麻省理工學院博士後Jeonyoo Lee 圖片來源：麻省理工學院Melanie Gonick
現代飛機的機身是由多片不同的複合材料製成的，就像千層餅一樣。將這些多層材料拼接並通過模具成型為機身形狀後，將這些結構推入倉庫大小的烤箱和高壓釜中，在這裡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（MIT）的工程師已經開發出一種無需巨大的烤箱和高壓釜即可生產航空級複合材料的方法。該技術可能有助於加快飛機和其他大型高性能複合結構的製造，例如風力渦輪機的葉片。
研究人員在今天發表在Advanced Materials Interfaces雜誌上的一篇論文中詳細介紹了他們的新方法。
“如果要製造機身或機翼之類的主要結構，則需要建造一個壓力容器，其大小為兩層或三層建築的大小，加壓需要時間和金錢。”Brian Wardle麻省理工學院航空與航天學教授說：“這些都是龐大的基礎設施。現在，我們可以在沒有高壓釜的情況下製造主要結構材料，因此我們可以擺脫所有這些基礎設施。”
論文的共同作者是MIT的博士後Jeonyoo Lee，以及位於波士頓的航空結構健康監測公司（Metis Design Corporation）的Seth Kessler。
不用烤箱，用毯子
在2015年，Lee帶領團隊與Wardle實驗室的另一名成員一起，創造了一種製造航空級複合材料的方法，而無需使用烤箱將材料融合在一起。研究人員沒有將多層材料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並融合在一起。
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複合材料。
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複合材料。
當連接到電源時，薄膜會發熱，無需大型烤箱即可直接固化複合材料。圖片來源：Jose-Luis Olivares / M
接下來，研究人員尋找了不使用大型高壓釜的高性能複合材料的方法-大型容器產生足夠高的壓力以將材料壓在一起，從而將交界處的孔隙或氣穴擠出。
Wardle說：“材料的每一層都有微觀的表面粗糙度，當您將兩層合在一起時，空氣會被困在粗糙區域之間，這是複合材料中孔隙和弱點的主要來源。高壓釜可以將這些孔隙推到邊緣並消除它們。”
包括Wardle小組在內的研究人員已經探索了“高壓釜外”（OoA）技術，無需使用大型機器即可製造複合材料。但是，這些技術中的大多數生產出的複合材料，其中有近1％的材料含有孔隙，這會損害材料的強度和壽命。相比之下，用高壓釜製造的航空級複合材料具有很高的質量，它們幾乎無法測量出孔隙。
Wardle說：“這些OoA方法的問題還在於材料是經過特殊配製的，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，但它們仍然存在孔隙。”
麻省理工學院的研究人員已經設計出一種方法，可以在不使用高壓釜施加壓力的情況下，製造高壓釜配方的航空級高級碳纖維複合材料。複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。圖片來源：麻省理工學院
毛細作用
Wardle的部分工作重點在於開發納米多孔網絡，即由對齊的微觀材料（例如碳納米管）製成的超薄膜，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孔隙，但這似乎不太可能。
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毛細管一樣起作用。毛細管會根據幾何形狀、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，使得它們將兩側的材料吸向自己，而不是在它們之間留出孔隙。Lee計算得出，毛細管壓力可以大於高壓釜施加的壓力。
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，然後將薄膜放置在通常用於基於高壓釜的主要飛機結構製造中的材料層之間，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，然後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。
所得複合材料沒有孔隙，類似於在高壓釜中生產的航空級複合材料。研究人員對複合材料進行了強度測試，試圖將其分開，如果存在孔隙，則可使層更容易分離。
“在這些測試中，我們發現，我們的高壓釜外工藝生產的複合材料與高壓釜工藝複合材料一樣堅固。” Wardle說。
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，他們使用了幾釐米寬的樣本，樣本足夠大，足以證明納米孔網絡可以對材料加壓並防止形成孔隙。為了使該工藝可用於製造整個機翼和機身，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：“有很多方法可以製造大片的這種材料，並且可以連續生產可用於該工藝的片材、紗線和材料卷。”
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，世界上大多數用於水、天然氣、石油以及生活中所有液體進出的複合材料管道，可以在沒有烤箱和高壓釜等基礎設施的情況下製造出來。”
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
