ساخت کامپوزیت‌ قوی‌تر در هوافضا

کاربرد پیوند‌های نانولوله کربنی در ساخت کامپوزیت‌های قوی‌تر برای هوافضا

امروزه پیشرفته‌ ترین هواپیماهای مسافربری تولید شده توسط ایرباس و بوئینگ از آلیاژهای آلومینیوم سنتی ساخته نمی‌شوند. بلکه آنها به شدت به مواد کامپوزیتی پیشرفته، به ویژه پلاستیک‌های تقویت ‌شده با فیبر کربن (CFRP) متکی هستند. این کامپوزیت‌ها فوق ‌العاده سبک و درعین حال، بادوام هستند و در مقایسه با هواپیماهای معمولی با بدنه آلومینیومی، وزن کلی بدنه هواپیما را تا 20 درصد کاهش می‌دهند. نتیجه مستقیم چنین کاهش وزنی، بهبود راندمان سوخت است که یکی از مهمترین مزایای استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته در هوانوردی مدرن است. مصرف سوخت کمتر به صرفه‌ جویی در هزینه برای خطوط هوایی و کاهش قابل توجه انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر شده و در نتیجه، به اقتصاد و محیط زیست نیز سود می‌رساند.

با این حال، علیرغم مزایای عملکردی قابل توجه، مواد کامپوزیتی بدون نقص نیستند. نقطه ضعف اصلی آنها در ساختار لایه‌ای آنهاست. برخلاف آلومینیوم که می‌تواند ضربات نسبتا بزرگی را بدون شکست فاجعه ‌بار جذب کند، کامپوزیت‌ها در برابر لایه لایه شدن آسیب‌ پذیر هستند. ضربات کوچک، که ممکن است فقط یک پنل آلومینیومی را فرورفته کنند، می‌تواند باعث جدا شدن یا ترک خوردن لایه‌های نازک و متصل به هم از لایه‌های کامپوزیت شود. این پدیده مدت‌هاست که "پاشنه آشیل" فناوری کامپوزیت در نظر گرفته شده و چالشی کلیدی برای مهندسان هوافضا به شمار می‌رود که به دنبال به حداکثر رساندن ایمنی و عملکرد هستند.

یک تیم تحقیقاتی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) اخیرا یک راه حل امیدوارکننده برای این مشکل ارائه کرده است. آنها با تقویت نوآورانه پیوند بین لایه‌های کامپوزیت، موفق به ساخت موادی شده‌اند که نسبت به کامپوزیت‌های معمولی، به طور قابل توجهی قوی‌تر و مقاوم‌تر در برابر آسیب هستند. یافته‌های آنها که در مجله فناوری علم و کامپوزیت منتشر شده است، استفاده از نانولوله‌های کربنی، رول‌های فوق‌ العاده قوی و نانومقیاس از اتم‌های کربن، را به عنوان یک تقویت‌ کننده ساختاری در ماتریس کامپوزیت معرفی می‌کند.

تیم MIT، به رهبری محقق فوق دکترا، روبرتو گازمن (که درحال حاضر در موسسه مواد IMDEA در اسپانیا مشغول به کار است) و با نظارت پروفسور برایان واردل از دپارتمان هوانوردی و فضانوردی MIT (AeroAstro) انبوهی از نانولوله‌های کربنی عمودی را درون چسب پلیمری که لایه‌های فیبر کربن را به هم متصل می‌کند، جاسازی کردند. این "جنگل‌های" نانولوله‌ای مانند پیوند‌های نانومقیاس عمل کرده و به شکاف‌های ریز هر لایه نفوذ می‌کنند. سپس، به عنوان داربستی لایه‌ها را محکم به هم قفل می‌کنند. برخلاف تکنیک‌های تقویت قبلی مانند Z-pinning یا بافت سه‌ بعدی که شامل قرار دادن دسته‌های فیبر نسبتا بزرگ از طریق لایه‌ها و اغلب آسیب رساندن به مواد اطراف است، نانولوله‌های کربنی آنقدر کوچک هستند که یکپارچگی ساختاری الیاف کربن را مختل نمی‌کنند.

