Building stronger multifunctional c

Building stronger multifunctional composites
Carbon nanotube deicing technologies developed at MIT could be in flight tests as early as next year.
Denis Paiste | Materials Processing Center
August 12, 2013
SHARE

Share on facebook
Share on twitter
Share on google_plusone_share
Share on reddit
Share on stumbleupon
Share on linkedin
Share on email
Share on print
More Sharing Services
COMMENT

Carbon nanotubes can contribute their mechanical strength and electrical properties across a wide range of areas from aerospace to medicine, and the necstlab of MIT Associate Professor of Aeronautics and Astronautics Brian L. Wardle is making an impact in deicing, polymer composites and sensors.
Two hallmark technologies, nanostitch architecture and fuzzy fiber architecture, underlie advances in mechanical strength for aerospace with lighter weight and low power anti-icing for airplane wings. Both use aligned nanowires, specifically carbon nanotube forests, which are compatible with carbon-fiber polymer composites.
"We’ve proven two of these hybrid advanced composite architectures comprised of nanowires plus micron scale advanced fibers, which are carbon fibers in aerospace applications due to their specific strength and their specific stiffness," Wardle says.
Eager to fly
"Our nanocomposite materials also have the attribute that you can control the electrical conductivity and spatially tailor heating, so that it’s been utilized for what’s called an ice protection system (IPS). That technology has been integrated onto wings and gone through several days of full scale ice tunnel testing. It’s actually something I’m quite proud of from the standpoint that I’ve been working with nanomaterials for bulk materials, and now I have wings that have meter scale bars. These are meter-long members being tested in an ice tunnel, and I'll be even happier when they fly," Wardle says.
Video footage shows the carbon nanotubes at work in deicing and anti-icing. First author Samuel T. Buschhorn, a postdoctoral associate, presented the paper, "Electrothermal Icing Protection of Aerosurfaces Using Conductive Polymer Nanocomposites," at the American Institute of Aeronautics and Astronautics conference in Boston in April 2013. Wardle and Lachman were among the co-authors.
The work was done in collaboration with Metis Design Corp. in Boston. Wardle's NECST Consortium has spun off a company, N12 Technologies, for commercializing the technology, and he hopes that early to mid-2014 will see both commercial and unmanned aerial vehicle (UAV), or drone, testing.
The de-icing uses nanostitch technologies to weld carbon nanotubes to a wing. "We’ve refined the manufacturing and synthesis aspects, so we’re making the materials nearly in the way that I originally envisioned them, and indeed, we’re observing the mechanical property improvements consistent with the models that we have at hand. We’re also learning some new things, these reinforcements are actually giving us strength in the opposite direction, enhancing properties that we did not expect initially, so we are learning as we go along as well," Wardle says.
With the NECST Consortium, graduate student Richard Li and postdoc Stephen Steiner published results of a study of CNTs grown on carbon-fiber in May 2013. Postdoctoral associate Noa Lachman is defining atomic level morphology, or geometric structure, of carbon nanotube forests within macroscopic composites and devices.
"This group is pretty much a team, more than just a group," Lachman says. Ph.D. candidate Sunny Wicks has demonstrated enhanced fracture toughness in aligned CNT-reinforced laminates made with both marine and aerospace epoxies. "The more I work on this material, the more complex it gets," Wicks says.
Improving structural properties
For Wardle, it's all following a strategic plan. "We're after improving the structural properties," he says. In the nanostitch architecture, the carbon nanowires reinforce the interface between layers of polymer composites, and in the fuzzy fiber architecture, they reinforce the bulk of the material. The vertical arrays are knocked down and compressed for the nanostitch deicing application.
"Existing advanced composite materials are widely used in aerospace because they are strong and light as well as stiff and light. We can make advanced materials, which are highly engineered materials, even more advanced by reinforcing areas where they are insufficiently reinforced, with these aligned nanowires. All of our nanomaterials are fiber materials. A typical array has 50 billion nanowires per square centimeter, so there is a lot of reinforcement potential," Wardle says. "Our approach is to do the structural work first and then you get the multi-functional for free." Those extras include enhanced electrical and thermal conductivity. The work is supported by industry and government, including the U.S. Army, Navy and Air Force as well as the National Science Foundation.
"The core of the group going forward is still to investigate and understand the true potential of these architectures that we’re now still demonstrating," Wardle says.
Referring to Li and Steiner's work on CNTs grown on carbon fiber, he says, "One of the exciting things we now have at a very small scale, but a relevant composite scale, is this fuzzy fiber architecture on carbon fiber. It’s very exciting to think about making the larger scale materials, laminate-level versions of fuzzy carbon fibers. That will be a big piece of work in the next couple of years. I’m very excited about the intersection of nanotechnology and manufacturing. So we have several things demonstrated and several programs that will be expanding over the next year. We’re looking at nanotechnologies as a way to improve the effectiveness of manufacturing as well as reduce cost."
One project is to look at reducing the energy used to make carbon fiber composites in ovens. "We have the ability to reduce the amount of energy used by factors of 10, 100, even a 1000 … so I’m very excited about the future," Wardle says.
A recent initiative funded by the Center for Materials Science and Engineering at MIT will combine the efforts of Wardle, Michael Rubner, Robert Cohen and Gareth McKinley at MIT and Mehmet Toner at Harvard to look at layer-by-layer deposition and functionalizing CNT elements in microfluidics by tailoring their porosity and permeability. Other current work is focused on nanomaterials for energy storage and conversion. Past work includes proving that metal oxides, notably zirconia, could act as a catalyst for nanostructures.

