碳纤维环氧蜂窝模仿了轻木的材料性能

在北美和欧洲的风电场中,配备了最新技术的光滑涡轮将风能转化为电能。但是,隐藏在这些现代工程壮举中的是绝对低技术含量的核心材料:轻木。

像其他使用夹心板结构实现轻质和强度相结合的制成品一样,涡轮机叶片包含精心排列的厄瓜多尔轻木条,占世界95%’s supply.

几个世纪以来,快速生长的轻木因其重量轻和相对于密度的刚度而备受推崇。但是轻木价格昂贵,木纹的自然变化可能成为实现涡轮叶片和其他复杂应用日益精确的性能要求的障碍。

随着涡轮机制造商生产越来越大的叶片(现在最长的叶片长达75米,几乎与空客A380喷气客机的翼展相匹配),它们必须经过精心设计,可以在数十年内免维护运行。为了满足对精度,重量和质量一致性的更高要求,制造商正在寻找新的夹心结构材料选择。

现在,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)和Wyss生物启发工程学院的材料科学家利用纤维增强的环氧树脂基热固性树脂和3D挤出印刷技术的混合物,开发出了前所未有的光的蜂窝复合材料重量和刚度。由于它们的机械性能和对制造的精细控制,研究人员说,这些新材料可以在轻木,甚至是最好的商业3D打印聚合物和聚合物复合材料上模拟和改进。

描述其结果的论文已在线发表在该杂志上 先进材料.

迄今为止,已经针对热塑性塑料和可紫外线固化的树脂开发了3D打印技术,这些材料通常不被视为结构应用的工程解决方案。“通过使用环氧树脂等新型材料,我们开辟了使用3D打印构建轻量级架构的新途径,”哈佛大学EASS汉斯·约格·怀斯生物启发工程教授,首席研究员詹妮弗·刘易斯说。“本质上,我们正在拓宽3D打印的材料范围。”

“轻木具有多孔结构,可将其重量降至最低,因为大部分空间是空的,只有泡沫壁可承受负荷。因此,它具有较高的比刚度和强度,”刘易斯(Lewis)解释说。刘易斯(Lewis)除了在哈佛SEAS担任职务外,还是威斯学院(Wyss Institute)的核心教员。“We’ve借用了这种设计概念,并将其模仿为工程复合材料。”

Lewis和Brett G. Compton是该小组的前博士后,他开发了环氧树脂墨水,掺入了增强粘度的纳米粘土薄片和一种名为二甲基甲基膦酸酯的化合物,然后添加了两种类型的填充剂:微小的碳化硅“whiskers”和离散的碳纤维。最终的纤维填充油墨多功能性的关键是控制填料取向的能力。

填充物的沉积方向控制了材料的强度(想想将一块木柴沿纵向劈开的难度与在垂直于谷物的垂直线上切碎的相对难度)。

Lewis和Compton已证明,他们的技术可生产出与木材一样坚硬的多孔复合材料,比商业3D打印聚合物的刚性高10至20倍,而强度则是最佳印刷聚合物复合材料的两倍。控制填充物排列的能力意味着制造商可以将物体的成分,刚度和韧性与其设计数字化整合。

“本文首次展示了具有纤维增强的细胞壁的蜂窝的3D打印,”麻省理工学院材料科学与机械工程教授Lorna Gibson说,’没有参与这项研究的蜂窝复合材料领域的领先专家。“特别重要的是通过控制纤维的长宽比(相对于直径的长度)和喷嘴直径,可以对齐纤维的方式。这标志着在设计模仿木材的工程材料方面迈出了重要的一步,木材因其出色的机械性能而久负盛名。”

“随着我们在填料对齐方面获得更多控制级别,并学习如何更好地将这种方向整合到组件设计中,我们可以进一步优化组件设计并提高材料效率,”康普顿补充说,他现在是橡树岭国家实验室增材制造的一名科学家。“最终,我们将能够使用3D打印技术来动态更改纤维填料的排列程度和局部成分。”

这项工作可能会在许多领域得到应用,包括汽车工业,其中较轻的材料是实现政府强制性的节油标准的关键。根据一项估计,在全球道路上每10亿辆汽车中减少110磅重,每年可节省400亿美元的燃料。

3D打印也可能以其他方式从根本上改变制造方式。刘易斯说,下一步将是测试使用热固性树脂来创建不同种类的结构,特别是通过利用混合填料并使其精确对齐的技术。这不仅会导致结构材料的进步,还会导致导电复合材料的进步。

此前,Lewis在具有脉管系统和锂离子微型电池的组织构建体的3D打印中进行了开创性研究。



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有1个想法“碳纤维环氧蜂窝模仿了轻木的材料性能”

  1. 航空工程师已经知道这项技术很多年了,蜂窝状玻璃纤维结构的使用已经很普遍了。最近的介绍“pulons”甚至可以与钢相比以极高的强度生产的碳纤维或细碳纤维,也提出了开发类似机翼,叶片和梁的新方法。为了避免颤动,刚度至关重要,因此寻求的是最高的刚度/强度比。风力发电机的玻璃纤维叶片每个重达几吨,因此这里有很大的变化空间,重量也更轻,但要花多少钱呢?

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