„Nanostiche“ ermöglichen leichtere und robustere Verbundwerkstoffe

Um Treibstoff zu sparen und Flugzeugemissionen zu reduzieren, wollen Ingenieure leichtere und stärkere Flugzeuge aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen bauen. Diese technischen Materialien bestehen aus Hochleistungsfasern, die in Polymerfolien eingebettet sind. Die Platten können gestapelt und zu einem mehrschichtigen Material gepresst und zu extrem leichten und langlebigen Strukturen verarbeitet werden.

Aber Verbundwerkstoffe weisen eine Hauptanfälligkeit auf: den Raum zwischen den Schichten, der typischerweise mit Polymer-„Kleber“ gefüllt ist, um die Schichten miteinander zu verbinden. Im Falle eines Aufpralls oder Schlags können sich Risse leicht zwischen den Schichten ausbreiten und das Material schwächen, auch wenn die Schichten selbst möglicherweise keine sichtbaren Schäden aufweisen. Wenn sich diese versteckten Risse im Laufe der Zeit zwischen den Schichten ausbreiten, könnte der Verbundwerkstoff plötzlich und ohne Vorwarnung zerbröckeln.

Jetzt haben MIT-Ingenieure gezeigt, dass sie die Ausbreitung von Rissen zwischen Verbundwerkstoffschichten mithilfe eines von ihnen entwickelten Ansatzes namens „Nano-Stitching“ verhindern können, bei dem sie chemisch gewachsene mikroskopisch kleine Wälder aus Kohlenstoffnanoröhren zwischen Verbundwerkstoffschichten anordnen. Die winzigen, dicht gepackten Fasern greifen und halten die Schichten wie ein ultrastarker Klettverschluss zusammen und verhindern so, dass sich die Schichten ablösen oder auseinanderscheren.

In Experimenten mit einem fortschrittlichen Verbundwerkstoff namens dünnschichtiges Kohlefaserlaminat zeigte das Team, dass durch Nanonähte verbundene Schichten die Rissbeständigkeit des Materials im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit herkömmlichen Polymeren um bis zu 60 Prozent verbesserten. Die Forscher sagen, dass die Ergebnisse dazu beitragen, die größte Schwachstelle bei fortschrittlichen Verbundwerkstoffen zu beheben.

„Genau wie Phyllo-Teig auseinanderfällt, können sich Verbundschichten lösen, weil dieser interlaminare Bereich die Achillesferse von Verbundwerkstoffen ist“, sagt Brian Wardle, Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT. „Wir zeigen, dass Nanonähte diesen normalerweise schwachen Bereich so stark und widerstandsfähig machen, dass dort kein Riss entstehen kann. Wir können also davon ausgehen, dass die nächste Generation von Flugzeugen über Verbundwerkstoffe verfügt, die mit diesem Nano-Klettverschluss zusammengehalten werden, um Flugzeuge sicherer und sicherer zu machen.“ haben eine längere Lebensdauer.

Wardle und seine Kollegen haben veröffentlicht ihre Ergebnisse im Journal ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen. Die Erstautorin der Studie ist die ehemalige MIT-Gaststudentin und Postdoktorandin Carolina Furtado, zusammen mit Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen und Pedro Camanho.

Waldwachstum

Am MIT ist Wardle Direktor des Nestled (ausgesprochen „nächstes Labor“), wo er und seine Gruppe erstmals das Konzept des Nano-Stitchings entwickelten. Der Ansatz besteht darin, einen Wald aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren zu „züchten“ – hohle Kohlenstofffasern, von denen jede so klein ist, dass Dutzende Milliarden Nanoröhren auf einer Fläche stehen können, die kleiner als ein Fingernagel ist.

Um die Nanoröhren wachsen zu lassen, nutzte das Team einen Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung, um mit verschiedenen Katalysatoren in einem Ofen zu reagieren, wodurch sich Kohlenstoff als winzige, haarähnliche Träger auf einer Oberfläche absetzte. Die Stützen werden schließlich entfernt und zurück bleibt ein dicht gepackter Wald aus mikroskopisch kleinen, vertikalen Kohlenstoffrollen.

Das Labor hat zuvor gezeigt, dass die Nanoröhrenwälder an Schichten aus Verbundmaterial wachsen und haften können und dass diese faserverstärkte Verbindung die Gesamtfestigkeit des Materials verbessert. Die Forscher hatten auch einige Anzeichen dafür gesehen, dass die Fasern die Widerstandsfähigkeit eines Verbundwerkstoffs gegenüber Rissen zwischen den Schichten verbessern könnten.

In ihrer neuen Studie untersuchten die Ingenieure den Zwischenschichtbereich in Verbundwerkstoffen genauer, um zu testen und zu quantifizieren, wie Nanonähte die Widerstandsfähigkeit des Bereichs gegen Risse verbessern würden. Die Studie konzentrierte sich insbesondere auf ein fortschrittliches Verbundmaterial, das als dünnschichtige Kohlefaserlaminate bekannt ist.

