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MIT produziert Verbundwerkstoffe für die Luftfahrt ohne Ofen oder Autoklaven

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Neue Forschungen zu Kohlenstoff-Nanoröhren-Filmen könnten die Herstellung von Luft- und Raumfahrttechnik vereinfachen.

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Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickeln ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen in Luft- und Raumfahrtqualität ohne die enormen Öfen und Druckbehälter, die derzeit bei diesem Prozess verwendet werden. Die Technik kann dazu beitragen, die Herstellung von Flugzeugen und anderen großen, leistungsfähigen Verbundstoffstrukturen, wie z.B. Rotorblätter für Windkraftanlagen, zu beschleunigen. Die Forscher erläutern ihre neue Methode in einer in der Zeitschrift Advanced Materials Interfaces veröffentlichten Arbeit.

Um die komplexe Welt der Verbundwerkstoffkonstruktion in der Luft- und Raumfahrt zu verstehen, beschreibt das MIT den Rumpf eines modernen Flugzeugs als aus mehreren Schichten verschiedener Verbundwerkstoffe hergestellt, "wie so viele Schichten in einem Phyllo-Teig-Gebäck" Nachdem diese vielen Schichten gestapelt und in die Form eines Rumpfes gegossen wurden, werden die ungehärteten Strukturen in Öfen und Autoklaven in Lagergröße gerollt, wo die Schichten zu einer elastischen, aerodynamischen Hülle verschmelzen.

"Wenn man eine Primärstruktur wie einen Rumpf oder eine Tragfläche herstellt, muss man einen Druckbehälter bauen oder einen Autoklaven, der manchmal die Größe eines dreistöckigen Gebäudes hat, was wiederum Zeit und Geld für die Druckerzeugung erfordert", sagt Brian Wardle, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik am MIT. "Diese Dinge sind massive Teile der Infrastruktur. Wir arbeiten darauf hin, Materialien für Primärstrukturen ohne Autoklavendruck herzustellen, damit wir die gesamte Infrastruktur loswerden können"

Im Jahr 2015 leitete MIT-Postdoc Jeonyoon Lee das Team in Wardle's Labor, um eine Methode zu entwickeln, mit der Verbundwerkstoffe in Luft- und Raumfahrtqualität hergestellt werden können, ohne dass ein Ofen zum Verschmelzen der Materialien erforderlich ist. Anstatt Materialschichten zum Aushärten in einen Ofen zu legen, wickelten die Forscher sie im Wesentlichen in einen ultradünnen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) ein. Wenn sie einen elektrischen Strom auf den Film aufbringen, erzeugen die CNTs wie eine elektrische Decke im Nanobereich schnell Wärme, wodurch die Materialien im Inneren aushärten und miteinander verschmelzen.

Mit dieser Technik, die als "out-of-oven" oder "OoO" bezeichnet wird, konnte das Team mit nur 1 Prozent der Energie Verbundwerkstoffe herstellen, die so stark sind wie die Materialien, die in herkömmlichen Öfen zur Herstellung von Flugzeugen hergestellt werden.

Eine zusätzliche Herausforderung für die Forscher bestand darin, Wege zu entwickeln, wie man Hochleistungsverbundwerkstoffe ohne den Einsatz großer Hochdruckautoklaven herstellen kann - d.h. mit Gefäßen, die einen hohen Druck erzeugen, der ausreicht, um Materialien zusammenzupressen und dabei Hohlräume oder Lufteinschlüsse zu verdrängen. "Jede Schicht eines Materials weist eine mikroskopisch kleine Oberflächenrauhigkeit auf", so Wardle, "und wenn man zwei Schichten zusammenfügt, wird Luft zwischen den rauen Bereichen eingeschlossen, was die Hauptquelle für Hohlräume und Schwächen in einem Verbundwerkstoff ist. "Ein Autoklav kann diese Hohlräume an die Ränder drücken und loswerden."

