转机

新一代的飞机由轻量级的碳复合材料正在飞行。但这些材料都是他们吹捧,海莉桦树问道

乘坐飞机对象身体不同寻常的压力。除了10公里以上的心理创伤坚实的地面,里面的气氛一架喷气式飞机——尽管部分加压——类似于一半乞力马扎罗山;足够低,让脚和腿肿胀,增加深静脉血栓形成的风险。所以为什么不让事情更舒适通过提高压力接近海平面的东西?一个简单的解决方案,你可能认为。但它不是那么简单,如此高的舱内压力为传统的铝机身创建太多的压力。

使用复合材料,然而,波音似乎已经解决了这个问题。运营公司的新梦幻客机”略高舱压力由于略厚的机身,很大程度上是由碳纤维增强聚合物(CFRP)。按体积,每架飞机是80%复合材料——这些扩展到几乎每一个部分的飞机引擎。尽管笨重的机身,还有重量储蓄,从而展示两种复合材料的主要优势:力量和轻盈。

编织碳线程

英国化学家保罗·韦弗,专门研究开发的轻量级结构布里斯托尔大学的先进复合材料创新与科学中心(ACCIS)走在波音公司三年前的第一个梦想。“波音公司意识到碳纤维比铝轻40%,”他说。所以他们让机身更厚和牺牲一点重量储蓄,他们将有铝。但他们却轻解决方案和更高的内部压力意味着更好的小屋安慰。不仅如此,更轻的结构意味着降低燃油消耗,节省20%比其他飞机的大小。

这听起来像是对铝一切都结束了。好吧,也许不是。飞机部件制造商正面临着被巧妙将业内称为“挑战”使用复合材料。在应对这些挑战,新的制造工艺是新兴以及智能结构可以改变它们的属性,甚至模仿生物功能像疗愈自我修复。

然而,据韦弗行业现在面临的最紧迫的问题是制造足够的碳纤维来满足航空巨头波音和空中客车的要求。碳纤维增强塑料是非常薄的纤维的碳嵌入在一个环氧树脂矩阵。航空航天应用程序组件生产过程中,许多层的碳纤维在压力下建立,然后煮熟高压釜治愈和硬化的成分矩阵。底层之间的化学反应是一个copolymerisation短的树脂和高分子链单体化学硬化。半固化片的碳纤维,是一卷和已浸渍树脂,通常是用来加快这一进程。

没有绕过这一事实从复合材料飞机制造组件是慢,从铝比使其劳动密集型。然后模具生产模式出现之前第一个组件。韦弗指出,复合组件必须设计有较大的误差,由于不同的属性与每个纤维和矩阵的相关材料。准确预测的集体属性完成材料是困难的,因此,制造公差为铝复合材料往往比。

铺设在碳纤维预浸材料可以由一台机器,但实现最佳刚度和抗屈曲意味着精确裁剪方向的纤维。韦弗的团队已经开发出一种技术基于修改绣花机,针后溶解纤维与线程的地方。当我们解散那些针,剩下碳纤维,我们想要的方向,然后我们可以把树脂膜上,然后一层碳纤维然而我们希望它,”韦弗解释道。意料之中的是,方法是缓慢和产生缺陷。另外,溶解针进一步添加一个层的并发症已经艰苦使碳纤维增强塑料的过程。但是韦弗的一名同事,Byung Chul亲属,最近提出了一种改进的,几乎没有缺陷机器刚刚被授予一项专利。韦弗说,他预计使用它使空客a350 - 53%的复合喷气式飞机——在未来几年。

不过,工业固化过程是时间和能源消耗。布莱恩史密斯,波音研究复合材料与技术主任解释说,大多数目前碳纤维增强塑料复合材料生产的航空航天工业在高压釜在治愈180 ? C。最新进展的治愈能力之外的高压釜看起来很有希望,”他说。跳快步舞等公司在澳大利亚的客户包括空客和美国国防部声称能够令人印象深刻的节能高达85%的通过使用out-of-autoclave技术。齐步行进过程使用一个养护室包含液体迅速转移热量的材料和需要更短的热循环。这样做的优势降低了固化时间。与潜在的其他方法包括电子束、微波和红外固化。

裂缝显示

不幸的是,由于不可预知的性能,修复复合材料没有比让它们更加直接。修复铝是小事一桩,相比之下,韦弗说。这是相同的材料在各个方向,”他说。但在复合,编织在不同的地区是不同的,所以修理它是非常困难的。我不知道有任何特别优雅的修复方法。

