Ma i materiali compositi hanno una principale vulnerabilità:lo spazio tra gli strati, che in genere è riempito con “colla” polimerica per unire insieme gli strati. In caso di urto o colpo, le crepe possono facilmente estendersi tra gli strati e indebolire il materiale, anche se non vi sono danni visibili agli strati stessi. Nel corso del tempo, man mano che queste crepe nascoste si espandono tra gli strati, il composito potrebbe sgretolarsi improvvisamente senza preavviso.

Ora, gli ingegneri del MIT hanno dimostrato di poter impedire che le crepe si diffondano tra gli strati compositi, utilizzando un approccio da loro sviluppato chiamato “nano stitching”, in cui depositano foreste microscopiche di nanotubi di carbonio coltivate chimicamente tra gli strati compositi. Le fibre sottili e fitte afferrano e tengono insieme gli strati, come un velcro ultraresistente, impedendo che gli strati si stacchino o si spezzino.

Negli esperimenti con un composito avanzato noto come laminato in fibra di carbonio a strato sottile, il team ha dimostrato che gli strati incollati con nano cuciture hanno migliorato la resistenza del materiale alle crepe fino al 60% rispetto ai compositi con polimeri convenzionali. I ricercatori affermano che i risultati aiutano a risolvere la principale vulnerabilità dei compositi avanzati.

"Proprio come la pasta fillo si sfalda, gli strati compositi possono staccarsi perché questa regione interlaminare è il tallone d'Achille dei compositi", afferma Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica al MIT. "Stiamo dimostrando che le nano cuciture rendono questa regione normalmente debole così forte e resistente che non si creerà alcuna crepa lì. Quindi, potremmo aspettarci che la prossima generazione di aerei abbia compositi tenuti insieme da questo nano-velcro per rendere gli aerei più sicuri e resistenti. avere una maggiore longevità."

Wardle e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista ACS Applied Materials &Interfaces . Il primo autore dello studio è l'ex studentessa laureata in visita al MIT e postdoc Carolina Furtado, insieme a Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen e Pedro Camanho.

Crescita delle foreste

Al MIT, Wardle è direttore del Nestled (pronunciato "next lab"), dove lui e il suo gruppo hanno sviluppato per la prima volta il concetto di nano cucitura. L'approccio prevede la "crescita" di una foresta di nanotubi di carbonio allineati verticalmente:fibre cave di carbonio, ciascuna così piccola che decine di miliardi di nanotubi possono trovarsi in un'area più piccola di un'unghia.

Per far crescere i nanotubi, il team ha utilizzato un processo di deposizione chimica da vapore per reagire con vari catalizzatori in un forno, facendo sì che il carbonio si depositasse su una superficie sotto forma di minuscoli supporti simili a capelli. Alla fine i supporti vengono rimossi, lasciando dietro di sé una fitta foresta di microscopici rotoli verticali di carbonio.

Il laboratorio ha precedentemente dimostrato che le foreste di nanotubi possono essere coltivate e fatte aderire a strati di materiale composito e che questo composto rinforzato con fibre migliora la resistenza complessiva del materiale. I ricercatori avevano anche notato alcuni segnali che indicavano che le fibre potevano migliorare la resistenza di un composito alle crepe tra gli strati.

Nel loro nuovo studio, gli ingegneri hanno esaminato più in profondità la regione tra gli strati dei compositi per testare e quantificare in che modo le nano cuciture migliorerebbero la resistenza della regione alle crepe. In particolare, lo studio si è concentrato su un materiale composito avanzato noto come laminati in fibra di carbonio a strato sottile.

