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機翼和機身的復合材料。

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現(xiàn)對復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合物，加熱的薄膜就能激發(fā)高分子凝固。

應(yīng)用于機翼和機身的復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時開始萎縮然后凝固成一個固體的彈性材料。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，最后才是真正的復合物。

MIT的研究人員在常見的應(yīng)用于飛機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)爐子強度一樣的復合材料—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現(xiàn)對復合材料的加工

熱量產(chǎn)生

研究團隊首先研發(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。研究者利用一個棒水平的纏繞碳管，形成一個致密的對齊的碳管薄膜。

在最初的實驗中，MIT的研究團隊通過傳統(tǒng)的基于熱爐的修復方法將薄膜整合成機翼，發(fā)現(xiàn)當施加電壓時，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翼和機身的航空級復合物的能力。正常情況下，這種16層的復合材料在一個高溫的工業(yè)熱爐中會固化或交聯(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，同時加熱薄膜和內(nèi)部的在Cycom 5320-1材料層里的高分子。

MIT團隊測定了固化或交聯(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)熱爐方法修復復合物用電量的百分之一。這種方法制備的復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現(xiàn)對復合材料的加工

　　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)的復合材料。

他說：通常，如果你想制作一個空中巴士A350或波音787的機身，你必須擁有一個四層的爐子，還需要花費幾千萬美元建設(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和復合物嚙合在一起，增加的重量根本微不足道。

Wardle又說：研究團隊也測試了薄膜產(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，這是薄膜可以實現(xiàn)的。

該團隊目前致力于與工業(yè)伙伴合作來尋找推廣這項技術(shù)來制備足夠大的復合材料用于機翼和機身的方法。

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。我不認為這是一個挑戰(zhàn)，但是這是必須做的。

航空應(yīng)用

MIT的計算力學教授Gregory Odegard說，碳納米管薄膜團隊可能會繼續(xù)提高大型復合材料制備的質(zhì)量和效率，例如商用飛機的機翼。這項新技術(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合物的創(chuàng)新和復合材料應(yīng)用和性能上可能的提升。

這項研究由空中巴士、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驗室、美國陸軍研究室部分贊助。

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