Les matériaux composites utilisés dans les ailes et les fuselages d'avions sont généralement fabriqués en grands, fours de taille industrielle :plusieurs couches de polymère sont sablées à des températures allant jusqu'à 750 degrés Fahrenheit, et solidifié pour former un solide, matériau résilient. En utilisant cette approche, il faut d'abord une énergie considérable pour chauffer le four, puis le gaz qui l'entoure, et enfin le composite proprement dit.

Les ingénieurs aérospatiaux du MIT ont maintenant développé un film de nanotubes de carbone (CNT) qui peut chauffer et solidifier un composite sans avoir besoin de fours massifs. Lorsqu'il est connecté à une source d'alimentation électrique, et enroulé sur un composite polymère multicouche, le film chauffé stimule la solidification du polymère.

Le groupe a testé le film sur un matériau en fibre de carbone commun utilisé dans les composants d'avions, et a découvert que le film créait un composite aussi résistant que celui fabriqué dans des fours conventionnels, tout en utilisant seulement 1 % de l'énergie.

La nouvelle approche « hors four » peut offrir une approche plus directe, méthode d'économie d'énergie pour la fabrication de pratiquement n'importe quel composite industriel, dit Brian L. Wardle, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT.

"Typiquement, si vous allez cuisiner un fuselage pour un Airbus A350 ou un Boeing 787, vous avez un four à quatre étages qui représente des dizaines de millions de dollars d'infrastructure dont vous n'avez pas besoin, " dit Wardle. "Notre technique met la chaleur là où elle est nécessaire, en contact direct avec la pièce à assembler. Considérez-le comme une pizza auto-chauffante. … Au lieu d'un four, il suffit de brancher la pizza au mur et elle se cuit toute seule."

Wardle dit que le film de nanotubes de carbone est également incroyablement léger :après avoir fusionné les couches de polymère sous-jacentes, le film lui-même - une fraction du diamètre d'un cheveu humain - s'engrène avec le composite, ajoutant un poids négligeable.

L'équipe, y compris les étudiants diplômés du MIT Jeonyoon Lee et Itai Stein et Seth Kessler de la Metis Design Corporation, a publié ses résultats dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Dégivreurs à nanotubes de carbone

Wardle et ses collègues ont expérimenté des films CNT ces dernières années, principalement pour le dégivrage des ailes d'avion. L'équipe a reconnu qu'en plus de leur poids négligeable, les nanotubes de carbone chauffent efficacement lorsqu'ils sont exposés à un courant électrique.

Le groupe a d'abord développé une technique pour créer un film de nanotubes de carbone alignés composé de minuscules tubes de carbone cristallin, debout comme des arbres dans une forêt. Les chercheurs ont utilisé une tige pour faire rouler la "forêt" à plat, créant un film dense de nanotubes de carbone alignés.

Dans les expériences, Wardle et son équipe ont intégré le film dans les ailes d'avion via des méthodes de durcissement au four, montrant que lorsque la tension a été appliquée, le film a généré de la chaleur, empêchant la formation de glace.

Les tests de dégivrage ont inspiré une question :si le film CNT pouvait générer de la chaleur, pourquoi ne pas l'utiliser pour faire le composite lui-même ?

Jusqu'où pouvez-vous aller?

Dans les premières expériences, les chercheurs ont étudié le potentiel du film à fusionner deux types de composites de qualité aérospatiale généralement utilisés dans les ailes et les fuselages des avions. Normalement le matériel, composé d'environ 16 couches, est solidifié, ou réticulé, dans un four industriel à haute température.

Les chercheurs ont fabriqué un film CNT de la taille d'un post-it, et placé le film sur un carré de Cycom 5320-1. Ils ont connecté des électrodes au film, puis appliqué un courant pour chauffer à la fois le film et le polymère sous-jacent dans les couches composites Cycom.

L'équipe a mesuré l'énergie nécessaire pour se solidifier, ou réticulation, les couches de polymère et de fibre de carbone, constatant que le film CNT utilisait un centième de l'électricité requise pour les méthodes traditionnelles au four pour durcir le composite. Les deux méthodes ont généré des composites avec des propriétés similaires, comme la densité de réticulation.

Wardle dit que les résultats ont poussé le groupe à tester davantage le film CNT :comme différents composites nécessitent des températures différentes pour fusionner, les chercheurs ont cherché à savoir si le film CNT pouvait, littéralement, prendre la chaleur.

« À un moment donné, les radiateurs grillent, " Wardle dit. "Ils s'oxydent, ou ont différentes façons dont ils échouent. Ce que nous voulions voir, c'était à quel point ce matériau pouvait chauffer."

Pour faire ça, le groupe a testé la capacité du film à générer des températures de plus en plus élevées, et j'ai trouvé qu'il dépassait 1, 000 F. En comparaison, certains des polymères aérospatiaux les plus chauds nécessitent des températures allant jusqu'à 750 F pour se solidifier.

"Nous pouvons traiter à ces températures, ce qui signifie qu'il n'y a pas de composite que nous ne pouvons pas traiter, " Wardle dit. "Cela ouvre vraiment tous les matériaux polymères à cette technologie."

L'équipe travaille avec des partenaires industriels pour trouver des moyens d'étendre la technologie pour fabriquer des composites suffisamment grands pour fabriquer des fuselages et des ailes d'avion.

"Il faut réfléchir à l'électrodéposition, et comment vous allez réellement établir le contact électrique efficacement sur de très grandes surfaces, " Wardle dit. "Vous auriez besoin de beaucoup moins de puissance que vous n'en mettez actuellement dans votre four. Je ne pense pas que ce soit un défi, mais il faut le faire."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.