目前,缺乏直接的修复策略复合材料航空工业大规模的财政负担的地方,一些人估计表明,复合材料的贡献飞机整体结构的增加,维护成本开始接近甚至超过燃料成本。作为邓肯Wass -韦弗的另一个同事指出的那样,这个逻辑必须绝对巨大的成本。在布里斯托尔大学的另一个部门,Wass,化学家与背景在石化和催化,正在一个非常有趣的解决方案——复合材料可以治愈自己。

这听起来可能像是科幻小说的领域,但Wass的方法来修复受损的飞机翅膀遵循生物学的例子。这基本上是我们的灵感来源人体,”他解释说。如果你得到削减,伤口流血,然后痂和治愈。我们试图使飞机翅膀,做同样的事情。”在他的团队的自愈系统,“切”是一个小裂缝损害引起的复合结构。这个破损小微胶囊材料中嵌入,释放治疗代理。

即将发表的论文中¹描述了团队如何使用scandium-based催化剂作为治疗“发起者”——类似于生物系统的炎症反应——开车胶囊中包含的环氧单体的聚合反应。其目的是填补裂缝之前,有机会成长。在人体内,影响不是即时的,但Wass声称他的自我修复材料可以恢复接近80%在48小时内原有的性能。

伊利诺伊大学香槟分校的我们,一个团队领导的自我修复材料专家Nancy Sottos斯科特白,多年来一直致力于类似capsule-based治疗系统。事实上,他们有一系列出版物致力于一个特定系统涉及dicyclopentadiene-containing微胶囊和ruthenium-based催化剂,实现治疗效率在80%的关口。²这些capsule-based方法的问题在于,胶囊内的愈合剂的能力是有限的,经过几轮的疗愈他们的商店变得枯竭。因此,self-healers香槟分校和布里斯托尔也探索其他方法;那些花bioinspired材料不在一个层次上。

2010年,赛托斯的小组报告将所谓的“血管”系统嵌入到一个环氧矩阵愈合裂缝材料。³这种血管方法结合渠道设计模仿人类血管循环系统。他们注入环氧树脂(愈合剂)和一个amidoamine固化剂替代层的通道,这两只会混合如果裂缝发生,切断了。我们发现,我们可以重复治疗即使我们破坏了网络,”赛托斯说。样品愈合通过13轮伤害和治疗,尽管最后一轮,治疗效率低于50%。他们还建议可以进一步扩展他们的材料的疗愈能力通过积极注入愈合剂时损坏。

长远的观点

但根据赛托斯,它可能是很长一段时间自我修复材料看到任何类似飞机。“新材料在航空航天工业生命周期很长,”她说。这需要很长一段时间他们在苍蝇的东西人类因为安全问题,因此,复合材料架空客a350和波音公司的梦想,这些都是20到30年前的复合材料。军用飞机和无人机可能是第一个测试候选人自修复材料。

复合材料工程主管佩里科恩α复合材料在白金汉,英国,说自修复复合材料是蓝天的东西,尽管他承认,需要更好的维修策略,尤其是被损坏的修复材料。”的一个主要问题与修复复合结构直到现在,如果烤箱的主要组件是由超过120 ?C,你如何修复领域?“让我们回到高压蒸汽过程的核心问题。科恩说低温树脂是一个狂热的研究领域在复合材料和树脂在50或60已经存在,会治好吗? C。因此,未来的复合生产过程应该结合低温和低能量固化过程有更好的修复的前景。

从科恩的观点来看,没有那么多的问题使复合材料的过程与工程师参与,其中许多人还没有与复合材料所需的不同的设计理念和仍在金属的方法。这是一个更为劳动密集型的过程,他说,但是提供了无与伦比的机会通过金属定制材料的方方面面。而一个铝组件必须从现有的金属加工,生产复合材料的过程是组件制造过程的一部分。科恩认为,如果设计得当,每个组件应充分优化。设计复合材料的秘诀就是设计复合材料,而不是使金属部件复合材料,”他说。有非凡的复合材料的性质,但你必须使用一个不同的心态在设计他们。”

值得付出努力

使用复合材料的优点远远大于缺点,根据科恩。如果有任何质疑这一曲折的制造工艺可以使这些数字加起来,韦弗看着他们从航空公司的观点。“为什么我们要用复合材料?因为重量储蓄是巨大的。这意味着持续的成本降低由于降低燃油消耗。最初,他们可能比铝更昂贵,但你必须因素寿命20年的每天使用的成本。因为他们更轻的材料,他补充说,也有可能使更大的飞机和给他们更多的乘客。这样或那样的方式,他们会让他们的钱。

海莉桦木是一个基于自由科学作家和编辑在布里斯托尔,英国