Fra vejene til himlen – ‘Nano Stitching’ kan indlede en bølge af næste generations køretøjer

A undersøgelse offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift ACS Applied Materials and Interfaces introducerer en innovativ metode til at binde kompositmaterialer sammen kaldet nano-stitching. Processen kombinerer tynde kulfiberlaminater for at skabe en velcro-lignende binding mellem lagene. Resultatet er et mere holdbart og let materiale, der kan modstå ekstreme miljøer. Her er, hvad du behøver at vide om nano-stitching, og hvordan det kan ændre den verden, du lever i.

Hvad er Nano Stitching?

Nano stitching er en proces, hvor kompositlag bindes sammen ved hjælp af laboratoriedyrkede vertikalt justerede kulstoffermer. Disse hule rør fremstilles ved en særlig kemisk dampaflejring (CVD) proces. Dampene reagerer med andre katalysatorer under hærdningsprocessen.

Kulstoffet falder til overfladen som en mikroskopisk skov af nanotuber. Disse mikroskopiske rør kan skabe milliarder af bindinger, når de er mellem to lag af tynde kulfiberlaminater. Disse tynde lag er kun omkring 50 mikrometer brede. Denne tykkelse svarer til en tredjedel af et hårs tykkelse.

Den tynde skov binder sig selv som velcro for at skabe en ensartet og holdbar forbindelse. Denne ekstra styrke kan have betydning på tværs af flere industrier. Derfor kan enhver industri, der bruger kompositter, drage fordel af teknologien og udnytte den til at bevare strukturel integritet.

Problemer, som Nanostitching hjælper med at løse

Der er mange problemer, som nano stitching kan hjælpe med at lindre. For eksempel kan kompositmaterialer ofte have mikroskopiske revner i deres lag, som er svære at opdage. Disse revner kan pludselig udvide sig og få lagene til at adskille sig eller splintre.
Nano Stitching erstatter den nuværende metode med at lime lagene sammen. Da den har så mange ensartede kontaktpunkter, spreder revner, rifter og sprækker sig ikke så let som ved et lag tørret lim. Derfor kan nano-stitching have en enorm indvirkning på holdbarheden og vægten af fremtidige kompositter.

Delamination

Delamination er et begreb, der refererer til den potentielle adskillelse af kompositlag. Delamination er en alvorlig bekymring, når man har flere materialer forbundet med lim. Hvert lag øger lidt chancen for delamination i den nuværende proces. Nano stitching giver en mere robust og holdbar løsning for producenter.

Svært at inspicere

Det kan være svært at opdage intern skade på kompositmaterialer. Hvert lag tilføjer en ekstra kompleksitet til processen. Derudover kan et enkelt komposit reagere anderledes end andre lag under forskellige forhold. Når dette sker, kan der være ingen synlige tegn.

Nanotuber tilføjer interlaminær styrke via milliarder af kontaktpunkter. Denne proces kan hjælpe med at reducere behovet for at opdage disse revner, da de ikke vil sprede sig eller fejle spektakulært. De kan lokales og repareres sikkert ved hjælp af nano stitching til at udbedre eventuelle skader.

Strukturelle svagheder

Alle strukturer har punkter, der er svagere end andre. Ingeniører ser nano stitching som den ideelle måde at forstærke nøglepunkter i deres konstruktioner. Forestil dig nano-stitched komposit anvendt omkring bolte eller områder med tung belastning. Den letvægtsstøtte kunne en dag gøre bygninger sikrere.

Produktionsprocesser

Den nuværende måde at binde kompositlag på er ineffektiv. At fjerne brugen af lim og i stedet binde lagene på molekylært niveau er en bedre løsning, der giver pålidelige resultater. Derudover er processen lettere at udføre sammenlignet med at bruge lim til at binde lagene.

MIT-ingeniører

MIT-ingeniører stod bag dette fordelagtige projekt. Teamet bestod af Carolina Furtado, Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen og Pedro Camanho. Projektet blev ledet af professor i Aeronautik og Astronautik Brian Wardle. Bemærkelsesværdigt er, at Wardle er direktør for Necstlab, som specialiserer sig i kompositmaterialer.

Testning

Forskningspapiret går i detaljer om testprocessen og resultaterne. Testfasen blev ledet af Carolina Furtado. Furtado er ekspert på området og har hjulpet med at skabe avancerede modeller til at mindske revnedannelse.

Testen blev udført på en avanceret komposit, der kun var 3 millimeter tyk. Imponerende nok nano-stitchede forskerne 60 lag af polymerplader for at teste revnedurabilitet.

Den første test startede med, at ingeniører skabte en revne, hvor lagene mødtes ved kanten. De målte derefter modstanden og brudpunkterne. Delaminationstesten kontrollerede bindingens modstandsdygtighed mellem lagene. De fandt, at revnerne ikke spredte sig, og laget forblev fast.

Potentielle anvendelser af Nano Stitching

Der er mange anvendelsesscenarier, hvor nano stitching kan have en umiddelbar indvirkning. Antallet af industrier og produkter, der bruger kompositmaterialer, vokser fortsat. Derfor er der efterspørgsel efter lettere og mere holdbare muligheder. Her er nogle af de industrier, som nano stitching snart kan forandre.

