Nano-ompelu: hiilinanoputkilla sitkeämpiä komposiitteja

ACS Applied Materials & Interfaces -lehdessä julkaistu tutkimus käsittelee komposiittikerrosten lujittamista hiilinanoputkilla eli nano-ompelua. Menetelmä voi parantaa ohutkerroksisten hiilikuitulaminaattien murtumissitkeyttä. Soveltuvuus kaupallisiin tuotteisiin vaatii lisäarviointia.

Mitä nano-ompelu tarkoittaa?

Pystysuuntaisia hiilinanoputkia kasvatetaan kemiallisella kaasufaasipinnoituksella ja siirretään komposiittikerrosten väliin. Tutkitussa laminaatissa yksittäinen kerros oli noin 50 mikrometriä paksu; kyse on paksuudesta, ei leveydestä.

Nanoputkivahvistusta voidaan verrata tarranauhaan: se auttaa vastustamaan kerrosten irtoamista ja liukumista. Vertaus ei tarkoita, että kaikki komposiitit soveltuisivat menetelmään sellaisinaan.

Millaisia ongelmia nano-ompelulla voidaan vähentää?

Komposiitin sisäiset säröt voivat kasvaa huomaamatta ja heikentää rakennetta. Kerrosten väliset nanoputket voivat lisätä vastusta särön etenemiselle. Menetelmä ei poista polymeerimatriisia eikä korvaa kaikkia liimoja.

Delaminaatio

Delaminaatio tarkoittaa komposiitin kerrosten irtoamista toisistaan. Nano-ompelu pyrkii vahvistamaan juuri kerrosten välistä aluetta, mutta ei takaa kaikkien vaurioiden estymistä.

Vaikea tarkastaa

Sisäistä vauriota voi olla vaikea havaita ulkopuolelta. Kuormitus, iskut ja materiaalin rakenne vaikuttavat vaurioiden syntyyn ja etenemiseen.

Parempi kerrosten välinen sitkeys ei poista tarkastusten tarvetta. Tutkimus ei myöskään osoittanut menetelmää, jolla valmiin vaurioituneen rakenteen säröt korjattaisiin nano-ompelemalla.

Rakenteelliset heikkoudet

Paikallinen vahvistaminen esimerkiksi pulttiliitosten ympärillä on mahdollinen kehityskohde. Käyttö kantavissa rakenteissa edellyttää kuormitus-, valmistus- ja turvallisuusvaatimusten täyttämistä.

Valmistusprosessit

Menetelmä lisää nanoputkivahvistuksen kerrosten väliin. Se ei ole osoitettu yleisesti liimausta yksinkertaisemmaksi tai halvemmaksi, eikä kaikkia kerroksia sidota toisiinsa pelkästään molekyylitason liitoksilla.

MIT:n insinöörit

Tutkimusryhmään kuuluivat Carolina Furtado, Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen ja Pedro Camanho sekä MIT:n professori Brian Wardle. Wardle johtaa komposiitteihin keskittyvää necstlab-tutkimusryhmää.

Testaus

Carolina Furtado johti kokeita, joissa arvioitiin kerrosten välisen vahvistuksen vaikutusta murtumissitkeyteen.

Noin kolmen millimetrin paksuisessa näytteessä oli 60 kuituvahvistettua polymeerikerrosta. Nanoputkivahvistus sijoitettiin kahden keskimmäisen kerroksen väliin; jokaista 60 kerrosta ei nano-ommeltu.

Näytteeseen tehtiin aloitussärö, ja kokeissa tutkittiin kerrosten avautumista, liukumista sekä näiden yhdistelmää. Vahvistus paransi tutkittua murtumissitkeyttä jopa noin 62 % vertailunäytteeseen nähden. Tämä ei osoita rakenteen olevan vaurioitumaton kaikissa käyttöoloissa.

Mahdollisia sovelluksia

Kevyemmät ja sitkeämmät komposiitit kiinnostavat useita toimialoja. Seuraavat käyttökohteet ovat mahdollisuuksia, eivät tutkimuksessa valmiiksi osoitettuja kaupallisia ratkaisuja.

Ilmailu- ja avaruusteollisuus

Komposiiteilla voidaan vähentää lentokoneiden ja avaruuslaitteiden massaa. Tutkaominaisuudet riippuvat erikseen materiaaleista ja rakenteesta; keveys ei yksin tee materiaalista häiveteknologiaa.

