麻省理工学院掀首飞机原料制造革命,空客、洛克希德马丁入场声援|独家专访

时间:2020-01-31 23:23来源:崇仁县怦自财经咨询网 点击:

原标题:麻省理工学院掀首飞机原料制造革命,空客、洛克希德马丁入场声援|独家专访

由复相符原料点燃的当代飞机制造的原料革命还在蔓延。现在在波音 737 和空客 A320 后续机型上,复相符原料在飞机组织重量的占比已经达到 50%~65% 。

所谓复相符原料,就是将迥异性质的原料组分优化组相符而成的新原料。众栽迥异的复相符原料制成当代飞机机身的过程,就像烤众层酥皮蛋糕相通。先将迥异的原料层堆叠在一首并塑造成机身的形状;然后,将这个组织推入到仓库大幼的 “烤箱” 和高压釜中。在那里,这些层逐渐融相符在一首,形成一个有卓异气动弹性特征的飞机外壳。

现在,麻省理工学院的工程师们开发了一栽无需重大的添炎炉子和压力容器,用幼幼的碳纳米管薄膜包裹在复相符原料之上,就能生产出航空级复相符原料的手段。而且,新手段所消耗的能量仅为传统制造手段的 1%。

这项技术将有助于添速飞机和其他大型高性能复相符组织的制造,比如风力涡轮机的叶片等。这也是人们首次在不幸用高压釜的情况下,制造航空级别的先辈复相符原料。这能够给复相符原料的制造带来另一场革命。

这项收获发外在最新一期的 Advanced Materials Interfaces 杂志上,麻省理工学院航空航天工程系教授、纳米复相符航空航天组织联盟(NECST)主席 Brian L. Wardle 带领航空航天工程系博士后钻研员 Jeonyoon Lee,以及现在在 Metis Design Corporation(一家航空组织健康监测公司)做事的 Seth Kessler 一路完善了该钻研。

DeepTech 与 Brian Wardle 教授就这项钻研突破进走了交流。Wardle 外示,这项钻研在行使层面上有着专门积极的意义,扩展了先辈复相符原料的生产工艺。同时,在节能和降矮生产成本角度也有着不凡的终局。

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图 | 教授 Brian Wardle(左)与博士后钻研员 Jeonyoon Lee(右)(来源:MIT)

性能达标,百倍节能

先辈复相符原料,自 20 世纪 60 年代行为一栽新原料兴首以后,与铝相符金、钛相符金、相符金钢一首成为航空航天的四大组织原料。由于其具有比强度和比刚度高、性能可设计,以及易于团体成型等众重上风,在飞机组织上采用先辈复相符原料会比通例的相符金原料减重 25%~30% ,并能清晰改善飞机气动弹性特性,挑高飞走性能。

因此,复相符原料在飞机组织重量的占比不息上升,从波音 747 的 1%、空客 A300 的 5%,添长到空客 A380 的 25%、波音 787 的 50%;现在在波音 737 和空客 A320 后续机型的设计中,复相符原料已经达到 50%~65% 的占比。

波音以 747 为例做过预估,机身每减轻 1kg,带来的耗油量的缩短,单架飞机一年便可众赚钱 2000 美元。以是,挑高先辈复相符原料在飞机组织设计中的占比、以及扩展其行使的部位成为了发展趋势,也成为衡量飞机先辈性的主要指标之一。不过,其生产制造的过程和成本也是让工程师们头疼的题目。

聚相符物基复相符原料的性能在纤维和树脂系统确定之后,主要决定于成型工艺。成型工艺基本在于两方面:一方面是成型,即把预浸料铺制成最后产品形状(清淡情况);另一方面则是固化,即把产品型的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素的影响下使形状固定下来,并达到预期的性能请求。

Brian Wardle 外示:“倘若想制造像机身或机翼云云的主体组织,人们必要建造一个两层或三层修建大幼的压力容器或高压釜,而这个过程必要时间和资金,由于都是些大周围的基础设施。而现在,吾们能够在不必高压釜的条件下制造初级组织原料,云云能够脱离一切有关基础设施的建设和投入。”