"Si tratta di una tecnologia composita emergente, in cui ogni strato, o strato, è sottile circa 50 micron, rispetto agli strati compositi standard che sono 150 micron, ovvero circa il diametro di un capello umano. Ci sono prove che suggeriscono che sono migliori di quelli standard compositi a spessore ridotto. E volevamo vedere se poteva esserci una sinergia tra le nostre nano cuciture e questa tecnologia a strati sottili poiché potrebbe portare a velivoli più resilienti, strutture aerospaziali di alto valore e veicoli spaziali e militari", afferma Wardle. /P>

Impugnatura in velcro

Gli esperimenti dello studio sono stati guidati da Carolina Furtado, che si è unita allo sforzo come parte del programma MIT-Portogallo nel 2016, ha continuato il progetto come postdoc ed è ora professoressa presso l'Università di Porto in Portogallo, dove la sua ricerca si concentra sulla modellizzazione crepe e danni nei compositi avanzati.

Nei suoi test, Furtado ha utilizzato le tecniche del gruppo di deposizione di vapori chimici per far crescere fitte foreste di nanotubi di carbonio allineati verticalmente. Ha anche fabbricato campioni di laminati in fibra di carbonio a strati sottili. Il composito avanzato risultante aveva uno spessore di circa 3 millimetri e comprendeva 60 strati, ciascuno costituito da fibre rigide orizzontali incorporate in un foglio polimerico.

Ha trasferito e fatto aderire la foresta di nanotubi tra i due strati intermedi del composito, quindi ha cotto il materiale in un'autoclave per polimerizzarlo. Per testare la resistenza alle crepe, i ricercatori hanno posizionato una fessura sul bordo del composito, proprio all'inizio della regione tra i due strati intermedi.

"Nei test di frattura, iniziamo sempre con una fessura perché vogliamo verificare se e quanto si estenderà la fessura", spiega Furtado.

I ricercatori hanno quindi posizionato campioni del composito rinforzato con nanotubi in un apparato sperimentale per testare la loro resilienza alla "delaminazione" o la possibilità che gli strati si separino.

"Ci sono molti modi in cui puoi ottenere precursori della delaminazione, ad esempio da impatti, come la caduta di strumenti, l'impatto di uccelli, il sollevamento della pista negli aerei, e non ci potrebbero essere quasi danni visibili, ma internamente c'è una delaminazione", dice Wardle. "Proprio come per gli esseri umani, se hai una frattura sottile in un osso, non va bene. Solo perché non puoi vederla non significa che non abbia alcun impatto su di te. E i danni nei compositi sono difficili da ispezionare."

Per esaminare il potenziale delle nano cuciture per prevenire la delaminazione, il team ha posizionato i campioni in una configurazione per testare tre modalità di delaminazione, in cui una crepa potrebbe diffondersi attraverso la regione tra gli strati e staccare gli strati o farli scivolare l'uno contro l'altro o una combinazione di entrambi. Tutte e tre queste modalità sono le modalità più comuni in cui i compositi convenzionali possono sfaldarsi e sgretolarsi internamente.

I test, in cui i ricercatori hanno misurato con precisione la forza richiesta per sbucciare o tagliare gli strati del composito, hanno rivelato che i nano-cuciture tenevano saldamente e la fessura iniziale creata dai ricercatori non era in grado di diffondersi ulteriormente tra gli strati. I campioni nano-cuciti erano fino al 62% più resistenti e resistenti alle crepe, rispetto allo stesso materiale composito avanzato tenuto insieme dai polimeri convenzionali.

"Si tratta di una nuova tecnologia composita, potenziata dai nostri nanotubi", afferma Wardle.

"Gli autori hanno dimostrato che strati sottili e nano cuciture insieme hanno prodotto un aumento significativo della resistenza", afferma Stephen Tsai, professore emerito di aeronautica e astronautica presso l'Università di Stanford. "I compositi vengono degradati a causa della loro debole resistenza interlaminare. Qualsiasi miglioramento mostrato in questo lavoro aumenterà la progettazione consentita e ridurrà il peso e il costo della tecnologia dei compositi."

I ricercatori prevedono che qualsiasi veicolo o struttura che incorpori compositi convenzionali potrebbe essere reso più leggero, più resistente e più resistente con le nano cuciture.

"Si potrebbe avere un rinforzo selettivo delle aree problematiche, per rinforzare buchi o giunti bullonati, o luoghi in cui potrebbe verificarsi la delaminazione", afferma Furtado. "Questo apre una grande finestra di opportunità."