毯一样，迅速产生热量，从而使其中的材料固化并融合在一起。利用这种“脱加热炉工艺”（Out of Oven，OoO），研究团队仅消耗1％的能量就能完成航空级复合材料的生产，其强度与传统制造方法制得的复合材料强度相当。

 

       “材料的每一层都有微观的表面粗糙度，当将两层材料合在一起时，空气会被困在粗糙区域之间，这是复合材料中孔隙和缺陷的主要来源。使用大型热压罐制造复合材料的优势在于热压罐能够产生足够高的压力将材料间的任何孔隙或气穴从界面边缘处挤出并消除。”Wardle解释道。

 

       包括Wardle实验室研究组在内的研究人员已经在“非热压罐工艺”（Out of Autoclave，OoA）领域进行了长期探索，无需使用大型热压罐即可制造复合材料。然而其中有近1％的材料含有孔隙，这会影响材料的强度和寿命。相比之下，用传统热压罐法制造的航空级复合材料具有很高的质量，所包含的任何孔隙都可以忽略不计且不易测量。

 

       非热压罐工艺的问题还在于材料是经过特殊配制的，而且没有一种材料适合机翼和机身等主承力结构。尽管在次承力结构件（如襟翼和门）方面取得了一些进展，产品仍然存在孔隙。

 

       研究人员的部分工作集中在于开发纳米多孔网络，即由取向一致的微观材料（例如碳纳米管）制成的超薄膜，这些薄膜可以进行包括颜色、强度和电容在内的特殊设计。研究人员想知道这些纳米多孔薄膜是否可以代替大型热压罐来实现消除材料层间空隙缺陷。

 

       根据研究人员的假设，如果将碳纳米管的薄膜置于两层材料之间，则随着材料的加热和软化，碳纳米管之间的空间会由于几何形状和表面能形成附加压力出现毛细管效应，使材料间彼此吸引而不是在它们之间留出孔隙。根据Lee的计算，毛细管压力应当大于热压罐所施压的压力。

 

       在实验室研究测试中，研究人员首先开发出一种垂直排列碳纳米管薄膜的生长技术，然后将薄膜放置在热压罐法制备飞机主承力结构常用的材料层之间。再把这些新组成的多层材料包裹在第二层碳纳米管薄膜中，对碳纳米管薄膜通电对其进行加热。他们观察到，如预想的一般，随着材料的加热和软化，它们被拉入碳纳米管薄膜的毛细管中，复合材料的截面图表明，具有形态可控纳米级毛细管的纳米多孔薄膜提供了材料制备复合材料所需的压力，所得复合材料层间没有空隙。

 

       研究人员对复合材料进行了强度测试，他们发现用新工艺制得的复合材料与传统标准热压罐工艺制得的复合材料一样坚固。他们在实验中使用了几厘米宽的样本，样本的尺寸足以证明纳米孔网络可以对材料加压并防止形成空隙。为了使该工艺可用于制造整个机翼和机身，研究人员将必须找到制备尺寸更大的碳纳米管多孔薄膜的方法。

 

       研究人员未来计划探索不同配方，获得具有不同表面能和几何形状且适合工程化的毛细管纳米多孔薄膜，以便能够适用于其他高性能材料。该项研究获得了麻省理工学院的纳米工程复合材料航空航天结构联盟（NECST）的支持，部分支持公司包括空客、ANSYS、巴西航空工业公司、洛克希德·马丁公司、萨博AB公司、萨泰克斯公司和帝人美国公司等。