楊大可

由復(fù)合材料點(diǎn)燃的現(xiàn)代飛機(jī)制造的材料革命還在蔓延。如今在波音737和空客A320后續(xù)機(jī)型上，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的占比已經(jīng)達(dá)到50%～65%。

所謂復(fù)合材料，就是將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。多種不同的復(fù)合材料制成現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)身的過(guò)程，就像烤多層酥皮蛋糕一樣。先將不同的材料層堆疊在一起并塑造成機(jī)身的形狀;然后，將這個(gè)結(jié)構(gòu)推入到倉(cāng)庫(kù)大小的“烤箱”和高壓釜中。在那里，這些層逐漸融合在一起，形成一個(gè)有良好氣動(dòng)彈性特征的飛機(jī)外殼。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需巨大的加熱爐子和壓力容器，用小小的碳納米管薄膜包裹在復(fù)合材料之上，就能生產(chǎn)出航空級(jí)復(fù)合材料的方法。而且，新方法所消耗的能量?jī)H為傳統(tǒng)制造方式的1%。這項(xiàng)技術(shù)將有助于加速飛機(jī)和其他大型高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造，比如風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片等。這也是人們首次在不利用高壓釜的情況下，制造航空級(jí)別的先進(jìn)復(fù)合材料。這可能給復(fù)合材料的制造帶來(lái)另一場(chǎng)革命。

這項(xiàng)成果發(fā)表在最新一期的AdvancedMaterials Interfaces雜志上，麻省理工學(xué)院航空航天工程系教授、納米復(fù)合航空航天結(jié)構(gòu)聯(lián)盟（NECST）主席Brian L. Wardle帶領(lǐng)航空航天工程系博士后研究員Jeonyoon Lee，以及目前在Metis Design Corporation（一家航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)公司）工作的Seth Kessler一同完成了該研究。

Wardle表示，這項(xiàng)研究在應(yīng)用層面上有著非常積極的意義，擴(kuò)展了先進(jìn)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝。同時(shí)，在節(jié)能和降低生產(chǎn)成本角度也有著卓越的效果。

讓飛機(jī)使用的復(fù)合材料結(jié)合得更牢固

性能達(dá)標(biāo)，百倍節(jié)能

先進(jìn)復(fù)合材料，自20世紀(jì)60年代作為一種新材料崛起以后，與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天的四大結(jié)構(gòu)材料。由于其具有比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)，以及易于整體成型等多重優(yōu)勢(shì)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上采用先進(jìn)復(fù)合材料會(huì)比常規(guī)的合金材料減重25%～30%，并能明顯改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性特性，提高飛行性能。因此，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的占比不斷上升，從波音747的1%、空客A300的5%，增長(zhǎng)到空客A380的25%、波音787的50%;如今在波音737和空客A320后續(xù)機(jī)型的設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料已經(jīng)達(dá)到50%～65%的占比。

波音以747為例做過(guò)預(yù)估，機(jī)身每減輕1千克，帶來(lái)的耗油量的減少，單架飛機(jī)一年便可多獲利2000美元。所以，提高先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的占比、以及擴(kuò)展其應(yīng)用的部位成為了發(fā)展趨勢(shì)，也成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。不過(guò)，其生產(chǎn)制造的過(guò)程和成本也是讓工程師們頭疼的問(wèn)題。

聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維和樹脂體系確定之后，主要決定于成型工藝。成型工藝基本在于兩方面：一方面是成型，即把預(yù)浸料鋪制成最終產(chǎn)品形狀（通常情況）;另一方面則是固化，即把產(chǎn)品型的疊層預(yù)浸料在溫度、時(shí)間和壓力等因素的影響下使形狀固定下來(lái)，并達(dá)到預(yù)期的性能要求。Brian Wardle表示：“如果想制造像機(jī)身或機(jī)翼這樣的主體結(jié)構(gòu)，人們需要建造一個(gè)兩層或三層建筑大小的壓力容器或高壓釜，而這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間和資金，因?yàn)槎际切┐笠?guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施。而現(xiàn)在，我們可以在不用高壓釜的條件下制造初級(jí)結(jié)構(gòu)材料，這樣可以擺脫所有相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和投入。”