آزمایشات تجربی، اثربخشی این رویکرد را تأیید کردند. در یک آزمایش تحمل کشش، که در آن یک پیچ از میان ماده عبور داده شده و سپس تحت نیروهای کششی قرار گرفت، کامپوزیت‌های دوخته شده با نانولوله، قبل از شکست، 30 درصد نیروی بیشتری نسبت به کامپوزیت‌های معمولی تحمل کردند. به طور مشابه، در یک آزمایش فشار حفره باز، که در آن نیرو برای فشرده ‌سازی ناحیه اطراف حفره پیچ اعمال می‌شود، کامپوزیت‌های جدید قبل از ترک خوردن 14 درصد نیروی بیشتری را تحمل کردند. این نتایج نشان دهنده بهبود قابل توجهی در مقاومت کششی و فشاری که دو پارامتر عملکردی حیاتی برای سازه‌های هواپیما به شمار می‌روند، است.

پروفسور واردل توضیح می‌دهد که چرا این راه‌ حل نانومقیاس بسیار مؤثر است: "در این تکنیک اندازه بسیار اهمیت دارد. تکنیک‌های دوخت یا پین‌ گذاری سنتی، تقویت ‌کننده‌هایی هزاران برابر بزرگتر از خود الیاف کربن ایجاد می‌کنند که موجب آسیب قابل توجهی در این فرآیند می‌شوند. درمقابل، نانولوله‌های کربنی فقط 10 نانومتر قطر دارند که تقریبا یک میلیون برابر کوچکتر از الیاف کربن است. بنابراین به طور یکپارچه ادغام می‌شوند. علاوه براین، نانولوله‌ها حدود هزار برابر مساحت سطح بیشتری نسبت به الیاف کربن دارند که پیوند آنها با ماتریس پلیمری را تا حد زیادی افزایش می‌دهد".

پیامدهای این کار بسیار فراتر از لابراتوار است. امروزه بیش از 50 درصد از وزن پیشرفته ‌ترین هواپیماهای مسافربری امروزی مانند بوئینگ ۷۸۷ دریم‌ لاینر و ایرباس A350 از مواد کامپوزیتی تشکیل شده است. با بهبود استحکام، دوام و تحمل آسیب این کامپوزیت‌ها، تکنیک MIT می‌تواند هواپیماهای آینده را سبک‌تر و ایمن‌تر کند. از نظر عملی، این روش نیز می‌تواند امکان طراحی اجزای سازه‌ای نازک‌تر و سبک‌تری را فراهم کند که همچنان الزامات ایمنی دقیق را برآورده می‌کنند. این به معنای کاهش بیشتر وزن، استفاده کارآمدتر از سوخت و انتشار کمتر کربن درطول عمر هر هواپیما است.

علاوه براین، این نوآوری پتانسیل خاصی در مناطقی دارد که کامپوزیت‌ها آسیب‌ پذیرتر هستند مانند اطراف حفره‌ها و بست‌ها. کامپوزیت‌های معمولی اغلب در اطراف اتصالات پیچ و مهره‌ای ترک می‌خورند، اما ماده بهبود یافته‌ای که توسط تیم MIT توسعه داده شده است، در این قطعات حساس مقاومت بسیار بیشتری از خود نشان می‌دهند. این امر نه تنها عمر مفید قطعات را افزایش می‌دهد بلکه هزینه‌های نگهداری را به حداقل رسانده و مزایای اقتصادی طرح‌های هواپیماهای سنگین کامپوزیتی را بیشتر افزایش می‌دهد.

روبرتو گازمن بر تأثیر گسترده‌تر تحقیقاتشان تأکید می‌کند به این گونه که کار بیشتری باید انجام شود، اما خوش ‌بین هستیم که این فناوری منجر به ساخت سازه‌های قوی‌تر و سبک‌تر هواپیما شود. این به طور کلی، به معنای صرفه‌ جویی بالا در مصرف سوخت است که نه تنها برای محیط زیست، بلکه برای هزینه‌های عملیاتی خطوط هوایی نیز مفید است.

