MIT produce compuestos de calidad aeronáutica sin hornos ni autoclaves

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Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) están desarrollando un método para producir compuestos de grado aeroespacial sin los enormes hornos y recipientes a presión que se utilizan actualmente en el proceso. Esta técnica puede ayudar a acelerar la fabricación de aviones y otras estructuras compuestas de gran tamaño y alto rendimiento, como las palas de los aerogeneradores. Los investigadores detallan su nuevo método en un artículo publicado en la revista Advanced Materials Interfaces.

Para entender el complejo mundo de la construcción de compuestos aeroespaciales, el MIT describe el fuselaje de un avión moderno como hecho de múltiples láminas de diferentes materiales compuestos, "como tantas capas en una masa filo" Después de que estas muchas capas se apilan y se moldean en forma de fuselaje, las estructuras no curadas se trasladan a hornos y autoclaves del tamaño de un almacén, donde las capas se fusionan para formar un armazón resistente y aerodinámico.

"Si usted está haciendo una estructura primaria como un fuselaje o un ala, necesita construir un recipiente a presión, o autoclave a veces del tamaño de un edificio de tres pisos, que a su vez requiere tiempo y dinero para presurizar", dice Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Estas cosas son piezas masivas de infraestructura. Estamos trabajando para fabricar materiales de estructura primaria sin presión de autoclave, para poder deshacernos de toda esa infraestructura"

En 2015, el postdoctorado del MIT Jeonyoon Lee dirigió al equipo del laboratorio de Wardle para crear un método para hacer compuestos de grado aeroespacial sin necesidad de un horno para fusionar los materiales. En lugar de colocar capas de material dentro de un horno para curar, los investigadores las envolvieron esencialmente en una película ultrafina de nanotubos de carbono (CNT). Cuando aplicaron una corriente eléctrica a la película, los CNT, como una manta eléctrica a nanoescala, generaron rápidamente calor, causando que los materiales en su interior se curen y se fusionen.

Un desafío adicional para los investigadores fue desarrollar maneras de hacer compuestos de alto rendimiento sin el uso de grandes autoclaves de alta presión, esos recipientes del tamaño de un edificio que generan presiones lo suficientemente altas para presionar los materiales juntos, exprimiendo cualquier vacío o bolsas de aire. "Hay una rugosidad superficial microscópica en cada capa de un material", dijo Wardle, "y cuando se juntan dos capas, el aire queda atrapado entre las áreas ásperas, lo cual es la fuente principal de vacíos y debilidades en un compuesto". "Un autoclave puede empujar esos vacíos hasta los bordes y deshacerse de ellos"

Los investigadores, incluyendo el grupo de Wardle, han explorado las técnicas de "fuera de la autoclave" o "OoA" para fabricar compuestos sin utilizar las enormes máquinas. El MIT declaró que la mayoría de estas técnicas de OoA hasta ahora han producido compuestos en los que casi un uno por ciento del material contiene huecos, lo que puede comprometer la resistencia y la vida útil del material. En comparación, los compuestos de grado aeroespacial hechos en autoclaves son de tan alta calidad que cualquier vacío que contengan es insignificante y no se puede medir fácilmente.

Wardle explicó que aunque se está avanzando en la introducción de la OoA en las estructuras secundarias, como las aletas y las puertas, ninguno de los materiales está calificado para las estructuras primarias como las alas y los fuselajes. "Estamos haciendo algunas incursiones, pero todavía tenemos vacíos"

Gran parte del trabajo detrás de esta técnica de desarrollo se centra en el desarrollo de las redes nanoporosas -películas ultrafinas hechas de material microscópico alineado, como los nanotubos de carbono, que pueden ser diseñados con propiedades excepcionales, incluyendo el color, la resistencia y la capacidad eléctrica. El MIT describe una delgada película de nanotubos de carbono como "algo así como un denso bosque de árboles", y los espacios entre los árboles pueden funcionar como delgados capilares. Si una delgada película de nanotubos de carbono se intercalara entre dos materiales, entonces, a medida que los materiales se calentaran y suavizaran, los capilares entre los nanotubos de carbono deberían tener una energía superficial y una geometría tales que atraigan los materiales entre sí, en lugar de dejar un vacío entre ellos.

Lee calculó que la presión capilar debe ser mayor que la presión aplicada por las autoclaves cuando esta nueva técnica esté completamente desarrollada. Los investigadores probaron su idea en el laboratorio cultivando películas de nanotubos de carbono alineados verticalmente usando una técnica que desarrollaron previamente, y luego colocando las películas entre capas de materiales que se usan típicamente en la fabricación basada en autoclave de estructuras primarias de aeronaves. Después de envolver las capas en una segunda película de nanotubos de carbono, aplicaron una corriente eléctrica para calentarla. El composite de prueba resultante carecía de vacíos, similar a los composites de grado aeroespacial que se producen en un autoclave.

"En estas pruebas, encontramos que nuestro compuesto fuera de autoclave que utiliza la tecnología de nanotubos de carbono era tan fuerte como el compuesto de proceso de autoclave estándar de oro utilizado para las estructuras aeroespaciales primarias", dijo Wardle. El equipo buscará a continuación formas de producir películas CNT generadoras de presión a una escala mucho mayor para que el proceso sea viable para la fabricación de alas y fuselajes enteros.