Но композитные материалы также удивительно уязвимы: в то время как алюминий может выдерживать относительно большие удары до образования трещин, многие слои композитов могут разрушаться из-за относительно небольших ударов — недостаток, который считается ахиллесовой пятой материала.Теперь аэрокосмические инженеры Массачусетского технологического института нашли способ склеивать композитные слои таким образом, чтобы полученный материал был значительно прочнее и устойчивее к повреждениям, чем другие современные композиты. Их результаты опубликованы на этой неделе в журнале Composites Science and Technology.Исследователи скрепили слои композитных материалов вместе с помощью углеродных нанотрубок — углеродных рулонов толщиной до атома, которые, несмотря на их микроскопические размеры, невероятно прочны.
Они внедрили крошечные «леса» углеродных нанотрубок в полимерную матрицу, похожую на клей, а затем зажали матрицу между слоями композитов из углеродного волокна. Нанотрубки, похожие на крошечные, выровненные по вертикали стежки, работали внутри щелей каждого композитного слоя, служа каркасом, удерживающим слои вместе.В ходе экспериментов по проверке прочности материала команда обнаружила, что по сравнению с существующими композитными материалами сшитые композиты были на 30 процентов прочнее, выдерживая более высокие нагрузки до разрушения.
Роберто Гусман, который руководил работой в качестве постдока Массачусетского технологического института в Департаменте аэронавтики и астронавтики (AeroAstro), говорит, что это улучшение может привести к созданию более прочных и легких деталей самолетов — особенно тех, которые требуют гвоздей или болтов, которые могут взламывать обычные композиты.«Необходимо проделать дополнительную работу, но мы действительно уверены, что это приведет к созданию более сильных и легких самолетов», — говорит Гусман, который сейчас работает исследователем в Институте материалов IMDEA в Испании. «Это означает, что экономится много топлива, что хорошо для окружающей среды и для наших карманов».Соавторами исследования являются профессор AeroAstro Брайан Уордл и исследователи из шведской аэрокосмической и оборонной компании Saab AB."Размер имеет значение"
Современные композитные материалы состоят из слоев или слоев горизонтальных углеродных волокон, скрепленных полимерным клеем, который Уордл описывает как «очень, очень непрочную и проблемную область». Попытки укрепить эту область клея включают Z-образную булавку и трехмерное плетение — методы, которые включают в себя закрепление или плетение пучков углеродных волокон через композитные слои, аналогично проталкиванию гвоздей через фанеру или продеванию сквозь ткань.
«Стежок или гвоздь в тысячи раз больше углеродного волокна», — говорит Уордл. «Поэтому, когда вы пропускаете их через композит, вы разрываете тысячи углеродных волокон и повреждаете композит».Углеродные нанотрубки, напротив, имеют диаметр около 10 нанометров — почти в миллион раз меньше углеродных волокон.«Размер имеет значение, потому что мы можем поместить эти нанотрубки, не нарушая более крупных углеродных волокон, и это то, что поддерживает прочность композита», — говорит Уордл. «Что помогает нам повысить прочность, так это то, что углеродные нанотрубки имеют в 1000 раз большую площадь поверхности, чем углеродные волокна, что позволяет им лучше связываться с полимерной матрицей».Повышение уровня конкуренции
Гусман и Уордл разработали метод интеграции каркаса из углеродных нанотрубок в полимерный клей. Сначала они вырастили лес из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, следуя процедуре, ранее разработанной группой Уордла. Затем они перенесли лес на липкий неотвержденный композитный слой и повторили процесс, чтобы создать стопку из 16 композитных слоев — типичный состав композитного ламината — с углеродными нанотрубками, приклеенными между каждым слоем.
Чтобы проверить прочность материала, команда провела испытание на растяжение — стандартный тест, используемый для определения размеров аэрокосмических деталей — в ходе которого исследователи вставили болт в отверстие в композите, а затем вырвали его. Хотя существующие композиты обычно ломаются при таком напряжении, команда обнаружила, что сшитые композиты были более прочными и могли выдерживать на 30 процентов большее усилие перед растрескиванием.Исследователи также провели испытание на сжатие в открытом стволе, приложив силу, чтобы закрыть отверстие под болт.
В этом случае сшитый композит выдерживал на 14 процентов большее усилие перед разрывом по сравнению с существующими композитами.«Повышение прочности предполагает, что этот материал будет более устойчивым к любым типам повреждений или свойствам», — говорит Уордл. «А поскольку большинство новейших самолетов состоят более чем на 50 процентов из композитных материалов по весу, улучшение этих современных композитных материалов имеет очень положительные последствия для характеристик конструкции самолетов».