Le fuselage d'un avion moderne est composé de plusieurs feuilles de différents matériaux composites, comme autant de couches dans une pâte phyllo. Une fois ces couches empilées et moulées en forme de fuselage, les structures sont transportées dans des fours et des autoclaves de la taille d'un entrepôt, où les couches fusionnent pour former un élastique, coque aérodynamique.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant développé une méthode pour produire des composites de qualité aérospatiale sans les énormes fours et récipients sous pression. La technique peut aider à accélérer la fabrication d'avions et d'autres gros, structures composites hautes performances, comme les pales d'éoliennes.

Les chercheurs détaillent leur nouvelle méthode dans un article publié aujourd'hui dans la revue Interfaces de matériaux avancées .

"Si vous faites une structure primaire comme un fuselage ou une aile, vous devez construire un récipient sous pression, ou autoclave, la taille d'un immeuble de deux ou trois étages, qui lui-même demande du temps et de l'argent pour faire pression, " dit Brian Wardle, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Ces choses sont d'énormes pièces d'infrastructure. Maintenant, nous pouvons fabriquer des matériaux de structure primaire sans pression d'autoclave, afin que nous puissions nous débarrasser de toute cette infrastructure. »

Les co-auteurs de Wardle sur l'article sont l'auteur principal et postdoctorant du MIT Jeonyoo Lee, et Seth Kessler de Metis Design Corporation, une société de surveillance de la santé structurelle de l'aérospatiale basée à Boston.

A la sortie du four, dans une couverture

En 2015, Lee a dirigé l'équipe, avec un autre membre du laboratoire de Wardle, en créant une méthode pour fabriquer des composites de qualité aérospatiale sans avoir besoin d'un four pour fusionner les matériaux ensemble. Au lieu de placer des couches de matériau à l'intérieur d'un four pour durcir, les chercheurs les ont essentiellement enveloppés dans un film ultrafin de nanotubes de carbone (CNT). Quand ils ont appliqué un courant électrique au film, les CNT, comme une couverture chauffante à l'échelle nanométrique, chaleur générée rapidement, provoquant le durcissement et la fusion des matériaux à l'intérieur.

Avec cette sortie de four, ou OoO, technique, l'équipe a pu produire des composites aussi résistants que les matériaux fabriqués dans les fours conventionnels de fabrication d'avions, en utilisant seulement 1 pour cent de l'énergie.

Les chercheurs ont ensuite cherché des moyens de fabriquer des composites haute performance sans utiliser de gros, autoclaves à haute pression - récipients de la taille d'un bâtiment qui génèrent des pressions suffisamment élevées pour presser les matériaux ensemble, combler tous les vides, ou des poches d'air, à leur interface.

"Il y a une rugosité de surface microscopique sur chaque pli d'un matériau, et quand tu mets deux plis ensemble, l'air est piégé entre les zones rugueuses, qui est la principale source de vides et de faiblesse dans un composite, " Wardle dit. "Un autoclave peut pousser ces vides vers les bords et s'en débarrasser."

Des chercheurs, dont le groupe de Wardle, ont exploré « hors autoclave, " ou OoA, techniques pour fabriquer des composites sans utiliser les énormes machines. Mais la plupart de ces techniques ont produit des composites où près de 1% du matériau contient des vides, ce qui peut compromettre la résistance et la durée de vie d'un matériau. En comparaison, Les composites de qualité aérospatiale fabriqués dans des autoclaves sont d'une telle qualité que tous les vides qu'ils contiennent sont négligeables et difficiles à mesurer.

"Le problème avec ces approches OoA est aussi que les matériaux ont été spécialement formulés, et aucun n'est qualifié pour les structures primaires telles que les ailes et les fuselages, " Wardle dit. "Ils font des incursions dans les structures secondaires, comme les volets et les portes, mais ils ont toujours des vides."

Pression de paille

Une partie du travail de Wardle se concentre sur le développement de réseaux nanoporeux - des films ultrafins fabriqués à partir d'alignements, matériau microscopique tel que les nanotubes de carbone, qui peut être conçu avec des propriétés exceptionnelles, y compris la couleur, force, et la capacité électrique. Les chercheurs se sont demandé si ces films nanoporeux pouvaient être utilisés à la place d'autoclaves géants pour écraser les vides entre deux couches de matériau, aussi improbable que cela puisse paraître.

Un film mince de nanotubes de carbone est un peu comme une forêt dense d'arbres, et les espaces entre les arbres peuvent fonctionner comme de minces tubes nanométriques, ou capillaires. Un capillaire tel qu'une paille peut générer une pression en fonction de sa géométrie et de son énergie de surface, ou la capacité du matériau à attirer des liquides ou d'autres matériaux.

Les chercheurs ont proposé que si un film mince de nanotubes de carbone était pris en sandwich entre deux matériaux, alors, au fur et à mesure que les matériaux étaient chauffés et ramollis, les capillaires entre les nanotubes de carbone doivent avoir une énergie de surface et une géométrie telles qu'ils attirent les matériaux l'un vers l'autre, plutôt que de laisser un vide entre eux. Lee a calculé que la pression capillaire devrait être supérieure à la pression appliquée par les autoclaves.

Les chercheurs ont testé leur idée en laboratoire en faisant croître des films de nanotubes de carbone alignés verticalement à l'aide d'une technique qu'ils ont développée précédemment, puis la pose des films entre des couches de matériaux qui sont généralement utilisés dans la fabrication à base d'autoclaves de structures d'avions primaires. Ils ont enveloppé les couches dans un second film de nanotubes de carbone, auquel ils ont appliqué un courant électrique pour le réchauffer. Ils ont observé qu'à mesure que les matériaux se réchauffaient et se ramollissaient en réponse, ils ont été tirés dans les capillaires du film CNT intermédiaire.

Le composite résultant manquait de vides, similaire aux composites de qualité aérospatiale qui sont produits dans un autoclave. Les chercheurs ont soumis les composites à des tests de résistance, essayer de séparer les couches, l'idée étant que le vide, si présent, permettrait aux couches de se séparer plus facilement.

« Dans ces tests, nous avons constaté que notre composite hors autoclave était tout aussi solide que le composite de processus d'autoclave de référence utilisé pour les structures aérospatiales primaires, " dit Wardle.

L'équipe cherchera ensuite des moyens d'étendre le film CNT générateur de pression. Dans leurs expériences, ils ont travaillé avec des échantillons mesurant plusieurs centimètres de large, suffisamment grands pour démontrer que les réseaux nanoporeux peuvent mettre les matériaux sous pression et empêcher la formation de vides. Pour rendre ce procédé viable pour la fabrication d'ailes et de fuselages entiers, les chercheurs devront trouver des moyens de fabriquer des NTC et d'autres films nanoporeux à une échelle beaucoup plus grande.

"Il existe des moyens de faire de très grandes couvertures de ce genre de choses, et il y a une production continue de feuilles, fils, et des rouleaux de matériau qui peuvent être incorporés dans le processus, " dit Wardle.

Il envisage également d'explorer différentes formulations de films nanoporeux, capillaires d'ingénierie d'énergies de surface et de géométries variables, pour pouvoir pressuriser et coller d'autres matériaux hautes performances.

« Maintenant, nous avons cette nouvelle solution matérielle qui peut fournir une pression à la demande là où vous en avez besoin, " Wardle dit. " Au-delà des avions, la majeure partie de la production composite dans le monde est constituée de tuyaux composites, pour l'eau, gaz, huile, toutes les choses qui entrent et sortent de nos vies. Cela pourrait faire faire toutes ces choses, sans l'infrastructure du four et de l'autoclave."

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.