麻省理工學(xué)院航空航天學(xué)院教授Brian Wardle表示：“如果要制造機(jī)身或機(jī)翼之類的飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，則需要建造一個兩三層建筑物大小的熱壓罐或高壓釜，加壓過程耗費大量時間和金錢。如果可以在沒有高壓釜的情況下制造飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，我們就可以擺脫所有這些龐大的設(shè)備。”

 

       2015年起，博士后Jeonyoo Lee、Wardle實驗室成員和航空結(jié)構(gòu)監(jiān)測公司Metis Design組成研究團(tuán)隊，一起創(chuàng)造了一種無需使用加熱爐即可制造航空級復(fù)合材料的方法。研究人員沒有將材料層放在加熱爐中進(jìn)行固化，而是將它們包裹在碳納米管超薄膜中。當(dāng)給薄膜通電時，碳納米管就像納米級電熱毯一樣，迅速產(chǎn)生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。利用這種“脫加熱爐工藝”（Out of Oven，OoO），研究團(tuán)隊僅消耗1％的能量就能完成航空級復(fù)合材料的生產(chǎn)，其強(qiáng)度與傳統(tǒng)制造方法制得的復(fù)合材料強(qiáng)度相當(dāng)。

 

       “材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，當(dāng)將兩層材料合在一起時，空氣會被困在粗糙區(qū)域之間，這是復(fù)合材料中孔隙和缺陷的主要來源。使用大型熱壓罐制造復(fù)合材料的優(yōu)勢在于熱壓罐能夠產(chǎn)生足夠高的壓力將材料間的任何孔隙或氣穴從界面邊緣處擠出并消除。”Wardle解釋道。

 

       包括Wardle實驗室研究組在內(nèi)的研究人員已經(jīng)在“非熱壓罐工藝”（Out of Autoclave，OoA）領(lǐng)域進(jìn)行了長期探索，無需使用大型熱壓罐即可制造復(fù)合材料。然而其中有近1％的材料含有孔隙，這會影響材料的強(qiáng)度和壽命。相比之下，用傳統(tǒng)熱壓罐法制造的航空級復(fù)合材料具有很高的質(zhì)量，所包含的任何孔隙都可以忽略不計且不易測量。

 

       非熱壓罐工藝的問題還在于材料是經(jīng)過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機(jī)翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。盡管在次承力結(jié)構(gòu)件（如襟翼和門）方面取得了一些進(jìn)展，產(chǎn)品仍然存在孔隙。

 

       研究人員的部分工作集中在于開發(fā)納米多孔網(wǎng)絡(luò)，即由取向一致的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進(jìn)行包括顏色、強(qiáng)度和電容在內(nèi)的特殊設(shè)計。研究人員想知道這些納米多孔薄膜是否可以代替大型熱壓罐來實現(xiàn)消除材料層間空隙缺陷。

 

       根據(jù)研究人員的假設(shè)，如果將碳納米管的薄膜置于兩層材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的空間會由于幾何形狀和表面能形成附加壓力出現(xiàn)毛細(xì)管效應(yīng)，使材料間彼此吸引而不是在它們之間留出孔隙。根據(jù)Lee的計算，毛細(xì)管壓力應(yīng)當(dāng)大于熱壓罐所施壓的壓力。

 

       在實驗室研究測試中，研究人員首先開發(fā)出一種垂直排列碳納米管薄膜的生長技術(shù)，然后將薄膜放置在熱壓罐法制備飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)常用的材料層之間。再把這些新組成的多層材料包裹在第二層碳納米管薄膜中，對碳納米管薄膜通電對其進(jìn)行加熱。他們觀察到，如預(yù)想的一般，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入碳納米管薄膜的毛細(xì)管中，復(fù)合材料的截面圖表明，具有形態(tài)可控納米級毛細(xì)管的納米多孔薄膜提供了材料制備復(fù)合材料所需的壓力，所得復(fù)合材料層間沒有空隙。

 

       研究人員對復(fù)合材料進(jìn)行了強(qiáng)度測試，他們發(fā)現(xiàn)用新工藝制得的復(fù)合材料與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐工藝制得的復(fù)合材料一樣堅固。他們在實驗中使用了幾厘米寬的樣本，樣本的尺寸足以證明納米孔網(wǎng)絡(luò)可以對材料加壓并防止形成空隙。為了使該工藝可用于制造整個機(jī)翼和機(jī)身，研究人員將必須找到制備尺寸更大的碳納米管多孔薄膜的方法。

 

       研究人員未來計劃探索不同配方，獲得具有不同表面能和幾何形狀且適合工程化的毛細(xì)管納米多孔薄膜，以便能夠適用于其他高性能材料。該項研究獲得了麻省理工學(xué)院的納米工程復(fù)合材料航空航天結(jié)構(gòu)聯(lián)盟（NECST）的支持，部分支持公司包括空客、ANSYS、巴西航空工業(yè)公司、洛克希德·馬丁公司、薩博AB公司、薩泰克斯公司和帝人美國公司等。