Kết quả (Việt) 1:

Xây dựng mạnh mẽ hơn vật liệu tổng hợp đa chức năngCacbon nanotube làm tan băng công nghệ phát triển tại MIT có thể trong chuyến bay thử nghiệm vào đầu năm tới.Denis Paiste | Trung tâm xử lý vật liệu Ngày 12 tháng 8 năm 2013CHIA SẺChia sẻ trên facebookChia sẻ trên twitterChia sẻ trên google_plusone_shareChia sẻ trên redditChia sẻ trên stumbleuponChia sẻ trên linkedinChia sẻ trên thư điện tửChia sẻ trên inThêm các dịch vụ chia sẻBÌNH LUẬNỐng nano cacbon có thể đóng góp sức mạnh cơ khí của họ và các tính chất điện qua một loạt các lĩnh vực từ hàng không vũ trụ để y học, và necstlab của MIT Giáo sư hàng và Astronautics Brian L. Wardle là làm cho một tác động trong làm tan băng, vật liệu tổng hợp polymer và cảm biến.Hai tiêu chuẩn công nghệ, kiến trúc nanostitch và kiến trúc mờ chất xơ, làm cơ sở cho những tiến bộ trong sức mạnh cơ khí cho các vũ trụ với trọng lượng nhẹ hơn và năng lượng thấp chống đóng băng cho máy bay cánh. Cả hai sử dụng liên kết nanowires, đặc biệt carbon nanotube rừng, đó là tương thích với vật liệu composite sợi carbon polymer."Chúng tôi đã chứng minh hai trong số kết hợp nâng cao kiến trúc tổng hợp bao gồm nanowires cộng với quy mô micron nâng cao sợi, đó là sợi carbon trong các ứng dụng hàng không vũ trụ do sức mạnh cụ thể của họ và của độ cứng cụ thể," Wardle nói.Mong muốn bay"Chúng tôi vật liệu nanocomposite cũng có các thuộc tính mà bạn có thể kiểm soát độ dẫn điện và trong không gian chỉnh hệ thống sưởi, do đó nó được sử dụng cho những gì đã gọi là một hệ thống bảo vệ băng (IPS). Công nghệ mà đã được tích hợp vào cánh và đi qua một vài ngày kể từ ngày quy mô đầy đủ băng thử nghiệm trong hầm. Nó thực sự là một cái gì đó tôi khá tự hào về từ quan điểm đó tôi đã làm việc với vật liệu nano vật liệu rời, và bây giờ tôi có cánh có mét quy mô quán bar. Đây là những thành viên mét dài được thử nghiệm trong một đường hầm băng, và tôi sẽ hạnh phúc hơn ngay cả khi họ bay,"Wardle nói.Cảnh quay video cho thấy các ống nano cacbon tại nơi làm việc trong làm tan băng và chống đóng băng. Tác giả đầu tiên Samuel T. Buschhorn, một sau tiến sĩ liên kết, trình bày giấy, "Electrothermal đóng băng bảo vệ của Aerosurfaces sử dụng dẫn điện Polymer Nanocomposites," tại Mỹ viện của hàng và lãnh hội nghị ở Boston vào tháng 4 năm 2013. Wardle và Lachman cũng nằm trong số các tác giả đồng.Công việc được thực hiện trong hợp tác với công ty thiết kế Metis ở Boston. Wardle của NECST tập đoàn đã tách ra một công ty, N12 công nghệ, cho thương mại hóa công nghệ, và ông hy vọng rằng sớm đến giữa năm 2014 sẽ thấy chiếc xe trên không cả thương mại và không người lái (UAV), hoặc mục tiêu giả, thử nghiệm.De-icing sử dụng công nghệ nanostitch để hàn ống nano cacbon để một cánh. "Chúng tôi đã tinh chế sản xuất và các khía cạnh tổng hợp, do đó, chúng tôi đang làm cho các tài liệu gần như theo cách mà tôi ban đầu được hình dung chúng, và thực sự, chúng tôi đang quan sát cải tiến tài sản cơ khí, phù hợp với các mô hình mà chúng tôi có ở bàn tay. Chúng tôi cũng đang học tập một số những điều mới, các lực lượng tăng cường thực sự cho chúng tôi sức mạnh theo hướng đối diện, tăng cường các tính năng mà chúng tôi đã không mong đợi ban đầu, do đó, chúng tôi đang học như chúng tôi đi cùng là tốt,"Wardle nói.Với tập đoàn NECST, sinh viên tốt nghiệp Richard Li và postdoc Stephen Steiner công bố