从 2015 年最先,Jeonyoon Lee 和 Wardle 实验室里的另别名钻研员一首,着手设计如何不行使添炎炉来将复相符原料融相符在一首。他们异国将叠层原料放入添炎炉中进走固化,而是将其包裹在一层超薄的碳纳米管(CNT)中。之后他们在薄膜上通电,让 CNTs 像纳米级电炎毯相通敏捷地产生炎量,从而使薄膜内的原料固化并融相符在一首。

图 | OoO 手段和传统手段所消耗的能量对比(来源:Brian Wardle)

行使这栽 “脱离添炎炉(OoO,out of oven)” 技术,钻研团队能够仅仅行使传统手段 1% 的能量,就能生产出已足飞机制造条件的、扎实的复相符原料。

接下来,钻研团队着手往追求不行使大型高压釜来制造高性能复相符原料的手段。高压釜是工业上在高压下操作的一栽逆答器,清淡在制造飞机行使的复相符原料时,必要一个修建大幼的容器才能够。其产生足以将众层原料挤压在一首的高压,同时,还将原料内部或界面上的任何孔隙或空气都挤出往。

图 | 采用双面添炎炉的真空袋式涂敷的 OoO 固化工艺(来源:Brian Wardle)

烦人的孔隙

固然先辈的复相符原料已在飞机组织上得以大周围的行使,但其并非是 “完善无瑕” 的。由于复相符原料不易断裂,这逆而让飞机修缮工程师们很难判定它的内部是否已经损坏。相比之下,相符金原料则能够议决金属探伤检测的手段查探原料的内部情况。话又说回来,复相符原料相较于相符金的上风之一也是后期矮廉的维护成本。

飞机所用的先辈复相符原料的毁伤题目,有极大一片面是在成型过程中产生的;而剩下的则是在装配过程中发生的。

对于制造过程中的缺陷题目,Wardle 外示:“原料的每一层都有微不都雅层级的外观粗糙度,当人们将两层相符在一首时,空气会被困在粗糙区域之间。这是复相符原料中孔隙和弊端的主要产生来源。高压釜的作用就是将这些孔隙推到原料边缘并挤出它们。”

Wardle 带领团队成员追求不必大型高压釜的手段——“OoA,out of autoclave”,想要在不行使大型设备的条件下制造复相符原料。现在,钻研团队设计出的 “OoA” 技术大众都能够已足周围化制造复相符原料的条件,但在生产的复相符原料中有近 1% 的原料内部含有孔隙,财经首页云云会损坏原料的强度和寿命。

为此,Wardle 通知 DeepTech, “这个孔隙率并不影响周围化的生产及最后产品的良品率。现在,现有制造水准的孔隙率也已足行使条件,这些 OoA 预浸料也被准许用于非主要航空航天组织上。而且,这栽程度的孔隙在其他类型的复相符原料制造过程中(比如树脂灌注模塑等)也很常见,并且能够授与。”

图 | “空中巨无霸”Airbus 380,行使大量先辈复材,技术与安详度取得成功,但商业需求上战败了。2019 年 2 月 14 日,空客宣布,将在 2021 年完善现有 A380 订单交付后停留生产该机型(来源:Airbus)

他还添添道:“ 吾们钻研的 OoA 手段现在在原料的适用周围上还有肯定节制,由于原料都是经过稀奇配制而成的。现在还异国一栽正当机翼和机身等主要组织的原料。不过,吾们的复相符原料在飞机的二级组织中得到了很大的行使,比如襟翼和门等部件。”

相比之下,性能外现最高、质量相对最益的航空级复相符原料照样还必要在高压釜中制造,由于能够近乎倾轧一切的孔隙,或者说很难检测出有题目的内部毁伤。但 Wardle 团队并未因此屏舍,照样不息探寻不必高压釜制造高级复相符原料的技术路径。功夫不负有意人,现在他们已经在钻研层面取得了很大突破。

告别高压釜

Brian Wardle 的片面钻研重点是开发纳米孔网络组织:一栽由微不都雅原料(如碳纳米管等)整齐排列而成的超薄薄膜。它能够被设计成各栽迥异且稀奇的原料性能,包括颜色、强度和电性能等。Wardle 想望望这些纳米孔薄膜是否能够用来代替重大的高压釜,将众层原料之间的闲逸挤出,尽管这望上往是不太能够的事情。

