p A fuselagem de um avião moderno é feita de várias folhas de diferentes materiais compostos, como tantas camadas em uma massa folhada. Uma vez que essas camadas são empilhadas e moldadas na forma de uma fuselagem, as estruturas são transportadas para fornos e autoclaves do tamanho de armazéns, onde as camadas se fundem para formar um resiliente, concha aerodinâmica. p Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um método para produzir compostos de grau aeroespacial sem os enormes fornos e vasos de pressão. A técnica pode ajudar a acelerar a fabricação de aviões e outros grandes, estruturas compostas de alto desempenho, como lâminas para turbinas eólicas.

p Os pesquisadores detalham seu novo método em um artigo publicado hoje na revista. Interfaces de materiais avançados .

p "Se você está fazendo uma estrutura primária como uma fuselagem ou asa, você precisa construir um vaso de pressão, ou autoclave, do tamanho de um prédio de dois ou três andares, que por si só requer tempo e dinheiro para pressionar, "diz Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica no MIT. "Essas coisas são peças enormes de infraestrutura. Agora podemos fazer materiais de estrutura primária sem pressão de autoclave, para que possamos nos livrar de toda essa infraestrutura. "

p Os co-autores de Wardle no artigo são o autor principal e pós-doutorado do MIT Jeonyoo Lee, e Seth Kessler da Metis Design Corporation, uma empresa de monitoramento de saúde estrutural aeroespacial com sede em Boston.

p Fora do forno, em um cobertor

p Em 2015, Lee liderou a equipe, junto com outro membro do laboratório de Wardle, na criação de um método para fazer compostos de grau aeroespacial sem a necessidade de um forno para fundir os materiais. Em vez de colocar camadas de material dentro de um forno para curar, os pesquisadores basicamente os envolveram em um filme ultrafino de nanotubos de carbono (CNTs). Quando eles aplicaram uma corrente elétrica ao filme, os CNTs, como um cobertor elétrico em nanoescala, calor gerado rapidamente, fazendo com que os materiais internos curem e se fundam.

p Com este fora do forno, ou OoO, técnica, a equipe foi capaz de produzir compostos tão fortes quanto os materiais feitos em fornos de fabricação de aviões convencionais, usando apenas 1 por cento da energia.

p Em seguida, os pesquisadores procuraram maneiras de fazer compostos de alto desempenho sem o uso de grandes, autoclaves de alta pressão - vasos do tamanho de edifícios que geram pressões altas o suficiente para pressionar os materiais juntos, espremendo quaisquer vazios, ou bolsas de ar, em sua interface.

p "Há rugosidade microscópica da superfície em cada camada de um material, e quando você coloca duas camadas juntas, o ar fica preso entre as áreas ásperas, que é a principal fonte de vazios e fraquezas em um composto, "Wardle diz." Uma autoclave pode empurrar esses vazios para as bordas e se livrar deles. "

p Pesquisadores, incluindo o grupo de Wardle, exploraram "fora da autoclave, "ou OoA, técnicas para fabricar compósitos sem usar as máquinas enormes. Mas a maioria dessas técnicas produziu compósitos onde quase 1 por cento do material contém vazios, o que pode comprometer a resistência e a vida útil de um material. Em comparação, os compósitos de grau aeroespacial feitos em autoclaves são de qualidade tão alta que quaisquer vazios que eles contenham são desprezíveis e dificilmente medidos.

p "O problema com essas abordagens OoA também é que os materiais foram especialmente formulados, e nenhum é qualificado para estruturas primárias, como asas e fuselagens, "Wardle diz." Eles estão fazendo algumas incursões em estruturas secundárias, como abas e portas, mas eles ainda têm vazios. "

p Pressão de palha

p Parte do trabalho de Wardle se concentra no desenvolvimento de redes nanoporosas - filmes ultrafinos feitos de alinhado, material microscópico, como nanotubos de carbono, que pode ser projetado com propriedades excepcionais, incluindo cor, força, e capacidade elétrica. Os pesquisadores se perguntaram se esses filmes nanoporosos poderiam ser usados ​​no lugar de autoclaves gigantes para espremer os vazios entre duas camadas de material, tão improvável quanto possa parecer.

p Uma fina película de nanotubos de carbono é algo como uma densa floresta de árvores, e os espaços entre as árvores podem funcionar como tubos finos em nanoescala, ou capilares. Um capilar, como um canudo, pode gerar pressão com base em sua geometria e energia de superfície, ou a capacidade do material de atrair líquidos ou outros materiais.

p Os pesquisadores propuseram que se um filme fino de nanotubos de carbono fosse imprensado entre dois materiais, então, à medida que os materiais foram aquecidos e amolecidos, os capilares entre os nanotubos de carbono devem ter uma energia de superfície e geometria de forma que atraiam os materiais um em direção ao outro, em vez de deixar um vazio entre eles. Lee calculou que a pressão capilar deveria ser maior do que a pressão aplicada pelas autoclaves.

p Os pesquisadores testaram sua ideia em laboratório, cultivando filmes de nanotubos de carbono alinhados verticalmente usando uma técnica que desenvolveram anteriormente, em seguida, colocar os filmes entre camadas de materiais que são normalmente usados ​​na fabricação de estruturas primárias de aeronaves baseadas em autoclave. Eles envolveram as camadas em um segundo filme de nanotubos de carbono, ao qual aplicaram uma corrente elétrica para aquecê-lo. Eles observaram que, à medida que os materiais aqueciam e amoleciam em resposta, eles foram puxados para os capilares do filme CNT intermediário.

p O composto resultante não tinha vazios, semelhantes aos compostos de grau aeroespacial que são produzidos em uma autoclave. Os pesquisadores submeteram os compósitos a testes de resistência, tentando separar as camadas, a ideia é que os vazios, se presente, permitiria que as camadas se separassem mais facilmente.

p "Nestes testes, descobrimos que nosso compósito fora de autoclave era tão forte quanto o compósito de processo de autoclave padrão-ouro usado para estruturas aeroespaciais primárias, "Wardle diz.

p A seguir, a equipe procurará maneiras de aumentar a escala do filme CNT gerador de pressão. Em seus experimentos, eles trabalharam com amostras medindo vários centímetros de largura - grandes o suficiente para demonstrar que redes nanoporosas podem pressurizar materiais e evitar a formação de vazios. Para tornar este processo viável para a fabricação de asas e fuselagens inteiras, os pesquisadores terão que encontrar maneiras de fabricar CNT e outros filmes nanoporosos em uma escala muito maior.

p "Existem maneiras de fazer cobertores realmente grandes com essas coisas, e há produção contínua de folhas, fios, e rolos de material que podem ser incorporados no processo, "Wardle diz.

p Ele planeja também explorar diferentes formulações de filmes nanoporosos, capilares de engenharia de energias e geometrias de superfície variáveis, ser capaz de pressurizar e colar outros materiais de alto desempenho.

p "Agora temos esta nova solução de material que pode fornecer pressão sob demanda onde você precisar, "Wardle diz." Além dos aviões, a maior parte da produção de compósitos no mundo é composta de tubos, Para água, gás, óleo, todas as coisas que entram e saem de nossas vidas. Isso pode fazer com que fazer todas essas coisas, sem a infraestrutura de forno e autoclave. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.