kết quả của một nghiên cứu của CNTs trồng trên sợi carbon vào tháng 5 năm 2013. Sau tiến sĩ liên kết Noa Lachman xác định nguyên tử hình thái học cấp, hoặc cấu trúc hình học của cacbon nanotube rừng trong thiết bị và vật liệu tổng hợp vĩ mô."Nhóm này là khá nhiều là một nhóm, nhiều hơn là chỉ một nhóm," Lachman nói. Tiến sĩ ứng cử viên nắng bấc đã chứng minh sự bền bỉ nâng cao gãy xương trong liên kết tăng cường CNT laminates được thực hiện với biển và hàng không vũ trụ epoxies. "Càng tôi làm việc trên tài liệu này, phức tạp hơn nó được," Wicks nói.Cải thiện cấu trúc thuộc tínhCho Wardle, nó tất cả theo một kế hoạch chiến lược. "Chúng tôi đang sau đợt cải thiện các thuộc tính cấu trúc," ông nói. Kiến trúc nanostitch, cacbon nanowires tăng cường giao diện giữa các lớp vật liệu tổng hợp polymer, và kiến trúc mờ chất xơ, họ củng cố phần lớn của vật liệu. Các mảng theo chiều dọc được đổ xuống và nén cho nanostitch làm tan băng ứng dụng. "Hiện có tiên tiến làm bằng vật liệu được sử dụng rộng rãi trong vũ trụ bởi vì họ là mạnh mẽ và ánh sáng cũng như cứng và ánh sáng. Chúng tôi có thể làm cho vật liệu tiên tiến, là thiết kế rất tài liệu, nâng cao hơn bằng cách tăng cường các khu vực nơi họ được không tăng cường, với các liên kết nanowires. Tất cả vật liệu nano của chúng tôi là các vật liệu sợi. Một điển hình mảng có 50 tỷ nanowires mỗi vuông cm, do đó rất nhiều tăng cường tiềm năng, "Wardle nói. "Phương pháp tiếp cận của chúng tôi là để làm công việc cấu trúc đầu tiên và sau đó bạn nhận được đa chức năng miễn phí." Những tính năng bổ sung bao gồm tăng cường độ dẫn điện và nhiệt. Các công việc được hỗ trợ bởi ngành công nghiệp và chính phủ, bao gồm cả quân đội Hoa Kỳ, Hải quân và không quân cũng như National Science Foundation."Cốt lõi của nhóm đi về phía trước là vẫn còn để điều tra và hiểu tiềm năng thực sự của các kiến trúc mà chúng tôi bây giờ vẫn còn đang thể hiện," Wardle nói.Đề cập đến công việc Li và của Steiner vào CNTs trồng trên sợi carbon, ông nói, "một trong những điều thú vị chúng tôi bây giờ có quy mô rất nhỏ, nhưng quy mô tổng hợp có liên quan, là kiến trúc mờ sợi này trên sợi carbon. Nó là rất thú vị để suy nghĩ về việc liệu quy mô lớn hơn, gỗ cấp phiên bản của sợi carbon mờ. Đó sẽ là một mảnh lớn của công việc trong vài năm tới. Tôi rất vui mừng về giao điểm của công nghệ nano và sản xuất. Vì vậy, chúng tôi có một vài điều đã chứng minh và một số chương trình sẽ mở rộng trong năm tới. Chúng tôi đang tìm tại mug như một cách để cải thiện hiệu quả của sản xuất, cũng như giảm chi phí."Một dự án là để xem xét việc giảm năng lượng sử dụng để làm vật liệu composite sợi carbon trong lò nướng. "Chúng tôi có khả năng làm giảm lượng năng lượng được sử dụng bởi các yếu tố của 10, 100, thậm chí một 1000... vì vậy tôi rất vui mừng về tương lai," Wardle nói.Một sáng kiến tại tài trợ bởi Trung tâm cho khoa học vật liệu và kỹ thuật tại MIT sẽ kết hợp những nỗ lực của Wardle, Michael Rubner, Robert Cohen và Gareth McKinley tại MIT và Mehmet mực tại Harvard để nhìn vào lớp của lớp lắng đọng và functionalizing CNT yếu tố trong microfluidics bởi may độ xốp và tính thấm của họ. Công việc hiện tại là tập trung vào vật liệu nano cho năng lượng lưu trữ và chuyển đổi. Qua làm việc bao gồm chứng minh rằng oxit kim loại đáng chú ý là zirconia, có thể hoạt động như một chất xúc tác cho nanostructures.