Rumfart

Rumfartsindustrien har meget at vinde på forbedringen af kompositmaterialer. Disse materialer er blevet en af de vigtigste metoder, som producenter bruger til at reducere vægt og forbedre holdbarhed. Nogle kompositter kan reflektere radarbølger og mere.

Nano stitching vil gøre det muligt for producenter at skabe højt værdifulde rumfartsstrukturer. Disse fremtidige fly vil være lettere og køre på avancerede motorer. De vil udnytte de stærkeste og letteste materialer for at forbedre batterilevetiden og holdbarheden.

Arkitektur.

Nano-stitching åbner døren for bedre bygninger og infrastruktur. Forestil dig 3D-printede huse, der kan modstå barskt vejr. Brug af kompositmaterialer til at bygge avancerede strukturer som broer kan hjælpe med at gøre rejser sikrere for alle.

Bilindustri.

Elbiler er her, men en af deres største ulemper er batterilevetiden. At reducere deres vægt vil hjælpe med at forlænge batterilevetiden yderligere og gøre elbiler mere attraktive for flere kunder. Allerede nu integrerer virksomheder som TESLA komposit for at forbedre holdbarhed og forbedre produktionsprocesserne.

Energiproduktion og -lagring

Nano Stitching vil gøre energiproduktion mere effektiv. Forestil dig letvægtsvindmøller eller solpaneler, der kan modstå mere skade før de fejler. De ville være lettere at opstille og kunne håndtere større belastning end de nuværende modeller, hvilket vil resultere i bedre effektivitet og tilgængelighed.

Marin ingeniørkunst

Undervandsudforskning er en anden industri, der længe har arbejdet med kompositter for at skabe de mest effektive undervandsdesigns. Nano stitching kan hjælpe mennesker med at gå dybere end nogensinde før ved at gøre det muligt for ingeniører at lave undervandsstrukturer, der kan modstå det enorme tryk i havets dybder.

Robotik

Robotikindustrien er altid på jagt efter de letteste og mest holdbare materialer. Integration af nano-stitched kompositter kan gøre robotter lettere og få dem til at rejse længere. Det kan også hjælpe avanceret robotik med at blive mere bærbar og tilgængelig på det globale marked.

Området for biohybride robotter kan få et løft fra disse letvægtskompositter. Disse robotter udnytter organiske materialer kombineret med lette og ofte mikroskopiske komponenter. Nano stitching vil give en holdbar måde at binde små robotkomponenter på.

Virksomheder, der kunne drage fordel af Nano Stitching

Mange virksomheder kunne øge omsætning og produktforbedringer takket være nano stitching. Disse firmaer spænder over industrier fra sundhedspleje til militære anvendelser. Her er nogle få virksomheder, der kunne opleve et umiddelbart løft, hvis de integrerer nano stitching i deres forretningsmodeller.

Owens Corning

(OC )

Owens Corning er verdens største producent af glasfiberkompositter. Dette Ohio-baserede firma blev grundlagt i 1935 og gik på børsen i 1955. I 1985 udvidede virksomheden sin markedsposition efter at have erhvervet Aerospace and Strategic Metals Group. I dag har Owens Corning over 30 kompositfaciliteter.

Owens Corning kunne bruge nano stitching til at styrke deres indtog på luftfartsmarkedet. De kunne levere mere robuste komponenter og styrke deres position. Derudover kunne de forske yderligere i, hvilke materialer nano stitching binder tæt.

Teijin Limited

Teijin Limited er en Japan-baseret producent, der specialiserer sig i fremstilling af kompositter, harpikser, plast og fibre. Virksomheden har været i drift siden 1918 og er fortsat en pioner på kompositmarkedet. I øjeblikket har selskabet over 20.000 ansatte i 20 lande.

Nano Stitching giver mening for Teijin, da det vil forbedre mange af deres produkter. Virksomheden kunne integrere denne type kompositbinding i flere af de produkter, de allerede tilbyder, og reducere vægt samt forbedre strukturel integritet.

Hexcel

(HXL )

Hexcel er anerkendt som en af de førende producenter af kompositmaterialer. Selskabets hovedprodukt er honningkagefremstilling, som primært anvendes i luftfartsapplikationer. Honningkage-strukturen giver reduceret vægt med optimal holdbarhed.

Hexcel kunne nemt drage fordel af integration af nano-stitching på tværs af deres mange sektorer. Producenten tilbyder allerede kulfiberforstærkning og harpiksystemer. Nano-stitched produkter ville give dem en konkurrencemæssig fordel.

Nano Stitching kunne drive den næste månemission

Brugen af nano stitching til at forbedre nuværende og fremtidige kompositter kan hjælpe ingeniører med at udvikle næste generations rumfartøjer, der er nødvendige for at nå andre verdener. For nu er der mange jordbaserede anvendelsestilfælde, der gør nano stitching til en interessant udvikling.

Du kan lære mere om spændende fremstillingsprojekter her.