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2024-04-17 02:47:22
燃料を節約し、航空機の排出ガスを削減するために、エンジニアは先進的な複合材料からより軽量でより強力な航空機を構築することを目指しています。 これらの人工材料は、ポリマーシートに埋め込まれた高性能繊維から作られています。 シートは積み重ねてプレスして 1 つの多層材料にすることができ、非常に軽量で耐久性のある構造を作ることができます。
しかし、複合材料には主な脆弱性が 1 つあります。それは、層間のスペースであり、このスペースには通常、層を結合するためにポリマー「接着剤」が充填されます。 衝撃や打撃があった場合、層自体に目に見える損傷がない場合でも、亀裂が層間に容易に広がり、材料が弱くなる可能性があります。 時間の経過とともに、これらの隠れた亀裂が層間で広がると、複合材料は警告なしに突然崩壊する可能性があります。
今回、MITの技術者らは、複合材料の層間に化学的に成長させたカーボンナノチューブの微細な森を堆積させる「ナノステッチング」と呼ばれる開発したアプローチを使用して、複合材料の層間に亀裂が広がるのを防ぐことができることを示した。 非常に強力なベルクロのように、小さく高密度の繊維が層をしっかりと掴んで保持し、層が剥がれたり裂けたりするのを防ぎます。
薄層炭素繊維ラミネートとして知られる先進的な複合材料を用いた実験で、チームは、ナノステッチで結合された層により、従来のポリマーを含む複合材料と比較して、材料の亀裂に対する耐性が最大60パーセント向上することを実証しました。 研究者らは、この結果は先進的な複合材料の主要な脆弱性に対処するのに役立つと述べている。
「フィロ生地が剥がれ落ちるのと同じように、この層間領域が複合材料のアキレス腱であるため、複合材料の層も剥がれる可能性があります」と、MIT の航空宇宙学教授ブライアン ウォードル氏は言います。 「私たちは、ナノステッチによって、通常弱いこの領域が非常に強くて丈夫になり、亀裂が成長しないことを示しています。したがって、次世代の航空機では、このナノベルクロで結合された複合材料が使用され、航空機がより安全で安全なものになることが期待できます。寿命が長くなります。」
ウォードルと彼の同僚は今日、その結果をジャーナルに発表しました ACS アプライド マテリアルズとインターフェイス。 この研究の筆頭著者は、リード・コップ氏、シンチェン・ニー氏、カルロス・サラド氏、エステル・カルフォン＝コーエン氏、ペドロ・カマンホ氏とともに、元MIT客員大学院生でポスドクのカロリーナ・ファータド氏である。
森林の成長
MIT では、ウォードル氏は necstlab (「ネクスト ラボ」と発音) の所長を務めており、同氏と彼のグループが最初にナノステッチングのコンセプトを開発した場所です。 このアプローチには、垂直に整列したカーボン ナノチューブ (炭素の中空繊維) の森を「成長させる」ことが含まれます。カーボン ナノチューブはそれぞれ非常に小さいため、指の爪よりも小さな領域に何百億ものナノチューブが立つことができます。 ナノチューブを成長させるために、研究チームは化学蒸着プロセスを使用してオーブン内でさまざまな触媒を反応させ、炭素を小さな髪の毛のような担体として表面に沈着させた。 最終的にサポートは取り除かれ、後には微細な垂直方向の炭素の密集した森が残ります。
研究室は以前、ナノチューブフォレストが成長して複合材料の層に付着することができ、この繊維強化化合物が材料の全体的な強度を向上させることを示した。 研究者らはまた、繊維が層間の亀裂に対する複合材料の耐性を向上させる可能性があるという兆候も見ていた。
新しい研究では、エンジニアらは複合材の層間領域をより詳しく調べて、ナノステッチングがその領域の亀裂に対する耐性をどのように改善するかをテストし、定量化しました。 特に、この研究は、薄層炭素繊維ラミネートとして知られる先進的な複合材料に焦点を当てました。
「これは新たな複合技術であり、各層またはプライの薄さは約 50 ミクロンですが、標準的な複合プライの厚さは 150 ミクロンで、これは人間の髪の毛の直径とほぼ同じです。標準よりも優れていることを示す証拠があります。」そして、より弾力性のある航空機、高価値の航空宇宙構造物、宇宙および軍用車両につながる可能性があるため、私たちのナノステッチングとこの薄層技術の間に相乗効果があるかどうかを確認したかったのです」とウォードル氏は言う。
ベルクログリップ
この研究の実験を主導したカロリーナ・フルタド氏は、2016年にMITとポルトガルのプログラムの一環としてこの取り組みに参加し、ポスドクとしてプロジェクトを継続し、現在はポルトガルのポルト大学の教授であり、彼女の研究はモデリングに焦点を当てている。先進的な複合材料の亀裂や損傷。
フルタド氏はテストで、同グループの化学蒸着技術を使用して、垂直に整列したカーボン ナノチューブの密集したフォレストを成長させた。 彼女はまた、薄層炭素繊維ラミネートのサンプルも作製しました。 得られた高度な複合材料は厚さ約 3 ミリメートルで、60 層で構成され、各層はポリマーシートに埋め込まれた硬い水平繊維で作られていました。
彼女は複合材料の 2 つの中間層の間にナノチューブ フォレストを移して接着し、材料をオートクレーブで加熱して硬化させました。 亀裂耐性をテストするために、研究者らは複合材料の端、つまり 2 つの中間層の間の領域の開始位置に亀裂を入れました。
「破壊試験では、常に亀裂から開始します。亀裂が広がるかどうか、どのように、どこまで広がるかをテストしたいからです」とフルタド氏は説明します。
研究者らはその後、ナノチューブ強化複合材料のサンプルを実験装置に配置し、「層間剥離」に対する復元力、つまり層が分離する可能性をテストした。
「工具の落下、鳥の衝突、航空機の滑走路のキックアップなどの衝撃によるものなど、剥離の前兆が起こる可能性はたくさんあります。目に見える損傷はほとんどない可能性がありますが、内部的には剥離が発生しています」とワードル氏は言います。 「人間と同じように、骨の生え際に骨折があれば、それは良くありません。見えないからといって、影響を受けていないというわけではありません。また、複合材料の損傷を検査するのは困難です。」
層間剥離を防ぐナノステッチングの可能性を調べるために、チームはサンプルをセットアップに配置して 3 つの層間剥離モードをテストしました。このモードでは、亀裂が層間領域に広がり、層が剥がれたり、層が互いに滑ったりする可能性があります。両方の組み合わせ。 これら 3 つのモードはすべて、従来の複合材料が内部で剥離したり崩れたりする最も一般的な方法です。
研究者らが複合材料の層を剥離または剪断するのに必要な力を正確に測定したこのテストでは、ナノステッチがしっかりと保持され、研究者が作った最初の亀裂が層間にさらに広がることができないことが明らかになった。 ナノステッチされたサンプルは、従来のポリマーで結合された同じ先進的な複合材料と比較して、最大 62% 靭性が高く、亀裂に対する耐性が高かった。
「これは、当社のナノチューブによってターボチャージされた新しい複合技術です」とワードル氏は言う。
研究者らは、従来の複合材料を組み込んだあらゆる乗り物や構造物を、ナノステッチングによってより軽量、より強靱で、より弾力性のあるものにすることができると構想しています。
「問題のある領域を選択的に補強して、穴やボルトで締めた接合部、または層間剥離が発生する可能性のある場所を補強することができます」とフルタド氏は言います。 「これは大きなチャンスの窓を開きます。」
#ナノステッチによりより軽くて丈夫な複合材料が実現