在微不都雅世界里,碳纳米管薄膜望首来有点儿像一片浓密的森林,而纳米管间极细的通道就如同树木之间的闲逸。这些纳米管能够生成基于其几何形状和外观能的压力,来获得从原料中吸引液体或其他物质的能力。

该项现在标主要操作者 Jeonyoon Lee 挑出,倘若一片碳纳米管薄膜被夹在两栽原料之中。然后,将其添炎,随着原料的升温文化,碳纳米管之间的通道答该会产生一个外观能,云云就能够把原料挤走而不是留下一个空白。Lee 议决计算,得出这栽有通道带来的 “外观能压力” 答该大于高压釜所施添的压力。

图 | 纳米孔网络的通道代替了高压釜压力来制造无孔隙的聚相符物众层先辈复相符原料(来源:Brian Wardle)

随后,他们在实验室里测试了这个思想。行使此前开发的技术,钻研人员在垂直排列的碳纳米管上滋长薄膜,然后将薄膜铺在清淡用于制造主要飞机组织的、必要高压釜制备的原料层之间。然后,再用第二层碳纳米管将一切原料层包裹首来,并施添电流使其升温。他们不都雅察到,随着原料被添炎和柔化,孔隙等内部缺陷被拉进了中心碳纳米管薄膜的通道中。

最后所得的复相符原料和在高压釜中生产的航空级复相符原料已相等相通,基本已异国任何孔隙。Jeonyoon Lee 考虑到倘若内部存在孔隙,原料内各层会更容易别离;以是他又对制造出的复相符原料进走了强度测试,试图将各层分开。但发现,该复相符原料已经结相符得相等牢固。

Wardle 对 DeepTech 说:“现在,在包括强度等性能测试中,吾们发现现有设计方案制成的先辈复相符原料与已足主要航空航天组织标准的、议决高压釜工艺生产的复相符原料已经是相通强的了。”

图 | 让飞机行使的复相符原料结相符得更牢固(来源:MIT/Christine Daniloff)

他外示,钻研团队在异日的做事是追求进一步扩大产生压力的碳纳米管(CNT)膜的手段。在现在的实验中,他们行使的是几厘米宽的样品,其大幼足以表明纳米孔网络能够对原料添压并防止形成孔隙。但为了使该工艺可用于制造整个机翼和机身这栽主要的航空航天组织,Wardle 团队必须找到大周围生产 CNT 或其他纳米众孔膜的手段。

Wardle 为此很有信念,他说:“有许众手段来大周围制造这栽纳米众孔膜,就像工厂里制作毯子相通。”他还计划追求更众迥异配方的纳米众孔膜,并设计迥异的几何形状通道和外观能,以便能够对其他高性能原料进走添压和粘相符。

“现在,吾们设计出的这栽新式原料解决方案,能够让人在任何的地方挑供必要的压力。” Wardle 说道, “除了飞机,世界上还有大量的由复相符原料制造的管道,它们被用于水、当然气、石油,以及生活中一切相通起伏或进出的场景。而这栽不必要添炎炉和高压釜的工艺,能够让这些产品的生产变得相等容易。”

这项钻研是一个能够直接转折复相符原料添工手段的行使,空客(Airbus)、洛克希德 · 马丁公司(Lockheed Martin Space Systems Company)和萨博防务公司(Saab AB)等众家有关企业都对这项钻研挑供了声援。

参考:

[2] “Aligned Carbon Nanotube Film Enables Thermally Induced State Transformations in Layered Polymeric Materials”,Jeonyoon Lee, Itai Y. Stein, Seth S. Kessler and Brian L. Wardle. Applied Materials & Interfaces, 2015

[3] Introduction to aerospace materials, Adrian P. Mouritz, Woodhead Publishing 2012, ISBN 978-1-85573-946-8

[4] http://news.mit.edu/2020/carbon-nanotubes-making-airplane-aerospace-parts

[5] https://aeroastro.mit.edu/brian-wardle

[6] http://www.mit.edu/directory/?id=jeonyoon&d=mit.edu&ln=Lee&gn=Jeonyoon

[7] https://www.metisdesign.com/

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