Från vägarna till himlen – ‘Nano Stitching’ kan inleda en våg av nästa generations fordon

A studie publicerad i den vetenskapliga tidskriften ACS Applied Materials (AMAT ) and Interfaces introducerar en innovativ metod för att binda samman kompositmaterial kallad nano-stitching. Denna process kombinerar tunna kolfiberlaminat för att skapa ett kardborreliknande fäste mellan lagren. Resultatet är ett mer hållbart och lättviktigt material som kan tåla extrema miljöer. Här är vad du behöver veta om nano stitching och hur det kan förändra världen du lever i.

Vad är Nano Stitching?

Nano stitching är en process för att binda samman kompositlager med hjälp av laboratorieodlade vertikalt inriktade kolrör. Dessa ihåliga rör skapas med en speciell kemisk ångdepositionsprocess. Ångan reagerar med andra katalysatorer under bakningsprocessen.
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 tunna skogen binder sig själv som kardborre för att skapa en enhetlig och hållbar förbindelse. Denna extra styrka kan ha betydelse för flera industrier. Således kan alla industrier som använder kompositer dra nytta av teknologin och utnyttja den för att behålla strukturell integritet.

Problem som Nanostitching hjälper till att lösa

Det finns många problem som nano stitching kan hjälpa till att lindra. Till exempel kan kompositmaterial ofta ha mikroskopiska sprickor inom sina lager som är svåra att upptäcka. Dessa sprickor kan plötsligt expandera och orsaka att lagren separeras eller splittras.
Nano Stitching ersätter den nuvarande metoden att limma lagren tillsammans. Eftersom den har så många enhetliga kontaktpunkter sprider sig revor, slitage och sprickor inte lika lätt jämfört med ett lager av torkat lim. På så sätt kan nano stitching ha en enorm inverkan på hållbarheten och vikten hos framtida kompositer.

Delamination

Delamination är en term som avser möjligheten att kompositlager separeras. Delamination är en allvarlig oro när du har flera material som är förenade med lim. Varje lager ökar lite mer risken för delamination i den nuvarande processen. Nano stitching ger en mer motståndskraftig och hållbar lösning för tillverkare.

Svårt att inspektera

Det kan vara svårt att upptäcka intern skada på kompositmaterial. Varje lager lägger till ytterligare komplexitet i processen. Dessutom kan ett enskilt komposit reagera annorlunda än andra lager under olika förhållanden. När detta sker kan det saknas yttre tecken.

Nanotuber tillför interlaminär styrka via miljarder kontaktpunkter. Denna process kan hjälpa till att minska behovet av att upptäcka dessa sprickor eftersom de inte skulle spridas eller misslyckas spektakulärt. De kan lokalisera och repareras säkert med nano stitching för att laga eventuella reparationer.

Strukturella svagheter

Varje struktur har punkter som är svagare än andra. Ingenjörer ser nano stitching som det ideala sättet att förstärka nyckelpunkter i deras konstruktioner. Föreställ dig nano-stitched komposit som används runt bultar eller tunga belastningsområden. Det lätta stödet kan en dag göra byggnader säkrare.

Tillverkningsprocesser

Det nuvarande sättet att binda kompositlager är ineffektivt. Att eliminera användningen av lim och istället binda dessa lager på molekylär nivå är ett bättre alternativ som ger pålitliga resultat. Dessutom är processen enklare att genomföra jämfört med att använda lim för att binda lager.

MIT-ingenjörer

MIT-ingenjörer stod bakom detta fördelaktiga projekt. Teamet inkluderade Carolina Furtado, Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen och Pedro Camanho. Det leddes av professor i flygteknik och astronautik Brian Wardle. Noterbart är att Wardle är chef för Necstlab som specialiserar sig på kompositmaterial.

Testning

Forskningspapperet går in på detaljer om testprocessen och resultaten. Testfasen leddes av Carolina Furtado. Furtado är en expert inom området och har hjälpt till att skapa avancerade modeller för att minska sprickbildning.

Testet genomfördes på en avancerad komposit som bara var 3 millimeter tjock. Imponerande nog nano-stitched forskarna 60 lager av polymerblad för att testa sprickmotstånd.

Det första testet började med att ingenjörer skapade en spricka där lagren möttes vid kanten. De mätte sedan motståndet och brottpunkterna. Delaminationstestet kontrollerade bindningens motståndskraft mellan lagren. De fann att sprickorna inte spred sig och lagret förblev hårt fäst.

Potentiella tillämpningar för Nano Stitching

Det finns många användningsscenarier där nano stitching kan ha en omedelbar inverkan. Antalet industrier och produkter som använder kompositmaterial fortsätter att öka. Därför finns det en efterfrågan på lättare och mer motståndskraftiga alternativ. Här är några av de industrier som nano stitching snart kan förändra.

