麻省理工學院掀起飛機材料制造革命

楊大可

由復合材料點燃的現代飛機制造的材料革命還在蔓延。如今在波音737和空客A320后續機型上，復合材料在飛機結構重量的占比已經達到50%～65%。

所謂復合材料，就是將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料。多種不同的復合材料制成現代飛機機身的過程，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身的形狀;然后，將這個結構推入到倉庫大小的“烤箱”和高壓釜中。在那里，這些層逐漸融合在一起，形成一個有良好氣動彈性特征的飛機外殼。

現在，麻省理工學院的工程師們開發了一種無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合材料之上，就能生產出航空級復合材料的方法。而且，新方法所消耗的能量僅為傳統制造方式的1%。這項技術將有助于加速飛機和其他大型高性能復合結構的制造，比如風力渦輪機的葉片等。這也是人們首次在不利用高壓釜的情況下，制造航空級別的先進復合材料。這可能給復合材料的制造帶來另一場革命。

這項成果發表在最新一期的AdvancedMaterials Interfaces雜志上，麻省理工學院航空航天工程系教授、納米復合航空航天結構聯盟（NECST）主席Brian L. Wardle帶領航空航天工程系博士后研究員Jeonyoon Lee，以及目前在Metis Design Corporation（一家航空結構健康監測公司）工作的Seth Kessler一同完成了該研究。

Wardle表示，這項研究在應用層面上有著非常積極的意義，擴展了先進復合材料的生產工藝。同時，在節能和降低生產成本角度也有著卓越的效果。

讓飛機使用的復合材料結合得更牢固

性能達標，百倍節能

先進復合材料，自20世紀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構材料。由于其具有比強度和比剛度高、性能可設計，以及易于整體成型等多重優勢，在飛機結構上采用先進復合材料會比常規的合金材料減重25%～30%，并能明顯改善飛機氣動彈性特性，提高飛行性能。因此，復合材料在飛機結構重量的占比不斷上升，從波音747的1%、空客A300的5%，增長到空客A380的25%、波音787的50%;如今在波音737和空客A320后續機型的設計中，復合材料已經達到50%～65%的占比。

波音以747為例做過預估，機身每減輕1千克，帶來的耗油量的減少，單架飛機一年便可多獲利2000美元。所以，提高先進復合材料在飛機結構設計中的占比、以及擴展其應用的部位成為了發展趨勢，也成為衡量飛機先進性的重要指標之一。不過，其生產制造的過程和成本也是讓工程師們頭疼的問題。

聚合物基復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，即把預浸料鋪制成最終產品形狀（通常情況）;另一方面則是固化，即把產品型的疊層預浸料在溫度、時間和壓力等因素的影響下使形狀固定下來，并達到預期的性能要求。Brian Wardle表示：“如果想制造像機身或機翼這樣的主體結構，人們需要建造一個兩層或三層建筑大小的壓力容器或高壓釜，而這個過程需要時間和資金，因為都是些大規模的基礎設施。而現在，我們可以在不用高壓釜的條件下制造初級結構材料，這樣可以擺脫所有相關基礎設施的建設和投入?！?/p>

從2015年開始，Jeonyoon Lee和Wardle實驗室里的另一名研究員一起，著手設計如何不使用加熱爐來將復合材料融合在一起。他們沒有將疊層材料放入加熱爐中進行固化，而是將其包裹在一層超薄的碳納米管（CNT）中。之后他們在薄膜上通電，讓CNTs像納米級電熱毯一樣迅速地產生熱量，從而使薄膜內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，研究團隊可以僅僅使用傳統方式1%的能量，就能生產出滿足飛機制造條件的、堅固的復合材料。

接下來，研究團隊著手去尋找不使用大型高壓釜來制造高性能復合材料的方法。高壓釜是工業上在高壓下操作的一種反應器，通常在制造飛機使用的復合材料時，需要一個建筑大小的容器才可以。其產生足以將多層材料擠壓在一起的高壓，同時，還將材料內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

雖然先進的復合材料已在飛機結構上得以大規模的應用，但其并非是“完美無瑕”的。由于復合材料不易斷裂，這反而讓飛機維修工程師們很難判斷它的內部是否已經損壞。相比之下，合金材料則可以通過金屬探傷檢測的方法查探材料的內部情況。話又說回來，復合材料相較于合金的優勢之一也是后期低廉的維護成本。