Forscher, zu denen auch Wardle's Gruppe gehört, haben die "Out-of-Autoclave"- oder "OoA"-Techniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen ohne den Einsatz der riesigen Maschinen erforscht. Das MIT stellte fest, dass die meisten dieser OoA-Techniken bisher Verbundwerkstoffe hervorgebracht haben, bei denen fast ein Prozent des Materials Hohlräume enthält, die die Festigkeit und Lebensdauer des Materials beeinträchtigen können. Im Vergleich dazu sind in der Luft- und Raumfahrt hergestellte Verbundwerkstoffe in Autoklaven von so hoher Qualität, dass die darin enthaltenen Hohlräume vernachlässigbar und nicht leicht zu messen sind.

Wardle erklärte, dass zwar Fortschritte bei der Einführung von OoA für Sekundärstrukturen wie Klappen und Türen erzielt werden, aber keines der Materialien für Primärstrukturen wie Flügel und Rümpfe geeignet ist. "Wir machen einige Fortschritte, aber wir bekommen immer noch Lücken."

Die Wissenschaft und Technik, die hinter diesen sich entwickelnden Verbundbautechniken steht, ist komplex, aber auch höchst innovativ. Eine vollständige Beschreibung der beteiligten Prozesse und Materialien ist in der veröffentlichten Forschungsarbeit verfügbar.

Ein Großteil der Arbeit hinter dieser Entwicklungstechnik konzentriert sich auf die Entwicklung der nanoporösen Netzwerke - ultradünne Filme aus ausgerichtetem, mikroskopisch kleinem Material wie Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit außergewöhnlichen Eigenschaften wie Farbe, Festigkeit und elektrischer Kapazität hergestellt werden können. Das MIT beschreibt einen dünnen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhren als "etwas wie einen dichten Wald aus Bäumen", und die Räume zwischen den Bäumen können wie dünne Kapillaren funktionieren. Wenn ein dünner Film von Kohlenstoff-Nanoröhren zwischen zwei Materialien eingelegt wird, dann sollten die Kapillaren zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren beim Erhitzen und Erweichen der Materialien eine solche Oberflächenenergie und -geometrie aufweisen, dass sie die Materialien zueinander hinziehen, anstatt eine Lücke zwischen ihnen zu hinterlassen.

Lee berechnete, dass der Kapillardruck größer sein sollte als der Druck, der von den Autoklaven ausgeübt wird, wenn diese neue Technik voll entwickelt ist. Die Forscher testeten ihre Idee im Labor, indem sie Filme aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer zuvor entwickelten Technik züchteten und die Filme dann zwischen Schichten von Materialien legten, die typischerweise bei der autoklavenbasierten Herstellung von primären Flugzeugstrukturen verwendet werden. Nachdem sie die Schichten in eine zweite Folie aus Kohlenstoff-Nanoröhren gewickelt hatten, legten sie einen elektrischen Strom an, um sie zu erhitzen. Der resultierende Testverbundstoff wies keine Hohlräume auf, ähnlich wie Verbundwerkstoffe in Luft- und Raumfahrtqualität, die in einem Autoklaven hergestellt werden.

"Bei diesen Tests haben wir festgestellt, dass unser Komposit mit der Kohlenstoff-Nanoröhrentechnologie außerhalb des Autoklaven genauso stark ist wie das Komposit mit dem Goldstandard-Autoklavenverfahren, das für primäre Strukturen in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird", sagte Wardle. Als nächstes wird das Team nach Möglichkeiten suchen, druckerzeugende CNT-Folien in einem viel größeren Maßstab herzustellen, um das Verfahren für die Herstellung ganzer Flügel und Rümpfe praktikabel zu machen.

Diese Forschung wurde zum Teil von Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex und Teijin Carbon America durch das MIT-Konsortium für Nano-Engineered Composite Aerospace Structures (NECST) unterstützt