Fra veiene til himmelen – ‘Nano Stitching’ kan innlede en bølge av neste generasjons kjøretøy

En studie publisert i det vitenskapelige tidsskriftet ACS Applied Materials (AMAT ) and Interfaces introduserer en innovativ metode for å binde sammen komposittmaterialer kalt nano‑stitching. Denne prosessen kombinerer tynne karbonfiberlaminater for å skape en borrelåslignende binding mellom lagene. Resultatet er et mer holdbart og lett materiale som kan tåle ekstreme miljøer. Her er det du trenger å vite om nano‑stitching og hvordan det kan endre verden du lever i.

Hva er Nano Stitching?

Nano stitching er en prosess for å binde sammen komposittlag ved hjelp av laboratoriedyrkede vertikalt justerte karbonrør. Disse hule rørene lages ved en spesiell kjemisk dampavsetningsprosess. Denne dampen reagerer med andre katalysatorer under herdeprosessen.
The carbon falls to the surface as a microscopic forest of nanotubes. These microscopic tubes can result in billions of bindings when sandwiched between layers of thin-ply carbon fiber laminate. These thin layers are only around 50 micrometers in width. This thickness is a 3rd of a hair for comparison.

Den tynne skogen binder seg selv som borrelås for å skape en jevn og holdbar forbindelse. Denne ekstra styrken kan ha implikasjoner på tvers av flere industrier. Dermed kan enhver industri som bruker kompositter dra nytte av teknologien og utnytte den for å opprettholde strukturell integritet.

Problemer som Nano Stitching hjelper å løse

Det finnes mange problemer som nano stitching kan bidra til å lindre. For eksempel kan komposittmaterialer ofte ha mikroskopiske sprekker i lagene som er vanskelige å oppdage. Disse sprekkene kan plutselig utvide seg og få lagene til å skille seg eller knuse.
Nano Stitching erstatter den nåværende metoden med å lime lagene sammen. Siden den har så mange jevne kontaktpunkter, sprer rift, rifter og sprekker seg ikke like lett sammenlignet med et lag med tørket lim. Dermed kan nano‑stitching ha en enorm innvirkning på holdbarheten og vekten til fremtidige kompositter.

Delaminering

Delaminering er et begrep som refererer til muligheten for at komposittlag kan skille seg. Delaminering er en alvorlig bekymring når du har flere materialer koblet sammen med lim. Hvert lag legger til en liten ekstra sjanse for delaminering i den nåværende prosessen. Nano stitching gir en mer robust og holdbar løsning for produsenter.

Vanskelig å inspisere

Det kan være vanskelig å oppdage intern skade på komposittmaterialer. Hvert lag legger til en ny kompleksitet i prosessen. I tillegg kan et enkelt kompositt reagere annerledes enn andre lag under ulike forhold. Når dette skjer, kan det ikke være noen ytre tegn.

Nanotuber tilfører interlaminær styrke via milliarder av kontaktpunkter. Denne prosessen kan bidra til å redusere behovet for å oppdage disse sprekkene siden de ikke vil spre seg eller svikte spektakulært. De kan lokalisere og repareres trygt ved bruk av nano stitching for å fikse eventuelle skader.

Strukturelle svakheter

Alle strukturer har punkter som er svakere enn andre. Ingeniører ser nano stitching som den ideelle måten å forsterke kritiske punkter i sine konstruksjoner. Tenk deg nano‑stitchet kompositt brukt rundt bolter eller områder med tung belastning. Den lette støtten kan en dag gjøre bygninger tryggere.

Produksjonsprosesser

Den nåværende måten å binde komposittlag på er ineffektiv. Å eliminere bruken av lim og i stedet binde lagene på molekylært nivå er et bedre alternativ som gir pålitelige resultater. I tillegg er prosessen enklere å gjennomføre sammenlignet med å bruke lim for å binde lag.

MIT‑ingeniører

MIT‑ingeniører stod bak dette fordelaktige prosjektet. Teamet inkluderte Carolina Furtado, Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon‑Cohen og Pedro Camanho. Det ble ledet av professor i Aeronautikk og Astronautikk Brian Wardle. Merk at Wardle er direktør for Necstlab, som spesialiserer seg på komposittmaterialer.

Testing

Forskningspapiret går i detalj om testprosessen og resultatene. Testfasen ble ledet av Carolina Furtado. Furtado er en ekspert på området og har bidratt til å lage avanserte modeller for å dempe sprekker.
The test was conducted on an advanced composite that measured only 3 millimeters thick. Impressively, the researchers nano-stitched 60 layers of polymer sheets to test crack resilience.
Den første testen startet med at ingeniører laget en sprekk der lagene møttes på kanten. De målte deretter motstanden og bristepunktene. Delamineringstesten sjekket motstandskraften til bindingen mellom lagene. De fant at sprekkene ikke spredte seg og at laget forble tett festet.

Potensielle anvendelser – Nano Stitching‑applikasjoner

Det finnes mange brukstilfeller hvor nano stitching kan ha umiddelbar innvirkning. Antallet industrier og produkter som bruker komposittmaterialer fortsetter å vokse. Derfor er det etterspørsel etter lettere og mer robuste alternativer. Her er noen av industriene som nano stitching snart kan revolusjonere.

