现代飞机的机身是由多种不同的复合材料制成的，就像多层酥皮糕点一样。一旦这些层被堆叠并塑造成机身的形状，这些结构就会被推入仓库大小的烤箱和高压锅，在那里这些层融合在一起形成一个弹性的、空气动力学的外壳。
现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种无需巨大的烤箱和压力容器就能生产航空级复合材料的方法。这项技术可能有助于加速飞机和其他大型高性能复合结构的制造，比如风力涡轮机的叶片。
研究人员在今天出版的《先进材料界面》杂志上详细介绍了他们的新方法。
麻省理工学院航空航天学教授布莱恩•沃尔德(Brian Wardle)表示:“如果你要制造像机身或机翼这样的初级结构，你需要建造一个两层或三层建筑大小的压力容器或高压釜，而这本身就需要时间和金钱来加压。”“这些都是大规模的基础设施。现在我们可以在没有高压釜压力的情况下制造初级结构材料，这样我们就可以摆脱所有这些基础设施。”
沃德尔论文的合著者包括第一作者、麻省理工学院博士后Jeonyoo Lee和梅蒂斯设计公司(Metis Design Corporation)的赛斯•凯斯勒(Seth Kessler)。梅蒂斯设计公司是一家位于波士顿的航空航天结构健康监测公司。
从烤箱里拿出来，放到毯子里
2015年，李和沃德尔实验室的另一名成员，领导了这个团队，创造了一种制造航空级复合材料的方法，而不需要烤箱将材料融合在一起。研究人员并没有将多层材料放入烤箱中进行固化，而是将其包裹在一层超薄的碳纳米管(cnt)中。当他们在薄膜上施加电流时，CNTs像纳米级电热毯一样迅速产生热量，使薄膜内的材料固化并融合在一起。
有了这种出炉技术，这个团队就能生产出和传统飞机制造炉一样坚固的复合材料，只消耗1%的能量。
接下来，研究人员寻找制造高性能复合材料的方法，而不需要使用大型高压高压锅。高压高压锅是一种体积巨大的容器，能够产生足够高的压力将材料挤压在一起，挤压出材料界面上的任何空隙或空气袋。
沃德尔说:“一种材料的每一层都有微小的表面粗糙度，当你把两层放在一起时，空气就会被困在粗糙的地方，这是一种复合材料的空洞和弱点的主要来源。”“高压锅可以把这些空隙推到边缘，然后去掉它们。”
包括沃德尔的团队在内的研究人员已经探索了“非高压釜”(OoA)技术，在不使用大型机器的情况下制造复合材料。但这些技术中的大多数已经制造出了复合材料，其中近1%的材料含有空隙，这可能会损害材料的强度和寿命。相比之下，在高压釜中制造的航空级复合材料质量如此之高，以至于它们所包含的任何空隙都是可忽略的，而且不容易测量。
“这些OoA方法的问题还在于，这些材料都是经过特殊配方的，没有一种适合用于机翼和机身等主要结构，”沃德尔说。“他们在二级结构上做了一些改动，比如门板和门，但还是会有空隙。”
稻草的压力
沃德尔的部分工作重点是开发纳米孔网络——由碳纳米管等排列整齐的微观材料制成的超薄薄膜，可以用特殊的性能进行设计，包括颜色、强度和电性能。研究人员想知道这些纳米孔薄膜是否可以用来代替巨大的高压锅来挤出两层材料之间的空隙，尽管这看起来不太可能。
碳纳米管薄膜有点像茂密的森林，树与树之间的空间就像纳米管或毛细血管一样。像吸管这样的毛细管可以根据其几何形状和表面能量，或者材料吸引液体或其他材料的能力来产生压力。
研究人员提出,如果一个碳纳米管薄膜被夹在两种材料,然后,随着材料加热软化,碳纳米管之间的毛细血管都应该有一个表面能和几何,这样他们会把材料在向对方,而不是留下一个空白。李计算出毛细管压力应该大于高压釜所施加的压力。
研究人员在实验室中测试了他们的想法，使用他们之前开发的技术，在垂直排列的碳纳米管上生长薄膜，然后将薄膜铺在通常用于制造主要飞机结构的高压灭菌釜的材料层之间。他们用第二层碳纳米管将这些层包裹起来，并施加电流使其升温。他们观察到，随着材料被加热和软化，它们被拉入中间碳纳米管薄膜的毛细血管中。
合成物缺乏空隙，类似于气溶胶级的合成物在高压釜中产生。研究人员对这些复合材料进行了强度测试，试图将它们分开，他们的想法是，如果存在空隙，将使这些层更容易分开。
“在这些测试中，我们发现我们的非高压釜复合材料与用于主要航空航天结构的金标准高压釜工艺复合材料一样坚固，”沃德尔说。
研究小组下一步将寻找方法来放大产生压力的碳纳米管薄膜。在他们的实验中，他们使用了几厘米宽的样品——大到足以证明纳米孔网络可以给材料加压并防止空洞的形成。为了使这一过程对整个机翼和机身的制造可行，研究人员必须找到在更大的规模上制造碳纳米管和其他纳米孔薄膜的方法。
沃德尔说:“有很多方法可以用这种材料制成非常大的毛毯，而且可以连续生产床单、纱线和成卷的材料。
他还计划探索纳米多孔薄膜的不同配方，设计不同表面能和几何形状的微血管，以便能够对其他高性能材料进行加压和粘合。
“现在我们有了这种新的材料解决方案，可以在你需要的地方按需提供压力，”沃德尔说。“除了飞机，世界上大多数的复合材料生产都是复合管道，水、天然气、石油，所有进出我们生活的东西。这可能会使所有这些东西，没有烤箱和高压锅的基础设施。”
这项研究部分得到了空中客车、ANSYS、巴西航空工业公司、洛克希德·马丁公司、萨博公司、Saertex公司和Teijin Carbon America公司通过麻省理工学院纳米复合航空航天结构(NECST)联盟的支持。
——文章发布于2020年1月13日
