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MIT produce compositi di qualità aeronautica senza forni o autoclavi

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La nuova ricerca sui film di nanotubi di carbonio può semplificare la produzione aerospaziale.

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Gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology (MIT) stanno sviluppando un metodo per produrre compositi di grado aerospaziale senza gli enormi forni e recipienti a pressione attualmente utilizzati nel processo. La tecnica può aiutare ad accelerare la produzione di aerei e di altre grandi strutture composite ad alte prestazioni, come le pale per le turbine eoliche. I ricercatori descrivono in dettaglio il loro nuovo metodo in un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials Interfaces.

Per comprendere il complesso mondo della costruzione di compositi aerospaziali, il MIT descrive la fusoliera di un moderno aeroplano come costituita da più fogli di materiali compositi diversi, "come tanti strati in una pasta fillofila" Dopo che questi molti strati sono impilati e modellati a forma di fusoliera, le strutture non polimerizzate vengono caricate in forni e autoclavi delle dimensioni di un magazzino, dove gli strati si fondono insieme per formare un guscio aerodinamico e resiliente.

"Se si sta realizzando una struttura primaria come una fusoliera o un'ala, è necessario costruire un recipiente a pressione, o un'autoclave a volte delle dimensioni di un edificio a tre piani, che a sua volta richiede tempo e denaro per la pressurizzazione", dice Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica al MIT. "Queste cose sono enormi pezzi di infrastruttura. Stiamo lavorando per produrre materiali per strutture primarie senza pressione in autoclave, in modo da poterci liberare di tutte quelle infrastrutture"

Nel 2015, il MIT postdoc Jeonyoon Lee ha guidato il team nel laboratorio di Wardle per creare un metodo per realizzare compositi di grado aerospaziale senza bisogno di un forno per fondere insieme i materiali. Invece di collocare strati di materiale all'interno di un forno per la polimerizzazione, i ricercatori li hanno essenzialmente avvolti in una pellicola ultrasottile di nanotubi di carbonio (CNT). Quando hanno applicato una corrente elettrica alla pellicola, i CNT, come una coperta elettrica in scala nanometrica, hanno generato rapidamente calore, facendo sì che i materiali all'interno si polimerizzassero e si fondessero insieme.

Utilizzando la tecnica, chiamata "out-of-oven" o "OoO", il team è stato in grado di produrre compositi robusti come i materiali realizzati nei forni per la produzione di aerei convenzionali, utilizzando solo l'1% dell'energia.

Un'ulteriore sfida per i ricercatori è stata quella di sviluppare modi per realizzare compositi ad alte prestazioni senza l'uso di grandi autoclavi ad alta pressione, come quelle delle autoclavi da costruzione, che generano pressioni elevate per pressare insieme i materiali, spremendo i vuoti o le sacche d'aria. "C'è una microscopica rugosità superficiale su ogni strato di un materiale", ha detto Wardle, "e quando si mettono insieme due strati, l'aria rimane intrappolata tra le zone ruvide, che è la fonte primaria di vuoti e di debolezza in un composito. "Un'autoclave può spingere quei vuoti fino ai bordi e liberarsene"

I ricercatori, compreso il gruppo di Wardle, hanno esplorato le tecniche "fuori dall'autoclave" o "OoA" per produrre compositi senza utilizzare le enormi macchine. Il MIT ha dichiarato che la maggior parte di queste tecniche OoA finora ha prodotto compositi in cui quasi l'uno per cento del materiale contiene vuoti, che possono compromettere la resistenza e la durata di un materiale. In confronto, i compositi di grado aerospaziale realizzati in autoclave sono di qualità talmente elevata che i vuoti che contengono sono trascurabili e non sono facilmente misurabili.

Wardle ha spiegato che mentre avanzano i progressi per l'introduzione dell'OoA nelle strutture secondarie, come i flaps e le porte, nessuno dei materiali è qualificato per le strutture primarie come le ali e le fusoliere. "Stiamo facendo qualche incursione, ma ci sono ancora dei vuoti"

La scienza e l'ingegneria alla base di queste tecniche di costruzione composita in fase di sviluppo è complessa ma anche altamente innovativa. Una descrizione completa dei processi e dei materiali coinvolti è disponibile nel documento di ricerca pubblicato.

Gran parte del lavoro che sta dietro a questa tecnica di sviluppo si concentra sullo sviluppo delle reti nanoporose - film ultrasottili realizzati con materiali allineati e microscopici come i nanotubi di carbonio, che possono essere progettati con proprietà eccezionali, tra cui il colore, la resistenza e la capacità elettrica. Il MIT descrive un sottile film di nanotubi di carbonio come "un po' come una fitta foresta di alberi", e gli spazi tra gli alberi possono funzionare come sottili capillari. Se un sottile film di nanotubi di carbonio fosse inserito tra due materiali, allora, man mano che i materiali vengono riscaldati e ammorbiditi, i capillari tra i nanotubi di carbonio dovrebbero avere un'energia superficiale e una geometria tale da attirare i materiali l'uno verso l'altro, piuttosto che lasciare un vuoto tra di loro.

Lee ha calcolato che la pressione capillare dovrebbe essere maggiore della pressione applicata dalle autoclavi quando questa nuova tecnica è completamente sviluppata. I ricercatori hanno testato la loro idea in laboratorio facendo crescere pellicole di nanotubi di carbonio allineati verticalmente utilizzando una tecnica da loro sviluppata in precedenza, poi stendendo le pellicole tra gli strati di materiali tipicamente utilizzati nella produzione in autoclave delle strutture primarie degli aerei. Dopo aver avvolto gli strati in una seconda pellicola di nanotubi di carbonio, hanno applicato una corrente elettrica per riscaldarla. Il composito di prova risultante mancava di vuoti, simili ai compositi di grado aerospaziale che vengono prodotti in autoclave.

"In questi test, abbiamo scoperto che il nostro composito fuori dall'autoclave che utilizza la tecnologia dei nanotubi di carbonio era altrettanto forte quanto il composito di processo in autoclave standard in oro utilizzato per le strutture aerospaziali primarie", ha detto Wardle. Il team cercherà poi il modo di produrre film in CNT che generano pressione su scala molto più ampia per rendere il processo fattibile per la produzione di intere ali e fusoliere.

Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, da Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex e Teijin Carbon America attraverso il Consorzio Nano-Engineered Composite Aerospace Structures (NECST) del MIT