飛機所用的先進復合材料的損傷問題，有極大一部分是在成型過程中產生的;而剩下的則是在裝配過程中發生的。對于制造過程中的缺陷問題，Wardle表示：“材料的每一層都有微觀層級的表面粗糙度，當人們將兩層合在一起時，空氣會被困在粗糙區域之間。這是復合材料中孔隙和弱點的主要產生來源。高壓釜的作用就是將這些孔隙推到材料邊緣并擠出它們?！?/p>

Wardle帶領團隊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備的條件下制造復合材料。目前，研究團隊設計出的“OoA”技術大多都可以滿足規?；圃鞆秃喜牧系臈l件，但在生產的復合材料中有近1% 的材料內部含有孔隙，這樣會損害材料的強度和壽命。為此，Wardle說到，“這個孔隙率并不影響規?；纳a及最終產品的良品率。目前，現有制造水準的孔隙率也滿足應用條件，這些OoA預浸料也被批準用于非主要航空航天結構上。而且，這種水平的孔隙在其他類型的復合材料制造過程中（比如樹脂灌注模塑等）也很常見，并且可以接受?！彼€補充道：“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，因為材料都是經過特殊配制而成的。目前還沒有一種適合機翼和機身等主要結構的材料。不過，我們的復合材料在飛機的二級結構中得到了很大的應用，比如襟翼和門等部件?！?/p>

相比之下，性能表現最高、質量相對最好的航空級復合材料仍然還需要在高壓釜中制造，因為可以近乎排除所有的孔隙，或者說很難檢測出有問題的內部損傷。但Wardle團隊并未因此放棄，還是繼續探尋不用高壓釜制造高級復合材料的技術路徑。功夫不負有心人，如今他們已經在研究層面取得了很大突破。

告別高壓釜

Brian Wardle的部分研究重點是開發納米孔網絡結構：一種由微觀材料（如碳納米管等）整齊排列而成的超薄薄膜。它可以被設計成各種不同且特殊的材料性能，包括顏色、強度和電性能等。Wardle想看看這些納米孔薄膜是否可以用來代替巨大的高壓釜，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有點兒像一片茂密的森林，而納米管間極細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，來獲得從材料中吸引液體或其他物質的能力。

該項目的主要操作者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該會產生一個表面能，這樣就可以把材料擠走而不是留下一個空白。Lee通過計算，得出這種有通道帶來的“表面能壓力”應該大于高壓釜所施加的壓力。

隨后，他們在實驗室里測試了這個想法。利用此前開發的技術，研究人員在垂直排列的碳納米管上生長薄膜，然后將薄膜鋪在通常用于制造主要飛機結構的、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，并施加電流使其升溫。他們觀察到，隨著材料被加熱和軟化，孔隙等內部缺陷被拉進了中間碳納米管薄膜的通道中。最終所得的復合材料和在高壓釜中生產的航空級復合材料已十分類似，基本已沒有任何孔隙。Jeonyoon Lee考慮到如果內部存在孔隙，材料內各層會更容易分離;所以他又對制造出的復合材料進行了強度測試，試圖將各層分開。但發現，該復合材料已經結合得相當牢固。

Wardle表示：“目前，在包括強度等性能測試中，我們發現現有設計方案制成的先進復合材料與滿足主要航空航天結構標準的、通過高壓釜工藝生產的復合材料已經是一樣強的了?！彼硎?，研究團隊在未來的工作是尋找進一步擴大產生壓力的碳納米管（CNT）膜的方法。在目前的實驗中，他們使用的是幾厘米寬的樣品，其大小足以證明納米孔網絡可以對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機翼和機身這種主要的航空航天結構，Wardle團隊必須找到大規模生產CNT或其他納米多孔膜的方法。

Wardle為此很有信心，他說：“有很多方法來大規模制造這種納米多孔膜，就像工廠里制作毯子一樣?！彼€計劃探索更多不同配方的納米多孔膜，并設計不同的幾何形狀通道和表面能，以便能夠對其他高性能材料進行加壓和粘合?！艾F在，我們設計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?！盬ardle說到，“除了飛機，世界上還有大量的由復合材料制造的管道，它們被用于水、天然氣、石油，以及生活中所有類似流動或進出的場景。而這種不需要加熱爐和高壓釜的工藝，可以讓這些產品的生產變得十分容易?！?/p>

這項研究是一個可以直接改變復合材料加工方式的應用，空客（Airbus）、洛克希德·馬丁公司和薩博防務公司等多家相關企業都對這項研究提供了支持。