I materiali compositi utilizzati nelle ali e nelle fusoliere degli aerei sono generalmente fabbricati in grandi, forni di dimensioni industriali:più strati polimerici vengono fatti saltare con temperature fino a 750 gradi Fahrenheit, e solidificato per formare un solido, materiale resiliente. Utilizzando questo approccio, è necessaria una notevole energia prima di riscaldare il forno, poi il gas intorno, e infine il composto vero e proprio.

Gli ingegneri aerospaziali del MIT hanno ora sviluppato un film di nanotubi di carbonio (CNT) in grado di riscaldare e solidificare un composito senza la necessità di forni enormi. Quando è collegato a una fonte di alimentazione elettrica, e avvolto su un composito polimerico multistrato, il film riscaldato stimola la solidificazione del polimero.

Il gruppo ha testato il film su un comune materiale in fibra di carbonio utilizzato nei componenti degli aerei, e ha scoperto che il film ha creato un composito forte come quello prodotto nei forni convenzionali, utilizzando solo l'1 percento dell'energia.

Il nuovo approccio "fuori forno" può offrire un approccio più diretto, metodo di risparmio energetico per la produzione di qualsiasi composito industriale, dice Brian L. Wardle, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT.

"Tipicamente, se hai intenzione di cucinare una fusoliera per un Airbus A350 o un Boeing 787, hai circa un forno a quattro piani che vale decine di milioni di dollari in infrastrutture di cui non hai bisogno, " dice Wardle. "La nostra tecnica mette il calore dove serve, a diretto contatto con la parte da assemblare. Pensala come una pizza autoriscaldante. … Invece di un forno, basta collegare la pizza al muro e si cuoce da sola."

Wardle afferma che anche il film di nanotubi di carbonio è incredibilmente leggero:dopo aver fuso gli strati polimerici sottostanti, il film stesso, una frazione del diametro di un capello umano, si fonde con il composito, aggiungendo peso trascurabile.

Il gruppo, compresi gli studenti laureati del MIT Jeonyoon Lee e Itai Stein e Seth Kessler della Metis Design Corporation, ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

Antigelo a nanotubi di carbonio

Wardle e i suoi colleghi hanno sperimentato i film CNT negli ultimi anni, principalmente per lo sbrinamento delle ali degli aeroplani. Il team ha riconosciuto che oltre al loro peso trascurabile, i nanotubi di carbonio si riscaldano in modo efficiente se esposti a una corrente elettrica.

Il gruppo ha prima sviluppato una tecnica per creare un film di nanotubi di carbonio allineati composti da minuscoli tubi di carbonio cristallino, in piedi come alberi in una foresta. I ricercatori hanno usato una canna per arrotolare la "foresta" piatta, creando un film denso di nanotubi di carbonio allineati.

Negli esperimenti, Wardle e il suo team hanno integrato il film nelle ali degli aeroplani tramite convenzionali, metodi di stagionatura a forno, mostrando che quando è stata applicata la tensione, il film ha generato calore, impedendo la formazione di ghiaccio.

I test di sbrinamento hanno ispirato una domanda:se il film CNT potesse generare calore, perché non usarlo per creare il composito stesso?

Quanto caldo puoi andare?

Nei primi esperimenti, i ricercatori hanno studiato il potenziale del film di fondere due tipi di compositi aerospaziali tipicamente utilizzati nelle ali e nelle fusoliere degli aerei. Normalmente il materiale, composto da circa 16 strati, è solidificato, o reticolato, in un forno industriale ad alta temperatura.

I ricercatori hanno prodotto un film CNT delle dimensioni di un post-it, e ha posizionato il film su un quadrato di Cycom 5320-1. Hanno collegato gli elettrodi al film, quindi applicato una corrente per riscaldare sia il film che il polimero sottostante negli strati compositi Cycom.

Il team ha misurato l'energia necessaria per solidificarsi, o collegamento incrociato, gli strati di polimero e fibra di carbonio, scoprendo che il film CNT utilizzava un centesimo dell'elettricità necessaria per i metodi tradizionali basati sul forno per polimerizzare il composito. Entrambi i metodi hanno generato compositi con proprietà simili, come la densità di reticolazione.

Wardle afferma che i risultati hanno spinto il gruppo a testare ulteriormente il film CNT:poiché diversi compositi richiedono temperature diverse per fondersi, i ricercatori hanno cercato di vedere se il film CNT potesse, letteralmente, prendi il caldo.

"Ad un certo punto, i riscaldatori si spengono, " dice Wardle. "Si ossidano, o hanno diversi modi in cui falliscono. Quello che volevamo vedere era quanto caldo potesse andare questo materiale".

Per fare questo, il gruppo ha testato la capacità del film di generare temperature sempre più elevate, e l'ho trovata in cima a oltre 1, 000 F. In confronto, alcuni dei polimeri aerospaziali a temperatura più elevata richiedono temperature fino a 750 F per solidificarsi.

"Possiamo lavorare a quelle temperature, il che significa che non c'è composito che non possiamo elaborare, " Dice Wardle. "Questo apre davvero tutti i materiali polimerici a questa tecnologia".

Il team sta lavorando con partner industriali per trovare modi per ampliare la tecnologia per produrre compositi abbastanza grandi da realizzare fusoliere e ali di aeroplani.

"Ci deve essere un po' di riflessione sull'elettrotecnica, e come realizzerai effettivamente il contatto elettrico in modo efficiente su aree molto grandi, "Dice Wardle. "Avresti bisogno di molta meno energia di quella che stai attualmente mettendo nel tuo forno. non credo sia una sfida, Ma deve essere fatto."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.