„Dies ist eine aufkommende Verbundstofftechnologie, bei der jede Schicht oder Lage etwa 50 Mikrometer dünn ist, im Vergleich zu Standard-Verbundlagen mit 150 Mikrometern, was etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. Es gibt Hinweise darauf, dass sie besser als der Standard sind.“ „Und wir wollten sehen, ob es Synergien zwischen unseren Nanonähten und dieser Dünnschichttechnologie geben könnte, da sie zu widerstandsfähigeren Flugzeugen, hochwertigen Luft- und Raumfahrtstrukturen sowie Raum- und Militärfahrzeugen führen könnte“, sagt Wardle.

Klettverschluss

Die Experimente der Studie wurden von Carolina Furtado geleitet, die sich 2016 im Rahmen des MIT-Portugal-Programms dem Projekt anschloss, das Projekt als Postdoktorandin fortführte und heute Professorin an der Universität Porto in Portugal ist, wo sich ihre Forschung auf Modellierung konzentriert Risse und Schäden in modernen Verbundwerkstoffen.

In ihren Tests nutzte Furtado die Techniken der Gruppe zur chemischen Gasphasenabscheidung, um dicht gepackte Wälder aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren wachsen zu lassen. Sie fertigte auch Muster dünnschichtiger Kohlefaserlaminate. Der resultierende fortschrittliche Verbundwerkstoff war etwa 3 Millimeter dick und bestand aus 60 Schichten, die jeweils aus steifen, horizontalen Fasern bestanden, die in eine Polymerfolie eingebettet waren.

Sie übertrug und klebte den Nanoröhrenwald zwischen die beiden mittleren Schichten des Verbundwerkstoffs und kochte das Material dann in einem Autoklaven, um es auszuhärten. Um die Rissbeständigkeit zu testen, platzierten die Forscher einen Riss am Rand des Verbundwerkstoffs, genau am Anfang des Bereichs zwischen den beiden Mittelschichten.

„Bei der Bruchprüfung beginnen wir immer mit einem Riss, weil wir testen wollen, ob und wie weit sich der Riss ausbreitet“, erklärt Furtado.

Anschließend platzierten die Forscher Proben des mit Nanoröhren verstärkten Verbundwerkstoffs in einem Versuchsaufbau, um ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber „Delamination“ oder der Möglichkeit einer Schichtentrennung zu testen.

„Es gibt viele Möglichkeiten, Vorläufer einer Delaminierung zu bekommen, beispielsweise durch Stöße, wie etwa durch Herabfallen von Werkzeugen, Vogelschlag oder Aufprall auf die Landebahn in Flugzeugen, und es kann fast kein sichtbarer Schaden sein, aber im Inneren kommt es zu einer Delaminierung“, sagt Wardle. „Genau wie bei einem Menschen ist es nicht gut, wenn man einen Haarbruch in einem Knochen hat. Nur weil man ihn nicht sehen kann, heißt das nicht, dass er keine Auswirkungen hat. Und Schäden an Verbundwerkstoffen sind schwer zu untersuchen.“

Um das Potenzial von Nanonähten zur Verhinderung einer Delaminierung zu untersuchen, platzierte das Team seine Proben in einem Aufbau, um drei Delaminierungsmodi zu testen, bei denen sich ein Riss über den Zwischenschichtbereich ausbreiten und die Schichten auseinanderlösen oder dazu führen könnte, dass sie gegeneinander gleiten oder a Kombination aus beidem. Alle drei dieser Modi sind die häufigsten Ursachen dafür, dass herkömmliche Verbundwerkstoffe intern abblättern und zerbröckeln können.

Die Tests, bei denen die Forscher genau die Kraft maßen, die erforderlich war, um die Schichten des Verbundwerkstoffs abzuziehen oder zu scheren, zeigten, dass die Nanonähte festhielten und der anfängliche Riss, den die Forscher verursachten, sich nicht weiter zwischen den Schichten ausbreiten konnte. Die nanogenähten Proben waren bis zu 62 Prozent robuster und widerstandsfähiger gegen Risse im Vergleich zu demselben fortschrittlichen Verbundmaterial, das mit herkömmlichen Polymeren zusammengehalten wurde.

„Dies ist eine neue Verbundtechnologie, die durch unsere Nanoröhren angetrieben wird“, sagt Wardle.

„Die Autoren haben gezeigt, dass dünne Lagen und Nanonähte zu einer deutlichen Steigerung der Zähigkeit geführt haben“, sagt Stephen Tsai, emeritierter Professor für Luft- und Raumfahrt an der Stanford University. „Verbundwerkstoffe werden durch ihre schwache interlaminare Festigkeit beeinträchtigt. Jede in dieser Arbeit gezeigte Verbesserung wird das zulässige Design erhöhen und das Gewicht und die Kosten der Verbundwerkstofftechnologie reduzieren.“

Die Forscher gehen davon aus, dass jedes Fahrzeug oder jede Struktur, die herkömmliche Verbundwerkstoffe enthält, durch Nanonähte leichter, robuster und widerstandsfähiger gemacht werden könnte.

„Sie könnten problematische Bereiche selektiv verstärken, um Löcher oder Schraubverbindungen oder Stellen zu verstärken, an denen es zu Delamination kommen könnte“, sagt Furtado. „Das eröffnet ein großes Fenster an Möglichkeiten.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.