麻省理工学院朱棣文教授 麻省理工学院博士后李全友
学分:麻省理工学院的梅勒妮·戈尼克 现代飞机的机身是由多片不同的复合材料制成的，就像面团中的许多层一样
一旦这些层被堆叠并成型为机身的形状，这些结构就被推进仓库大小的烤箱和高压釜中，在那里这些层融合在一起形成一个有弹性的空气动力学外壳
现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种方法，不用巨大的烤箱和压力容器就能生产航空级复合材料
这项技术可能有助于加速飞机和其他大型高性能复合材料结构的制造，例如风力涡轮机的叶片
研究人员在今天发表在《高级材料界面》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的新方法
麻省理工学院航空航天学教授布莱恩·沃德尔说:“如果你在制作一个像机身或机翼这样的主要结构，你需要建造一个压力容器或高压灭菌器，其大小相当于两三层建筑，这本身就需要时间和金钱来加压。”
“这些东西是庞大的基础设施
现在我们可以不用高压灭菌器来制造主要的结构材料，所以我们可以去掉所有的基础设施
" 该论文的共同作者是首席作者和麻省理工学院博士后Jeonyoo Lee，以及位于波士顿的航天结构健康监测公司Metis Design Corporation的Seth Kessler
出了烤箱，变成了毯子 2015年，李和沃德实验室的另一名成员一起领导团队，创造了一种制造航空级复合材料的方法，而不需要烤箱来将材料熔合在一起
研究人员没有将多层材料放入烘箱中固化，而是将它们包裹在超薄的碳纳米管薄膜中
当他们在薄膜上施加电流时，碳纳米管就像一个纳米级的电热毯一样，迅速产生热量，使其中的材料固化并融合在一起
利用这种炉外技术，该团队能够生产出与传统飞机制造炉中材料一样坚固的复合材料，仅消耗1%的能量
接下来，研究人员寻找不使用大型高压灭菌器来制造高性能复合材料的方法，这种大型高压灭菌器可以产生足够高的压力来将材料压在一起，挤出界面上的任何空隙或气穴
“一种材料的每一层都有微观表面粗糙度，当你把两层放在一起时，空气会被困在粗糙的区域之间，这是复合材料中空隙和弱点的主要来源，”沃德尔说
“高压灭菌器可以将这些空洞推到边缘，并将其清除
" 包括沃德尔团队在内的研究人员已经探索出“高压釜外”或OoA技术，不用大型机器就能制造复合材料
但是这些技术中的大部分已经生产出了复合材料，其中近1%的材料含有空隙，这可能会损害材料的强度和寿命
相比之下，在高压灭菌器中制造的航空级复合材料的质量非常高，它们所包含的任何空隙都是不可忽略的，并且不容易测量
沃德尔说:“这些OoA方法的问题还在于，这些材料都是经过特殊配制的，没有一种适合机翼和机身等主要结构。”
“他们在二级结构方面取得了一些进展，如襟翼和门，但他们仍然有空隙
" 麻省理工学院的研究人员设计了一种方法，不用高压釜施加压力就可以制造高压釜配制的航空级先进碳纤维复合材料
复合材料的横截面显示，具有形貌受控的纳米尺度毛细管的纳米多孔膜在层状聚合物结构的界面处提供了所需的压力
学分:麻省理工学院 吸管压力 沃德尔的部分工作侧重于开发纳米多孔网络——由碳纳米管等排列有序的微观材料制成的超薄薄膜，可以被设计成具有特殊性能，包括颜色、强度和电容
研究人员想知道这些纳米多孔薄膜是否可以用来代替巨大的高压釜来挤出两个材料层之间的空隙，尽管这看起来不太可能
碳纳米管薄膜有点像浓密的树木森林，树木之间的空间可以像薄的纳米级管或毛细管一样发挥作用
毛细管(如吸管)可根据其几何形状和表面能，或材料吸引液体或其他材料的能力产生压力
研究人员提出，如果碳纳米管薄膜夹在两种材料之间，那么随着材料被加热和软化，碳纳米管之间的毛细管应该具有表面能和几何形状，使得它们将材料拉向彼此，而不是在它们之间留下空隙
Lee计算出毛细管压力应该大于高压灭菌器施加的压力
研究人员在实验室测试了他们的想法，使用他们以前开发的技术生长垂直排列的碳纳米管薄膜，然后将薄膜放在通常用于基于高压釜的主要飞机结构制造的材料层之间
他们将这些层包裹在第二层碳纳米管薄膜中，然后通过电流加热
他们观察到，随着材料的加热和软化，它们被拉入中间碳纳米管薄膜的毛细管中
得到的复合材料没有空隙，类似于在高压釜中生产的航空级复合材料
研究人员对复合材料进行了强度测试，试图将各层分开，这种想法是，如果存在空隙，将使各层更容易分离
“在这些测试中，我们发现我们的热压罐外复合材料与用于主要航天结构的金标准热压罐工艺复合材料一样坚固，”沃德尔说
该团队接下来将寻找扩大压力产生碳纳米管薄膜的方法
在他们的实验中，他们研究了几厘米宽的样本——大到足以证明纳米多孔网络可以给材料加压并防止空隙形成
为了使这种制造整个机翼和机身的工艺可行，研究人员必须找到大规模制造碳纳米管和其他纳米多孔薄膜的方法
沃德尔说:“有很多方法可以用这种材料制作非常大的毯子，而且可以在这个过程中连续生产纸张、纱线和成卷的材料。”
他还计划探索纳米多孔薄膜的不同配方，不同表面能和几何形状的工程毛细管，以便能够加压和粘合其他高性能材料
“现在我们有了这种新的材料解决方案，可以在你需要的地方提供按需压力，”沃德尔说
“除了飞机之外，世界上大多数复合材料产品都是复合管，用于水、气、油以及我们生活中进出的所有东西
这可以让所有这些东西的制造，没有烤箱和高压灭菌器的基础设施
"
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