به طور خلاصه، نانولوله‌های کربنی (CNT) یکی از شگفت انگیزترین دستاوردهای فناوری نانو هستند که با خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی منحصر به فرد خود مسیرهای تازه‌ای را در طراحی و ساخت صنعت هوافضا گشوده‌اند. این ساختارهای نانومتری، به‌ویژه در قالب نانوکامپوزیت‌ها، توانسته‌اند چالش‌های سنتی صنعت هوافضا را به‌طور چشمگیری کاهش داده و آینده‌ای سبک‌تر، مقاوم‌تر و هوشمندتر را رقم بزنند.

ویژگی‌های منحصر به ‌فرد نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی دارای ویژگی‌هایی هستند که آنها را برای کاربرد در هواپیماها بسیار مناسب می‌سازد ازجمله استحکام کششی بالا (چند برابر فولاد اما با وزن بسیار کمتر)، هدایت حرارتی عالی (مناسب برای مدیریت گرما در بدنه و موتور)، هدایت الکتریکی بالا (قابل استفاده در سیستم‌های الکترونیکی و ضدیخ) و انعطاف‌ پذیری و چقرمگی شکست بالا (مقاومت در برابر ترک‌ خوردگی و ضربه).

کاربردهای اصلی در صنعت هواپیما سازی

1. ساخت بدنه‌های سبک و مقاوم: نانولوله‌های کربنی در قالب نانوکامپوزیت‌ها به رزین‌های اپوکسی افزوده می‌شوند تا بدنه‌هایی با وزن کمتر و مقاومت بیشتر تولید شود. این مواد نه‌ تنها مصرف سوخت را کاهش می‌دهند، بلکه ایمنی پرواز را نیز افزایش خواهند داد.

2. جلوگیری از یخ ‌زدگی: یکی از کاربردهای نوآورانه نانولوله‌های کربنی، استفاده در سامانه‌های گرمایشی الکتروترمال برای یخ ‌زدایی از بال‌ها و بدنه هواپیما است. این فناوری با توزیع یکنواخت گرما، مانع از تشکیل یخ در شرایط پرواز در ارتفاع بالا و دمای پایین می‌شود.

3. افزایش دوام و عمر قطعات: ساختار مارپیچ برخی نانولوله‌ها باعث ایجاد درهم‌ تنیدگی مکانیکی درون رزین‌ها می‌شود که از لایه‌ لایه شدن کامپوزیت‌ها جلوگیری کرده و عمر قطعات را افزایش می‌دهد.

4. پایش سلامت سازه‌ای: نانولوله‌های کربنی می‌توانند به‌ عنوان حسگرهای داخلی در ساختار هواپیما عمل کنند. و همچنین تغییرات فشار، دما یا ترک‌های ریز را شناسایی کرده و به سیستم‌های مانیتورینگ ارسال کنند.

مزایای کلیدی نانولوله‌های کربنی برای صنعت هوافضا

ناگفته نماند که استفاده از نانولوله‌های کربنی در بخش هوافضا از مزیت‌های بالقوه‌ای برخوردار است همچون کاهش وزن (باهدف مصرف سوخت کمتر و برد بیشتر)، افزایش ایمنی، مقاومت بیشتر در برابر ضربه، ترک و یخ‌ زدگی، بهبود عملکرد، هدایت بهتر گرما و برق در سیستم‌های داخلی، کاهش هزینه نگهداری، عمر طولانی‌تر قطعات و کاهش خرابی‌ها.

با پیشرفت فرآیندهای تولید و تیمار شیمیایی نانولوله‌ها، انتظار می‌رود که این فناوری در آینده‌ای نزدیک به‌طور گسترده در هواپیماهای تجاری، جت‌های نظامی و حتی فضاپیماها به‌کار گرفته شود.