麻省理工学院，多种不同的复合材料制成现代飞机机身

2022-09-09 11:45:11 来源：网络 作者：朗阁小编

由复合材料点燃的现代飞机制造的材料革命仍在蔓延。现在在波音737和空客A在320后续模型中，复合材料在飞机结构重量中的比重已经达到50%~65%。 所谓的复合材料是一种结合不同特性的新材料。各种不同的复合材料制成现代飞机机身的过程，就像烘焙多层糕点蛋糕一样。首先将不同的材料的材料堆叠在一起，形成机身的形状；然后将结构推到烤箱和高压釜的仓库大小。在那里，这些层逐渐融合在一起，形成

由复合材料点燃的现代飞机制造的材料革命仍在蔓延。现在在波音737和空客A在320后续模型中，复合材料在飞机结构重量中的比重已经达到50%~65%。

所谓的复合材料是一种结合不同特性的新材料。各种不同的复合材料制成现代飞机机身的过程，就像烘焙多层糕点蛋糕一样。首先将不同的材料的材料堆叠在一起，形成机身的形状；然后将结构推到烤箱和高压釜的仓库大小。在那里，这些层逐渐融合在一起，形成一个具有良好气动弹性特性的飞机外壳。

今天，麻省理工学院的工程师们开发了一种生产航空级复合材料的方法，无需巨大的加热炉和压力容器，用小的碳纳米管膜包裹复合材料。此外，新方法消耗的能源仅为传统制造方法的1%。

这项技术将有助于加速制造飞机和其他大型高性能复合结构，如风力涡轮机的叶片。这也是我们*次在不使用高压釜的情况下制造先进的航空复合材料。这可能会给复合材料的制造带来另一场革命。

这项成果发表在*一期AdvancedMaterialsInterfaces在该杂志上，麻省理工学院航空航天工程系教授，纳米复合航空航天结构联盟（NECST）主席BrianL.Wardle带领航空航天工程系博士后研究员JeonyoonLee，以及如今在MetisDesignCorporation(一家航空结构健康监测公司)工作SethKessler这项研究一同完成。

DeepTech与BrianWardle教授就这一研究突破进行了交流。Wardle他说，这项研究在应用层面具有非常积极的价值，并扩大了先进复合材料的生产技术。同时，它在节能和降低生产成本方面也具有良好的效果。

性能达标，百倍节能

自20世纪60年代作为一种新材料兴起以来，先进复合材料已与铝合金、钛合金和合金钢一起成为航空航天的四大结构材料。由于其强度高、比刚度高、性能可设计、整体成型方便等多重优点，在飞机结构上选择先进复合材料的重量比传统合金产品低25%~30%，并能显著*飞机的气动弹性，*飞行性能。

因此，从波音747的1%到空客，复合材料在飞机结构中的比重不断上升A300%增长到空客A380%的25%，波音787的50%；现在是波音737和空客A在320后续机型的设计中，复合材料已达到50%~65%的占比。

以747为例，波音做了一个估计，机身每缓解1kg，随着燃油消耗量的减少，一架飞机每年可以多赚2000美元。因此，*飞机结构设计中先进复合材料的比例，扩大其应用已成为一种发展趋势，成为衡量飞机创新的重要指标之一。然而，制造过程和成本也是工程师们头疼的问题。

纤维和树脂系统确定后，聚合物基复合材料的性能主要取决于成型工艺。成型工艺基本上有两个方面：一方面是成型，即将预浸材料铺设成*终产品形状（一般情况）；另一方面是固化，即在温度、时间、压力等因素的影响下，固定产品类型的层压预浸材料形状，满足预期性能要求。

BrianWardle他说：如果你想建造一个主体结构，如机身或机翼，你需要建造一个双层或三层建筑大小的压力容器或高压釜，这个过程需要时间和资金，因为它们是大型基础设施。现在，我们可以在不使用高压釜的情况下制造初级结构材料，这可以摆脱所有相关基础设施的建设和投资。

从2015年开始，JeonyoonLee和Wardle另一位实验室研究人员一起，开始设计如何不用加热炉将复合材料融合在一起。他们没有将层压材料放入加热炉中固化，而是将其包裹在一层超薄的碳纳米管中（CNT）中。之后，他们在薄膜上通电，让CNTs热量像纳米电热毯一样*产生，从而使薄膜中的材料固化融合在一起。

使用这种分离加热炉（OoO，outofoven）技术，研究团队可以用传统的1%能量，生产出坚固的复合材料，满足飞机制造的要求。

接下来，研究小组开始寻找不使用大型高压釜制造高性能复合材料的方法。高压釜是一种在高压下工业控制的反应器。通常，在制造飞机使用的复合材料时，它需要一个建筑大小的容器。它产生足够的高压来挤压多层材料。同时，它还挤出材料内部或界面上的所有孔隙或气体。