Luftfart

Luftfartsindustrin har mycket att vinna på förbättringen av kompositer. Dessa material har blivit ett av de viktigaste sätten för tillverkare att minska vikt och förbättra hållbarhet. Vissa kompositer kan reflektera radarsignaler och mer.

Nano stitching skulle möjliggöra för tillverkare att skapa högvärdiga luftfartsstrukturer. Dessa framtida flygplan kommer att vara lättare och drivas av avancerade motorer. De kommer att utnyttja de starkaste och lättaste materialen för att förbättra batteritid och hållbarhet.

Arkitektur.

Nano-stitching öppnar dörren för bättre byggnader och infrastruktur. Föreställ dig 3D-printade hem som kan stå emot hårt väder. Användningen av kompositmaterial i byggandet av avancerade strukturer som broar kan bidra till att göra resor säkrare för alla.

Bilindustri.

Elbilar är här men en av deras största nackdelar är batteritiden. Att minska deras vikt skulle hjälpa till att förlänga batteritiden ytterligare och göra elbilar mer attraktiva för fler kunder. Redan integrerar företag som TESLA kompositer för att förbättra hållbarhet och förbättra tillverkningsprocesser.

Energiproduktion och lagring

Nano Stitching kommer att göra kraftgenerering mer effektiv. Föreställ dig lätta vindkraftverk eller solpaneler som kan stå emot mer skada innan de går sönder. De skulle vara enklare att installera och kunna hantera större belastning än nuvarande modeller, vilket skulle leda till bättre effektivitet och tillgänglighet.

Marin ingenjörskonst

Undervattensutforskning är en annan industri som länge har arbetat med kompositer för att skapa de mest effektiva undervattensdesignerna. Nano stitching kan hjälpa människor att gå djupare än någonsin tidigare genom att möjliggöra för ingenjörer att skapa undervattensstrukturer som kan stå emot det enorma trycket på havets djup.

Robotik

Robotikindustrin söker alltid de lättaste och mest hållbara materialen. Integreringen av nano-stitched kompositer kan göra robotar lättare och låta dem färdas längre. Det kan också hjälpa avancerad robotik att bli mer portabel och tillgänglig på den globala marknaden.

Fältet för biohybrida robotar kan få en skjuts från dessa lätta kompositer. Dessa robotar utnyttjar organiska material som kombineras med lätta och ofta mikroskopiska komponenter. Nano stitching skulle erbjuda ett hållbart sätt att binda små robotkomponenter.

Företag som kan dra nytta av Nano Stitching

Många företag kan öka intäkter och produktförbättringar tack vare nano stitching. Dessa företag spänner över industrier från sjukvård till militära tillämpningar. Här är några företag som kan se en omedelbar ökning om de integrerar nano stitching i sina affärsmodeller.

Owens Corning

OC Prisdiagram

Owens Corning (OC ) är världens största tillverkare av glasfiberskompositer. Detta Ohio-baserade företag grundades 1935 och börsnoterades 1955. År 1985 utökade företaget sin marknadsposition efter att ha förvärvat Aerospace and Strategic Metals Group. Idag har Owens Corning över 30 kompositanläggningar.

Owens Corning skulle kunna använda nano stitching för att stärka sitt inträde på luftfartsmarknaden. De skulle kunna leverera mer motståndskraftiga komponenter och förbättra sin position. Dessutom skulle de kunna forska vidare om vilka material nano stitching håller tätt.

Teijin Limited

Teijin Limited är en Japan-baserad tillverkare som specialiserar sig på framställning av kompositer, harts, plast och fibrer. Företaget har varit verksamt sedan 1918 och är fortfarande en pionjär på kompositmarknaden. För närvarande har företaget över 20 000 anställda i 20 länder.

Nano Stitching är logiskt för Teijin eftersom det skulle förbättra många av deras produkter. Företaget skulle kunna integrera denna typ av kompositbindning i flera av de produkter de för närvarande erbjuder och minska vikten samt förbättra strukturell integritet.

Hexcel

HXL Prisdiagram

Hexcel är erkänt som en av de ledande tillverkarna av kompositmaterial. Företagets huvudprodukt är tillverkning av honungskaka, som främst används i luftfartsapplikationer. Honungskakstrukturen ger minskad vikt med optimal hållbarhet.

Hexcel skulle enkelt kunna dra nytta av nano-stitching-integration i sina flera sektorer. Tillverkaren erbjuder redan kolfiberförstärkning och hartsystem. Nano-stitched produkter skulle ge dem ett konkurrensfördel.

Nano Stitching kan driva nästa månmision

Användningen av nano stitching för att förbättra nuvarande och framtida kompositer kan hjälpa ingenjörer att utveckla nästa generations rymdfarkoster som behövs för att nå andra världar. För närvarande finns det många jordbaserade användningsfall som gör nano stitching till en intressant utveckling.

Du kan lära dig mer om spännande tillverkningsprojekt här.