麻省理工学院博士后Jeonyoo Lee 图片来源：麻省理工学院Melanie Gonick
现代飞机的机身是由多片不同的复合材料制成的，就像千层饼一样。将这些多层材料拼接并通过模具成型为机身形状后，将这些结构推入仓库大小的烤箱和高压釜中，在这里将这些层融合在一起以形成有弹性的气动外壳。
现在，麻省理工学院（MIT）的工程师已经开发出一种无需巨大的烤箱和高压釜即可生产航空级复合材料的方法。该技术可能有助于加快飞机和其他大型高性能复合结构的制造，例如风力涡轮机的叶片。
研究人员在今天发表在Advanced Materials Interfaces杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的新方法。
“如果要制造机身或机翼之类的主要结构，则需要建造一个压力容器，其大小为两层或三层建筑的大小，加压需要时间和金钱。”Brian Wardle麻省理工学院航空与航天学教授说：“这些都是庞大的基础设施。现在，我们可以在没有高压釜的情况下制造主要结构材料，因此我们可以摆脱所有这些基础设施。”
论文的共同作者是MIT的博士后Jeonyoo Lee，以及位于波士顿的航空结构健康监测公司（Metis Design Corporation）的Seth Kessler。
不用烤箱，用毯子
在2015年，Lee带领团队与Wardle实验室的另一名成员一起，创造了一种制造航空级复合材料的方法，而无需使用烤箱将材料融合在一起。研究人员没有将多层材料放在烤箱中进行固化，而是将它们包裹在碳纳米管（CNT）的超薄薄膜中。当它们向薄膜施加电流时，CNT就像纳米级电热毯一样，会迅速产生热量，从而使其中的材料固化并融合在一起。
利用这种“烤箱外”（OoO）技术，该团队仅使用1％的能量就能生产出与传统飞机制造烤箱一样坚固的复合材料。
利用这种“烤箱外”（OoO）技术，该团队仅使用1％的能量就能生产出与传统飞机制造烤箱一样坚固的复合材料。
当连接到电源时，薄膜会发热，无需大型烤箱即可直接固化复合材料。图片来源：Jose-Luis Olivares / M
接下来，研究人员寻找了不使用大型高压釜的高性能复合材料的方法-大型容器产生足够高的压力以将材料压在一起，从而将交界处的孔隙或气穴挤出。
Wardle说：“材料的每一层都有微观的表面粗糙度，当您将两层合在一起时，空气会被困在粗糙区域之间，这是复合材料中孔隙和弱点的主要来源。高压釜可以将这些孔隙推到边缘并消除它们。”
包括Wardle小组在内的研究人员已经探索了“高压釜外”（OoA）技术，无需使用大型机器即可制造复合材料。但是，这些技术中的大多数生产出的复合材料，其中有近1％的材料含有孔隙，这会损害材料的强度和寿命。相比之下，用高压釜制造的航空级复合材料具有很高的质量，它们几乎无法测量出孔隙。
Wardle说：“这些OoA方法的问题还在于材料是经过特殊配制的，而且没有一种材料适合机翼和机身等主要结构。他们在辅助结构（例如襟翼和门）方面取得了一些进展，但它们仍然存在孔隙。”
麻省理工学院的研究人员已经设计出一种方法，可以在不使用高压釜施加压力的情况下，制造高压釜配方的航空级高级碳纤维复合材料。复合材料的横截面表明，具有形态控制的纳米级毛细管的纳米多孔薄膜在层状聚合物结构中的界面处提供了所需的压力。图片来源：麻省理工学院
毛细作用
Wardle的部分工作重点在于开发纳米多孔网络，即由对齐的微观材料（例如碳纳米管）制成的超薄膜，这些薄膜可以进行特殊设计，包括颜色、强度和电容量。研究人员想知道这些纳米多孔膜是否可以代替巨大的高压釜来挤压两个材料层之间的孔隙，但这似乎不太可能。
碳纳米管薄膜有点像茂密的树木林，树木之间的空间可以像毛细管一样起作用。毛细管会根据几何形状、表面能或者该材料吸引液体或其他材料的能力而产生压力。
研究人员提出，如果将碳纳米管的薄膜夹在两种材料之间，则随着材料的加热和软化，碳纳米管之间的毛细管应具有表面能和几何形状，使得它们将两侧的材料吸向自己，而不是在它们之间留出孔隙。Lee计算得出，毛细管压力可以大于高压釜施加的压力。
研究人员在实验室中通过使用先前开发的技术生长垂直排列的碳纳米管薄膜，然后将薄膜放置在通常用于基于高压釜的主要飞机结构制造中的材料层之间，来测试他们的想法。他们将这些层包裹在第二层碳纳米管薄膜中，然后施加电流对其进行加热。他们观察到，随着材料的加热和软化，它们被拉入中间CNT膜的毛细管中。
所得复合材料没有孔隙，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，试图将其分开，如果存在孔隙，则可使层更容易分离。
“在这些测试中，我们发现，我们的高压釜外工艺生产的复合材料与高压釜工艺复合材料一样坚固。” Wardle说。
该团队接下来将寻找扩大产生压力的CNT膜的方法。在他们的实验中，他们使用了几厘米宽的样本，样本足够大，足以证明纳米孔网络可以对材料加压并防止形成孔隙。为了使该工艺可用于制造整个机翼和机身，研究人员将必须找到大规模生产CNT和其他纳米多孔膜的方法。
Wardle说：“有很多方法可以制造大片的这种材料，并且可以连续生产可用于该工艺的片材、纱线和材料卷。”
他还计划探索纳米多孔膜的不同配方，具有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。
Wardle说：“现在，我们有了这种新的材料解决方案，可以在您需要的地方提供按需压力。除了飞机，世界上大多数用于水、天然气、石油以及生活中所有液体进出的复合材料管道，可以在没有烤箱和高压釜等基础设施的情况下制造出来。”
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