烦人的孔隙

虽然先进的复合材料在飞机结构中得到了广泛的应用，但它们并不完美。由于复合材料不易断裂，飞机维修工程师很难判断其内部是否损坏。相比之下，合金产品可以通过金属探伤检测来检测材料的内部状况。换句话说，与合金相比，复合材料的优势之一也是后期维护成本低。

在成型过程中，飞机上使用的先进复合材料的损伤问题很大一部分；其余的都是在安装过程中发生的。

对于制造过程中的缺陷，Wardle他说：材料的每一层都有微观层的表面粗糙度。当人们将双层结合在一起时，气体将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。高压釜的作用是将这些孔推到材料的边缘并挤出它们。

Wardle带领团队成员探索不使用大型高压釜的方法——OoA，outofautoclave，希望在不使用大型设备的情况下制造复合材料。目前，研究小组设计了OoA大多数技术可以满足大规模复合材料制造的条件，但近1%的复合材料含有孔隙，这将损害材料的强度和使用寿命。

因此，Wardle告知DeepTech，这种孔隙率不会影响大规模生产和*终产品的成品率。目前制造水平的孔隙率也符合应用条件，这些都符合应用条件OoA预浸料也被允许用于非主要航空航天结构。此外，这种水平的孔隙在制造其他类型的复合材料（如树脂灌注成型等）时也很常见，并且可以接受。

图|空中巨无霸Airbus380，采用了大量先进的复合材料，技术和舒适度都取得了成功，但商业需求却失败了。2019年2月14日，空客宣布将于2021年完成A380订单交付后停止生产模型(来源:Airbus）

他补充道：我们正在研究OoA该方法对材料的应用范围仍有一定的限制，因为材料是特殊制备的。目前还没有适合机翼和机身等主要结构的材料。然而，我们的复合材料已经被广泛应用于飞机的二级结构，如襟翼和门。

相比之下，性能*、质量*好的航空级复合材料仍然需要在高压釜中制造，因为它几乎可以消除所有孔隙，或者很难检测到有问题的内部损伤。Wardle团队没有放弃，而是继续探索不使用高压釜制造高级复合材料的技术路径。有志者事竟成。现在他们在研究方面取得了重大突破。

告别高压釜

BrianWardle一些研究的重点是开发纳米孔网络结构：一种由微材料（如碳纳米管）整齐排列的超薄膜。它可以设计成各种不同和特殊的材料性能，包括颜色、强度和电气性能。Wardle想要看看这些纳米孔膜是否可以用来代替巨大的高压釜，挤出多层材料之间的缝隙，尽管这似乎是不可能的。

在微观*中，碳纳米管膜看起来有点像一片茂密的森林，而纳米管之间的极细通道就像树木之间的缝隙。这些纳米管可以根据其几何形状和表面能量产生压力，以获得从材料中吸引液体或其他物质的能力。

项目的主要操作人员JeonyoonLee建议如果将碳纳米管薄膜夹在两种材料中。然后，加热它。随着材料的升温，碳纳米管之间的通道应该产生一个表面能，这样材料就可以被挤走，而不是留下一个空白。Lee通过计算，这种通道带来的表面能压应大于高压釜施加的压力。

后来，他们在实验室测试了这个想法。研究人员利用之前开发的技术，在垂直排列的碳纳米管上生长薄膜，然后在需要高压釜制备的材料层之间铺设薄膜，一般用于制造主要飞机结构。然后，用第二层碳纳米管包裹所有材料层，并施加电流使其升温。他们观察到，随着材料的加热和软化，孔隙等内部缺陷被拉入中间碳纳米管膜的通道中。

*终获得的复合材料与高压釜制造的航空级复合材料非常相似，基本没有孔隙。JeonyoonLee考虑到内部有孔隙，材料中的每一层都更容易分离；因此，他对制造的复合材料进行了强度测试，并试图分离每一层。然而，人们发现复合材料结合得相当牢固。

Wardle对DeepTech他说：目前，在强度等功能测试中，我们发现目前方案设计和制造的先进复合材料与通过高压釜工艺制造的符合主要航空航天结构标准的复合材料一样强。

他说，研究小组未来的工作是寻找碳纳米管，以进一步扩大压力（CNT）膜的方法。在目前的实验中，他们使用了几厘米宽的样品，这足以*纳米孔网络可以加压材料，避免孔隙。然而，为了使这一过程能够用于制造整个机翼和机身的主要航空航天结构，Wardle团队必须找到大规模生产CNT或者其他纳米多孔膜的方法。

Wardle因此，他非常自信。他说：大规模制造这种纳米多孔膜的方法有很多，就像在工厂制造毯子一样。他还计划探索更多不同配方的纳米多孔膜，并设计不同的几何通道和表面能量，以便对其他高性能材料进行压缩和粘合。