現代飛機的機身是由多片不同的復合材料制成的，就像薄生面餅中的許多層一樣。將這些層堆疊并成型為機身形狀后，將這些結構推入倉庫大小的烤箱和高壓釜中，在此處將這些層融合在一起以形成有彈性的氣動外殼。

 

　　現在，麻省理工學院的工程師已經開發出一種無需巨大的烘箱和壓力容器即可生產航空級復合材料的方法。該技術可能有助于加快飛機和其他大型高性能復合結構的制造，例如風力渦輪機的葉片。

 

　　研究人員在今天發表在《高級材料界面》雜志上的一篇論文中詳細介紹了他們的新方法。

 

　　“如果要制造機身或機翼之類的主要結構，則需要建造一個壓力容器或高壓釜，其大小為兩層或三層建筑物的大小，這本身就需要時間和金錢來進行加壓，” Brian Wardle，麻省理工學院航空與航天學教授說。“這些東西是龐大的基礎設施?，F在，我們可以在沒有高壓釜壓力的情況下制造一級結構材料，因此我們可以擺脫所有這些基礎設施。”

 

　　Wardle在該論文的共同作者是MIT的主要作者，麻省理工學院的Jeonyoo Lee，以及位于波士頓的航空結構健康監測公司Metis Design Corporation的Seth Kessler。

 

　　不用烤箱，而是用毯子

 

　　在2015年，Lee帶領團隊與Wardle實驗室的另一名成員一起，創造了一種無需使用烤箱將材料融合在一起即可制造航空級復合材料的方法。研究人員沒有將材料層放在烤箱中進行固化，而是將它們包裹在碳納米管（CNT）的超薄膜中。當它們向薄膜施加電流時，CNT就像納米級電熱毯一樣，會迅速產生熱量，從而使其中的材料固化并融合在一起。

 

　　利用這種烤箱外（OoO）技術，該團隊僅使用1％的能量就能生產出與傳統飛機制造烤箱一樣堅固的復合材料。

 

　　接下來，研究人員尋找了無需使用大型高壓釜即可制造高性能復合材料的方法-大型容器產生的壓力足以將材料壓在一起，從而在界面處擠出任何空隙或氣穴。

 

　　Wardle說：“材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，當您將兩層放在一起時，空氣會被困在粗糙區域之間，這是復合材料中空隙和弱點的主要來源。” “高壓滅菌器可以將這些空隙推到邊緣并擺脫它們。”

 

　　包括Wardle小組在內的研究人員已經探索了“不用高壓釜”（OoA）技術，無需使用大型機器即可制造復合材料。但是，這些技術中的大多數已生產出復合材料，其中近1％的材料含有空隙，這會損害材料的強度和壽命。相比之下，用高壓滅菌器制造的航空級復合材料具有很高的質量，以至于它們所包含的任何空隙都可以忽略不計且不易測量。

 

　　Wardle說：“這些OoA方法的問題還在于材料是經過特殊配制的，而且沒有一種材料適合機翼和機身等主要結構。” “他們在輔助結構（例如襟翼和門）方面取得了一些進展，但它們仍然存在空隙。”

 

　　麻省理工學院的研究人員已經設計出一種方法，可以在不利用高壓釜施加壓力的情況下，制造高壓釜配方的航空級高級碳纖維復合材料。復合材料的橫截面表明，具有形態控制的納米級毛細管的納米多孔薄膜在層狀聚合物結構中的界面處提供了所需的壓力。
 

　　吸管壓力

 

　　Wardle的部分工作重點在于開發納米多孔網絡，即由對齊的微觀材料（例如碳納米管）制成的超薄膜，這些薄膜可以進行特殊設計，包括顏色，強度和電容量。研究人員想知道這些納米多孔膜是否可以代替巨大的高壓釜來擠壓兩個材料層之間的空隙，這似乎不太可能。

 

　　碳納米管薄膜有點像茂密的樹木林，樹木之間的空間可以像納米管或毛細管一樣起作用。諸如稻草之類的毛細管會根據其幾何形狀和表面能，或者該材料吸引液體或其他材料的能力而產生壓力。

 

　　研究人員提出，如果將碳納米管的薄膜夾在兩種材料之間，則隨著材料的加熱和軟化，碳納米管之間的毛細管應具有表面能和幾何形狀，以便它們將材料吸向每種材料，而不是在它們之間留出空隙。 Lee計算得出，毛細管壓力應大于高壓釜施加的壓力。

 

　　研究人員在實驗室中通過使用先前開發的技術生長垂直排列的碳納米管薄膜，然后將薄膜放置在通常用于基于高壓釜生產的主要飛機結構制造中的材料層之間，來測試他們的想法。他們將這些層包裹在第二層碳納米管薄膜中，然后施加電流對其進行加熱。他們觀察到，隨著材料的加熱和軟化，它們被拉入中間CNT膜的毛細管中。

 

　　所得復合材料沒有空隙，類似于在高壓釜中生產的航空級復合材料。研究人員對復合材料進行了強度測試，試圖將各層分開，其想法是，如果存在空隙，則可使各層更容易分離。

 

　　Wardle說：“在這些測試中，我們發現我們的高壓滅菌復合材料與用于主要航空航天結構的金標準高壓滅菌工藝復合材料一樣堅固。”

 

　　該團隊接下來將尋找擴大產生壓力的CNT膜的方法。在他們的實驗中，他們使用了幾厘米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網絡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翼和機身，研究人員將必須找到大規模生產CNT和其他納米多孔膜的方法。

 

　　Wardle說：“有很多方法可以制作這種毯子，而且可以連續生產片材，紗線和成卷的材料，”

 

　　他還計劃探索納米多孔膜的不同配方，具有不同表面能和幾何形狀的工程毛細管，以便能夠加壓和粘合其他高性能材料。

 

　　Wardle說：“現在，我們有了這種新的材料解決方案，可以在您需要的地方提供按需壓力。” “除了飛機，上大多數復合材料生產的復合材料管道都是用于水，天然氣，石油以及生活中所有進出的東西。這可以使所有這些東西變得沒有烤箱和高壓釜基礎設施。”