Nano-ompelu voisi tukea vaativien komposiittirakenteiden kehitystä. Lentokelpoisuus, käyttöikä ja mahdolliset energiankulutuksen hyödyt vaativat erillisen arvioinnin.

Rakentaminen

Komposiittien lujittaminen voisi kiinnostaa myös rakentamisessa. Tutkimus ei kuitenkaan osoittanut nano-ommeltuja 3D-tulostettuja taloja tai valmiita siltaratkaisuja.

Autoteollisuus

Ajoneuvon massan vähentäminen voi pienentää energiankulutusta ja pidentää ajomatkaa samalla latauksella. Tämä on eri asia kuin akun käyttöiän pidentäminen. Menetelmän hyötyä sarjavalmisteisissa sähköautoissa ei vielä osoitettu.

Energiantuotanto ja varastointi

Komposiittien kestävyys voi olla merkityksellistä esimerkiksi tuulivoimaloiden lavoissa. Nano-ompelun vaikutusta sähkön tuotantotehokkuuteen tai aurinkopaneelien käyttöikään ei tässä tutkimuksessa mitattu.

Merenkulkutekniikka

Meritekniikassa käytetään komposiitteja, mutta syvänmeren paineenkesto riippuu koko rakenteesta ja vauriomekanismeista. Tutkimus ei osoita, että nano-ompelu yksin mahdollistaisi entistä syvemmälle sukeltamisen.

Robotiikka

Robotiikka voi hyötyä kevyistä ja kestävistä rakenteista. Mahdolliset hyödyt liikkuvuudelle ja energiankulutukselle riippuvat kuitenkin laitteen suunnittelusta.

Biohybridirobotit yhdistävät biologisia ja teknisiä osia. Nano-ompelun soveltuvuutta tällaisten robottien pieniin liitoksiin ei tässä tutkimuksessa osoitettu.

Komposiittialan yrityksiä

Seuraavat yritykset toimivat materiaali- ja komposiittialalla. Maininta ei tarkoita, että ne käyttäisivät tutkittua nano-ompelumenetelmää tai että menetelmä kasvattaisi niiden liikevaihtoa.

Owens Corning

OC Hintakaavio

Owens Corning (OC ) on suuri lasikuitu- ja rakennusmateriaalien valmistaja, jonka kotipaikka on Ohiossa. Yhtiö perustettiin vuonna 1938. Vuonna 1985 se muodosti ilmailu- ja strategisten materiaalien liiketoiminnan ostamalla Armcolta HITCOn, Ladishin ja Oregon Metallurgical Corporationin.

Kerrosten välinen vahvistus voisi kiinnostaa komposiittivalmistajia. Owens Corningin osallistumista tähän tutkimukseen tai menetelmän käyttöönottoa ei kuitenkaan osoitettu.

Teijin Limited

Teijin Limited on japanilainen materiaaliyritys, jonka toiminta kattaa muun muassa kuidut, hartsit ja komposiitit. Se perustettiin vuonna 1918. Konsernilla on kansainvälistä toimintaa useilla materiaaliteknologian aloilla.

Nano-ompelun mahdollinen käyttö Teijinin tuotteissa edellyttäisi materiaalien yhteensopivuuden, kustannusten ja valmistettavuuden tutkimista. Parantunut kilpailukyky ei seuraa siitä automaattisesti.

Hexcel

HXL Hintakaavio

Hexcel valmistaa muun muassa hiilikuituja, hartsijärjestelmiä, esikyllästeitä ja kennorakenteita vaativiin komposiittisovelluksiin. Kennorakenteet ovat osa tuotevalikoimaa, eivät yhtiön ainoa keskeinen tuote.

Hexcelin kaltaisilla toimijoilla on osaamista, joka voi olla hyödyllistä uusien komposiittien kehityksessä. Tutkimus ei silti osoittanut yhtiön käyttöönottoa tai varmaa kilpailuetua.

Nano-ompelun mahdollisuudet avaruudessa ja Maassa

Parempi kerrosten välinen sitkeys voi tukea tulevien rakenteiden kehitystä. Käyttö kuulennoilla tai muissa avaruushankkeissa edellyttää lisätestejä; maanpäällisetkin sovellukset ovat vielä erikseen arvioitavia.

Lue lisää valmistusteknologioiden kehityksestä.