從2015年開(kāi)始，Jeonyoon Lee和Wardle實(shí)驗(yàn)室里的另一名研究員一起，著手設(shè)計(jì)如何不使用加熱爐來(lái)將復(fù)合材料融合在一起。他們沒(méi)有將疊層材料放入加熱爐中進(jìn)行固化，而是將其包裹在一層超薄的碳納米管（CNT）中。之后他們?cè)诒∧ど贤姡孋NTs像納米級(jí)電熱毯一樣迅速地產(chǎn)生熱量，從而使薄膜內(nèi)的材料固化并融合在一起。利用這種“脫離加熱爐（OoO，out of oven）”技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)可以僅僅使用傳統(tǒng)方式1%的能量，就能生產(chǎn)出滿足飛機(jī)制造條件的、堅(jiān)固的復(fù)合材料。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)著手去尋找不使用大型高壓釜來(lái)制造高性能復(fù)合材料的方法。高壓釜是工業(yè)上在高壓下操作的一種反應(yīng)器，通常在制造飛機(jī)使用的復(fù)合材料時(shí)，需要一個(gè)建筑大小的容器才可以。其產(chǎn)生足以將多層材料擠壓在一起的高壓，同時(shí)，還將材料內(nèi)部或界面上的任何孔隙或空氣都擠出去。

教授Brian Wardle （左）與博士后研究員Jeonyoon Lee（右）

煩人的孔隙

雖然先進(jìn)的復(fù)合材料已在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得以大規(guī)模的應(yīng)用，但其并非是“完美無(wú)瑕”的。由于復(fù)合材料不易斷裂，這反而讓飛機(jī)維修工程師們很難判斷它的內(nèi)部是否已經(jīng)損壞。相比之下，合金材料則可以通過(guò)金屬探傷檢測(cè)的方法查探材料的內(nèi)部情況。話又說(shuō)回來(lái)，復(fù)合材料相較于合金的優(yōu)勢(shì)之一也是后期低廉的維護(hù)成本。

飛機(jī)所用的先進(jìn)復(fù)合材料的損傷問(wèn)題，有極大一部分是在成型過(guò)程中產(chǎn)生的;而剩下的則是在裝配過(guò)程中發(fā)生的。對(duì)于制造過(guò)程中的缺陷問(wèn)題，Wardle表示：“材料的每一層都有微觀層級(jí)的表面粗糙度，當(dāng)人們將兩層合在一起時(shí)，空氣會(huì)被困在粗糙區(qū)域之間。這是復(fù)合材料中孔隙和弱點(diǎn)的主要產(chǎn)生來(lái)源。高壓釜的作用就是將這些孔隙推到材料邊緣并擠出它們。”

Wardle帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員探索不用大型高壓釜的辦法———“OoA，out of autoclave”，想要在不使用大型設(shè)備的條件下制造復(fù)合材料。目前，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的“OoA”技術(shù)大多都可以滿足規(guī)?；圃鞆?fù)合材料的條件，但在生產(chǎn)的復(fù)合材料中有近1% 的材料內(nèi)部含有孔隙，這樣會(huì)損害材料的強(qiáng)度和壽命。為此，Wardle說(shuō)到，“這個(gè)孔隙率并不影響規(guī)?；纳a(chǎn)及最終產(chǎn)品的良品率。目前，現(xiàn)有制造水準(zhǔn)的孔隙率也滿足應(yīng)用條件，這些OoA預(yù)浸料也被批準(zhǔn)用于非主要航空航天結(jié)構(gòu)上。而且，這種水平的孔隙在其他類型的復(fù)合材料制造過(guò)程中（比如樹脂灌注模塑等）也很常見(jiàn)，并且可以接受?！彼€補(bǔ)充道：“我們研究的OoA 方法目前在材料的適用范圍上還有一定限制，因?yàn)椴牧隙际墙?jīng)過(guò)特殊配制而成的。目前還沒(méi)有一種適合機(jī)翼和機(jī)身等主要結(jié)構(gòu)的材料。不過(guò)，我們的復(fù)合材料在飛機(jī)的二級(jí)結(jié)構(gòu)中得到了很大的應(yīng)用，比如襟翼和門等部件?！?/p>

相比之下，性能表現(xiàn)最高、質(zhì)量相對(duì)最好的航空級(jí)復(fù)合材料仍然還需要在高壓釜中制造，因?yàn)榭梢越跖懦械目紫?，或者說(shuō)很難檢測(cè)出有問(wèn)題的內(nèi)部損傷。但Wardle團(tuán)隊(duì)并未因此放棄，還是繼續(xù)探尋不用高壓釜制造高級(jí)復(fù)合材料的技術(shù)路徑。功夫不負(fù)有心人，如今他們已經(jīng)在研究層面取得了很大突破。

