使用纳米管检测和修复飞机机翼中的裂纹

一项新的研究表明,即使添加少量的碳纳米管也可以大大提高工程应用中广泛使用的塑料的强度,完整性和安全性。

伦斯勒理工学院的研究人员已经开发出一种简单的新技术,用于识别和修复高性能飞机机翼和许多其他由聚合物复合材料制成的结构中潜在的细小裂纹。

通过向聚合物中注入导电性碳纳米管,然后监视结构的电阻,研究人员能够查明复合结构中应力引起的裂纹的位置和长度。一旦找到裂缝,工程师便可以向该区域发送一小段电荷,以加热碳纳米管,然后融化嵌入的愈合剂,该愈合剂将流入并密封裂缝,强度恢复率为70%。

Rensselaer航空航天机械系副研究员Nikhil A. Koratkar表示,实时检测和修复疲劳引起的损坏将大大提高各种工程系统中结构部件的性能,可靠性和安全性。和核工程。

该项目的详细信息在论文“使用碳纳米管添加剂对复合材料进行原位健康监测和修复”中概述,该论文本周由Applied 物理Letters在线发布。 Rensselaer的研究生Wei Zhang和Varun Sakalkar是该论文的合著者。团队已经在该项目上工作了18个月以上。

Koratkar说,任何工程结构中的大多数故障通常是由于疲劳引起的微裂纹扩散到危险的程度,并最终危害了结构的完整性。他的研究希望通过一种优雅的解决方案来解决此问题,该解决方案可以进行实时诊断,而无需任何其他或昂贵的设备。

Koratkar的团队使用普通的环氧树脂制成了一种结构,这种结构用于制造从战斗机机翼的轻型框架到制造和工业中使用的无数设备和组件的各种东西,但添加了足够的多壁碳纳米管,构成了结构总数的1%重量。该团队将液态环氧树脂机械混合,以确保碳纳米管在模具中干燥后能正确分散在整个结构中。

研究人员还向结构中引入了一系列网格形式的电线,这些电线可以用于测量电阻,还可以向结构施加控制电压。

通过向碳纳米管发送少量电能,研究团队能够测量线栅上任意两点之间的电阻。然后,他们在结构中产生了一个微小的裂缝,并测量了两个最近的网格点之间的电阻。因为现在电流必须从裂缝绕过才能从一个点到达另一个点,所以电阻-从一处移到另一处时电所面临的困难-增加了。裂纹扩展的时间越长,两点之间的电阻越高。

Koratkar相信这种方法对更大的结构同样有效。由于纳米管在整个结构中无处不在,因此该技术可通过执行简单的电阻测量来监视结构的任何部分,而无需安装外部传感器或复杂的电子设备。

“这种方法的优点在于,碳纳米管无处不在。传感器实际上是结构的组成部分,因此您可以监视结构的任何部分。” Koratkar说。 “我们已经证明,纳米科学如果被创造性地应用,将真正在大规模工程和结构方面有所作为。”

Koratkar说,这种新的裂纹检测方法最终将比当今普遍使用的超声波传感器更具成本效益,并且更加方便。他的传感器系统还可以在使用设备或组件时实时使用,而声波传感器是外部单元,需要大量时间来扫描固定结构的整个表面积。

此外,Koratkar的系统还具有内置维修套件。

当检测到裂缝时,Koratkar可以增加在网格中特定点通过碳纳米管的电压。这种额外的电压会产生热量,进而熔化混合在环氧树脂中的市售愈合剂。熔化的愈合剂流入裂缝中并冷却下来,有效地固化了裂缝。 Koratkar指出,这些修补后的结构的强度约为原始的未破裂结构的70%,强度足以防止出现完整的或灾难性的结构破坏。这种方法是抵抗两种微裂纹以及一种不常见的结构损坏形式(称为分层)的有效方法。

他说:“这种应用的新颖之处在于,我们不仅使用碳纳米管来检测裂缝,而且还可以治愈裂缝。” “我们使用纳米管来产生局部热量,该热量会熔化愈合剂,从而治愈裂纹。”

Koratkar说,他设想新的裂缝检测系统将最终集成到战斗机或大型设备的内置计算机系统中。该系统将允许操作员实时监控结构的完整性,并且通过在结构中的某个位置引起电阻的变化,任何微裂纹或分层都会变得明显。

该系统应该有助于延长聚合物结构的使用寿命,安全性和成本效益,当重量成为一个因素时,通常可以代替金属使用聚合物结构。也有证据表明,碳纳米管在抑制微裂纹在聚合物结构中的生长速率方面起着被动的作用,这是Koratkar希望在不久的将来发表的论文的主题。

该研究小组目前正在努力优化系统,将其扩展到更大的结构,并开发新的信息技术,以更好地收集和分析从嵌入式网格和嵌入式碳纳米管创建的电阻数据。

正在进行的研究项目部分由国家科学基金会和美国陆军资助。

http://news.rpi.edu



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