Romfart

Romfartsindustrien har mye å vinne på forbedringen av kompositt. Disse materialene har blitt en av hovedmetodene for produsenter å redusere vekt og forbedre holdbarhet. Noen kompositter kan reflektere radarbølger og mer.

Nano stitching vil gjøre det mulig for produsenter å lage høyverdige romfartsstrukturer. Disse fremtidige flyene vil være lettere og drives av avanserte motorer. De vil utnytte de sterkeste og letteste materialene for å forbedre batterilevetid og holdbarhet.

Arkitektur.

Nano‑stitching åpner døren for bedre bygninger og infrastruktur. Tenk deg 3D‑printede hjem som kan tåle tøft vær. Bruken av komposittmaterialer i bygging av avanserte strukturer som broer kan bidra til å gjøre reise tryggere for alle.

Bilindustri.

Elbiler er her, men en av deres største ulemper er batterilevetiden. Å redusere vekten vil bidra til å forlenge batterilevetiden ytterligere og gjøre elbiler mer attraktive for flere kunder. Allerede nå integrerer selskaper som TESLA kompositt for å forbedre holdbarhet og forbedre produksjonsprosesser.

Energiproduksjon og lagring

Nano Stitching vil gjøre kraftproduksjon mer effektiv. Tenk deg lettvektige vindmøller eller solcellepaneler som kan tåle mer skade før de svikter. De ville være enklere å sette opp og kunne håndtere større belastning enn dagens modeller, noe som ville gi bedre effektivitet og tilgjengelighet.

Marin ingeniørkunst

Undervannsutforskning er en annen industri som lenge har arbeidet med kompositter for å lage de mest effektive undervannsløsningene. Nano stitching kan hjelpe mennesker å gå dypere enn noen gang før ved å gjøre det mulig for ingeniører å lage undervannsstukturer som kan tåle det enorme trykket på havbunnen.

Robotikk

Robotikkindustrien er alltid på jakt etter de letteste og mest holdbare materialene. Integreringen av nano‑stitchede kompositter kan gjøre roboter lettere og få dem til å bevege seg lenger. Det kan også hjelpe avansert robotikk med å bli mer bærbar og tilgjengelig for det globale markedet.

Feltet for bio‑hybride roboter kan få et løft fra disse lettvektige komposittene. Disse robotene utnytter organiske materialer kombinert med lette og ofte mikroskopiske komponenter. Nano stitching vil gi en holdbar måte å binde små robotkomponenter på.

Selskaper som kan ha nytte av Nano Stitching

Mange selskaper kan øke inntektene og produktforbedringene takket være nano stitching. Disse firmaene spenner over industrier fra helsevesen til militære anvendelser. Her er noen få selskaper som kan oppleve en umiddelbar økning dersom de integrerer nano stitching i sine forretningsmodeller.

Owens Corning

OC Prisdiagram

Owens Corning (OC ) er verdens største produsent av glassfiberkompositter. Dette Ohio-baserte selskapet ble grunnlagt i 1935 og ble børsnotert i 1955. I 1985 utvidet selskapet sin markedsposisjon etter å ha kjøpt opp Aerospace and Strategic Metals Group. I dag har Owens Corning over 30 komposittfasiliteter.

Owens Corning kan bruke nano stitching for å styrke sin satsning på romfartsmarkedet. De kan levere mer robuste komponenter og styrke sin posisjon. I tillegg kan de forske videre på hvilke materialer nano stitching holder tett.

Teijin Limited

Teijin Limited er en japansk produsent som spesialiserer seg på produksjon av kompositter, harpikser, plast og fibre. Selskapet har vært i drift siden 1918 og er fortsatt en pioner i komposittmarkedet. For tiden har selskapet over 20 000 ansatte i 20 land.

Nano Stitching gir mening for Teijin da det vil forbedre mange av deres produkter. Selskapet kan integrere denne typen komposittbinding i flere av produktene de allerede tilbyr, og dermed redusere vekt og forbedre strukturell integritet.

Hexcel

HXL Prisdiagram

Hexcel er anerkjent som en av de ledende produsentene av komposittmaterialer. Selskapets hovedprodukt er honningkakeproduksjon som primært brukes i romfartsapplikasjoner. Honningkake‑strukturen gir redusert vekt med optimal holdbarhet.

Hexcel kan enkelt dra nytte av nano‑stitching‑integrasjon på tvers av sine mange sektorer. Produsenten tilbyr allerede karbonfiberforsterkning og harpiksystemer. Nano‑stitchede produkter vil gi dem et konkurransefortrinn.

Nano Stitching kan drive neste månemisjon

Bruken av nano stitching for å forbedre nåværende og fremtidige kompositter kan hjelpe ingeniører med å utvikle neste generasjons romfartøy som trengs for å nå andre verdener. For nå finnes det mange jordbaserte bruksområder som gjør nano stitching til en interessant utvikling.

Du kan lære mer om kule produksjonsprosjekter her.