告別高壓釜

Brian Wardle的部分研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：一種由微觀材料（如碳納米管等）整齊排列而成的超薄薄膜。它可以被設(shè)計(jì)成各種不同且特殊的材料性能，包括顏色、強(qiáng)度和電性能等。Wardle想看看這些納米孔薄膜是否可以用來(lái)代替巨大的高壓釜，將多層材料之間的空隙擠出，盡管這看上去是不太可能的事情。在微觀世界里，碳納米管薄膜看起來(lái)有點(diǎn)兒像一片茂密的森林，而納米管間極細(xì)的通道就如同樹木之間的空隙。這些納米管可以生成基于其幾何形狀和表面能的壓力，來(lái)獲得從材料中吸引液體或其他物質(zhì)的能力。

該項(xiàng)目的主要操作者Jeonyoon Lee提出，如果一片碳納米管薄膜被夾在兩種材料之中。然后，將其加熱，隨著材料的升溫軟化，碳納米管之間的通道應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一個(gè)表面能，這樣就可以把材料擠走而不是留下一個(gè)空白。Lee通過(guò)計(jì)算，得出這種有通道帶來(lái)的“表面能壓力”應(yīng)該大于高壓釜所施加的壓力。

隨后，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里測(cè)試了這個(gè)想法。利用此前開(kāi)發(fā)的技術(shù)，研究人員在垂直排列的碳納米管上生長(zhǎng)薄膜，然后將薄膜鋪在通常用于制造主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)的、需要高壓釜制備的材料層之間。然后，再用第二層碳納米管將所有材料層包裹起來(lái)，并施加電流使其升溫。他們觀察到，隨著材料被加熱和軟化，孔隙等內(nèi)部缺陷被拉進(jìn)了中間碳納米管薄膜的通道中。最終所得的復(fù)合材料和在高壓釜中生產(chǎn)的航空級(jí)復(fù)合材料已十分類似，基本已沒(méi)有任何孔隙。Jeonyoon Lee考慮到如果內(nèi)部存在孔隙，材料內(nèi)各層會(huì)更容易分離;所以他又對(duì)制造出的復(fù)合材料進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，試圖將各層分開(kāi)。但發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料已經(jīng)結(jié)合得相當(dāng)牢固。

Wardle表示：“目前，在包括強(qiáng)度等性能測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案制成的先進(jìn)復(fù)合材料與滿足主要航空航天結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的、通過(guò)高壓釜工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料已經(jīng)是一樣強(qiáng)的了?！彼硎荆芯繄F(tuán)隊(duì)在未來(lái)的工作是尋找進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)生壓力的碳納米管（CNT）膜的方法。在目前的實(shí)驗(yàn)中，他們使用的是幾厘米寬的樣品，其大小足以證明納米孔網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)材料加壓并防止形成孔隙。但為了使該工藝可用于制造整個(gè)機(jī)翼和機(jī)身這種主要的航空航天結(jié)構(gòu)，Wardle團(tuán)隊(duì)必須找到大規(guī)模生產(chǎn)CNT或其他納米多孔膜的方法。

Wardle為此很有信心，他說(shuō)：“有很多方法來(lái)大規(guī)模制造這種納米多孔膜，就像工廠里制作毯子一樣。”他還計(jì)劃探索更多不同配方的納米多孔膜，并設(shè)計(jì)不同的幾何形狀通道和表面能，以便能夠?qū)ζ渌咝阅懿牧线M(jìn)行加壓和粘合?！艾F(xiàn)在，我們?cè)O(shè)計(jì)出的這種新型材料解決方案，可以讓人在任何的地方提供需要的壓力。”Wardle說(shuō)到，“除了飛機(jī)，世界上還有大量的由復(fù)合材料制造的管道，它們被用于水、天然氣、石油，以及生活中所有類似流動(dòng)或進(jìn)出的場(chǎng)景。而這種不需要加熱爐和高壓釜的工藝，可以讓這些產(chǎn)品的生產(chǎn)變得十分容易。”

這項(xiàng)研究是一個(gè)可以直接改變復(fù)合材料加工方式的應(yīng)用，空客（Airbus）、洛克希德·馬丁公司和薩博防務(wù)公司等多家相關(guān)企業(yè)都對(duì)這項(xiàng)研究提供了支持。