僅需利用傳統(tǒng)熔爐制備工藝所需能量的1%，新型納米管薄膜便可加工位于飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身的復(fù)合材料。

MIT的航空工程師們研制了一種碳納米管(CNT)薄膜，這種薄膜不需要巨大的爐子就可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的加熱和固化。

將薄膜連接到電源上，然后包裹上多層高分子復(fù)合物，加熱的薄膜就能激發(fā)高分子凝固。

應(yīng)用于機(jī)翼和機(jī)身的復(fù)合材料通常都是在較大的、工業(yè)級尺寸的爐子里制備的。多種高分子層在750°F時(shí)開始萎縮然后凝固成一個(gè)固體的彈性材料。然而，采用這種方法，首先需要大量的能量來加熱爐子，然后通入氣體，最后才是真正的復(fù)合物。

MIT的研究人員在常見的應(yīng)用于飛機(jī)組件的碳纖維材料上測試了該薄膜的性能，發(fā)現(xiàn)該薄膜可以制備出與傳統(tǒng)爐子強(qiáng)度一樣的復(fù)合材料—但是僅用了1%的能量。

薄膜連接到電源上，直接產(chǎn)生熱量，不需要巨大的爐子就可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的加工

熱量產(chǎn)生

研究團(tuán)隊(duì)首先研發(fā)了一種技術(shù)來制備這種由結(jié)晶碳的小管組成的碳納米薄膜。研究者利用一個(gè)棒水平的纏繞碳管，形成一個(gè)致密的對齊的碳管薄膜。

在最初的實(shí)驗(yàn)中，MIT的研究團(tuán)隊(duì)通過傳統(tǒng)的基于熱爐的修復(fù)方法將薄膜整合成機(jī)翼，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加電壓時(shí)，薄膜將產(chǎn)生熱量。然后他們研究了薄膜對于熔化兩種通常用于機(jī)翼和機(jī)身的航空級復(fù)合物的能力。正常情況下，這種16層的復(fù)合材料在一個(gè)高溫的工業(yè)熱爐中會(huì)固化或交聯(lián)。

研究者制備了一種CNT薄膜，并將薄膜置于一平米的Cycom 5320-1材料上。他們將電極連接到薄膜上，然后施加電流，同時(shí)加熱薄膜和內(nèi)部的在Cycom 5320-1材料層里的高分子。

MIT團(tuán)隊(duì)測定了固化或交聯(lián)高分子和碳纖維層所需要的能量，發(fā)現(xiàn)CNT薄膜只用了傳統(tǒng)熱爐方法修復(fù)復(fù)合物用電量的百分之一。這種方法制備的復(fù)合物具有類似的特性如交聯(lián)密度。

　　將薄膜連接到電源上，直接產(chǎn)生熱量，不需要巨大的爐子就可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的加工

　　Jeonyoon Lee (右) 持有碳納米管陣列，Itai Y Stein(左)持有制成的碳納米管薄膜微型加熱器

節(jié)約能量

據(jù)MIT 航空航天學(xué)副教授Brian /L. Wardle描述，這種新的脫離熱爐的方法可能提供一種更加直接的，節(jié)能的途徑來制備任何工業(yè)的復(fù)合材料。

他說：通常，如果你想制作一個(gè)空中巴士A350或波音787的機(jī)身，你必須擁有一個(gè)四層的爐子，還需要花費(fèi)幾千萬美元建設(shè)你不需要的基礎(chǔ)設(shè)施。但是我們的技術(shù)會(huì)將熱量放到它需要的地方，與要組合的部分直接接觸。

Wardle說：這種碳納米管薄膜還很輕。當(dāng)他熔化了下面的高分子層后，這種還沒有人類頭發(fā)直徑粗的薄膜本身會(huì)和復(fù)合物嚙合在一起，增加的重量根本微不足道。

Wardle又說：研究團(tuán)隊(duì)也測試了薄膜產(chǎn)生更高溫度的能力，并且發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生的最高溫度可以超過1000°F。與此對比，一些高溫航空高分子固化所需的溫度為750°F，這是薄膜可以實(shí)現(xiàn)的。

該團(tuán)隊(duì)目前致力于與工業(yè)伙伴合作來尋找推廣這項(xiàng)技術(shù)來制備足夠大的復(fù)合材料用于機(jī)翼和機(jī)身的方法。

Wardle又說：還需要考慮電極的問題，就是你該如何使電極接觸在這么大的面積內(nèi)都有效，你只需要比你現(xiàn)在投入到爐子上少的多的能量。我不認(rèn)為這是一個(gè)挑戰(zhàn)，但是這是必須做的。

航空應(yīng)用

MIT的計(jì)算力學(xué)教授Gregory Odegard說，碳納米管薄膜團(tuán)隊(duì)可能會(huì)繼續(xù)提高大型復(fù)合材料制備的質(zhì)量和效率，例如商用飛機(jī)的機(jī)翼。這項(xiàng)新技術(shù)可以為缺乏大型工業(yè)爐子的小公司帶來可能。

沒有參與研究的Odegard說，想要制備復(fù)合材料部件的小企業(yè)也可以不用投資大型爐子或外包就能做到，這將帶來跟更多的復(fù)合物的創(chuàng)新和復(fù)合材料應(yīng)用和性能上可能的提升。

這項(xiàng)研究由空中巴士、波音、巴西航空、美國航空航天公司、薩博汽車、日本東邦、ANSYS、賴特-帕特森空軍基地美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國陸軍研究室部分贊助。

研究團(tuán)隊(duì)包括MIT研究生Jeonyoon Lee 和Itai Stein以及墨提斯設(shè)計(jì)公司的Seth Kessler，該研究結(jié)果發(fā)表在ACS Applied Materials and Interfaces雜志上。