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(noticias nanowerk) Para ahorrar combustible y reducir las emisiones de los aviones, los ingenieros quieren construir aviones más ligeros y resistentes a partir de materiales compuestos avanzados. Estos materiales técnicos consisten en fibras de alto rendimiento incrustadas en películas poliméricas. Los paneles pueden apilarse y prensarse hasta obtener un material multicapa y convertirse en estructuras extremadamente ligeras y duraderas.
Pero los compuestos tienen una vulnerabilidad clave: el espacio entre las capas, que normalmente se rellena con “pegamento” polimérico para unir las capas. En caso de impacto o impacto, las grietas pueden extenderse fácilmente entre las capas y debilitar el material, aunque las capas en sí mismas no muestren ningún daño visible. Si estas grietas ocultas se extienden entre las capas con el tiempo, el compuesto podría desmoronarse repentinamente sin previo aviso.
Ahora, los ingenieros del MIT han demostrado que pueden evitar que las grietas se propaguen entre las capas compuestas utilizando un enfoque que desarrollaron llamado «nanostitching», en el que depositan bosques microscópicos de nanotubos de carbono cultivados químicamente entre las capas compuestas. Las fibras diminutas y densamente empaquetadas sujetan y mantienen unidas las capas como un velcro ultrafuerte, evitando que las capas se despeguen o se rompan.
En experimentos con un compuesto avanzado llamado laminado de fibra de carbono de película delgada, el equipo demostró que las capas conectadas por nanocosturas mejoraban la resistencia del material al agrietamiento hasta en un 60 por ciento en comparación con los compuestos con polímeros tradicionales. Los investigadores dicen que los resultados ayudan a abordar la mayor debilidad de los compuestos avanzados.
![Este esquema muestra un material de ingeniería con capas de nanocompuestos.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65031_1.jpg)
«Así como las hojuelas de hojaldre se deshacen, las capas compuestas pueden desmoronarse, ya que esta región interlaminar es el talón de Aquiles de los compuestos», afirma Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. “Demostramos que las nanocosturas hacen que esta área normalmente débil sea tan fuerte y resistente que no se producen grietas allí. Por lo tanto, podemos esperar que la próxima generación de aviones tenga materiales compuestos unidos con este nano-velcro para hacer que los aviones sean más seguros y duraderos”.
Wardle y sus colegas publicaron sus resultados en la revista Materiales aplicados ACS (“La reducción experimental integral en J muestra mejoras en la tenacidad a la fractura en laminados de fibra de carbono de película delgada con refuerzo de nanotubos de carbono interlaminares alineados”) e interfaces. La primera autora del estudio es la ex estudiante visitante del MIT e investigadora postdoctoral Carolina Furtado, junto con Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen y Pedro Camanho.
Crecimiento forestal
En el MIT, Wardle es director del necstlab (pronunciado “próximo laboratorio”), donde él y su grupo desarrollaron por primera vez el concepto de nanocostura. El enfoque consiste en “hacer crecer” un bosque de nanotubos de carbono alineados verticalmente: fibras huecas de carbono, cada una de las cuales es tan pequeña que decenas de miles de millones de nanotubos pueden caber en un área más pequeña que una uña. Para hacer crecer los nanotubos, el equipo utilizó un proceso químico de deposición de vapor para hacer reaccionar varios catalizadores en un horno, haciendo que el carbono se depositara sobre una superficie en forma de pequeños portadores parecidos a pelos. Los soportes finalmente se eliminan, dejando atrás un bosque denso de bobinas verticales microscópicas de carbono.
El laboratorio ha demostrado previamente que los bosques de nanotubos pueden crecer y adherirse a capas de material compuesto y que esta unión reforzada con fibras mejora la resistencia general del material. Los investigadores también habían visto alguna evidencia de que las fibras podrían mejorar la resistencia de un compuesto al agrietamiento entre capas.
En su nuevo estudio, los ingenieros examinaron el área entre capas en compuestos con más detalle para probar y cuantificar cómo las nanouniones mejorarían la resistencia del área al agrietamiento. El estudio se centró específicamente en un material compuesto avanzado conocido como laminados de fibra de carbono de película fina.
«Esta es una tecnología compuesta emergente en la que cada capa o capa tiene aproximadamente 50 micrómetros de espesor, en comparación con las capas compuestas estándar que tienen 150 micrómetros de espesor, que es aproximadamente el diámetro de un cabello humano. Hay evidencia de que son mejores como materiales compuestos». con espesor estándar. Y queríamos ver si podía haber sinergias entre nuestra tecnología de nanocosturas y esta tecnología de película delgada, ya que podría conducir a aviones más resistentes, estructuras aeroespaciales de alta calidad y vehículos espaciales y militares”, dice Wardle.
![Materiales compuestos de nanocosturas.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65031_2.jpg)
Cierre de velcro
Los experimentos del estudio fueron dirigidos por Carolina Furtado, quien se unió al proyecto en 2016 como parte del programa MIT-Portugal, continuó el proyecto como investigadora postdoctoral y ahora es profesora en la Universidad de Oporto en Portugal, donde su investigación se centra en Modelado de grietas y daños en materiales compuestos modernos.
En sus pruebas, Furtado utilizó las técnicas de deposición química de vapor del grupo para hacer crecer bosques densos de nanotubos de carbono alineados verticalmente. También fabricó muestras de laminados de fibra de carbono de película fina. El compuesto avanzado resultante tenía unos 3 milímetros de espesor y constaba de 60 capas, cada una de ellas hecha de fibras horizontales rígidas incrustadas en una película de polímero.
Transfirió y pegó el bosque de nanotubos entre las dos capas intermedias del compuesto, luego cocinó el material en un autoclave para curarlo. Para probar la resistencia a las grietas, los investigadores colocaron una grieta en el borde del compuesto, justo al comienzo del área entre las dos capas intermedias.
“Cuando probamos fracturas, siempre comenzamos con una grieta porque queremos comprobar si se extiende y en qué medida”, explica Furtado.
Luego, los investigadores colocaron muestras del compuesto reforzado con nanotubos en una configuración experimental para probar su resistencia a la «delaminación», o la posibilidad de que las capas se separen.
«Hay muchas formas de provocar precursores de la delaminación, como el impacto, como la caída de herramientas, el impacto de un pájaro o el impacto de una pista de aterrizaje en un avión, y puede que casi no haya daños visibles, pero la delaminación se produce internamente», dice Wardle. . “Al igual que con los humanos, si tienes una pequeña fractura en un hueso, no es bueno. Sólo porque no puedas verlo no significa que no te afecte. Y los daños a los materiales compuestos son difíciles de investigar”.
Para investigar el potencial de las nanocosturas para prevenir la delaminación, el equipo colocó sus muestras en una configuración para probar tres modos de delaminación en los que una grieta podría propagarse a través del área entre capas y separar las capas o hacer que se deslicen entre sí o esto también hace un combinación de ambos. Estos tres modos son las causas más comunes que pueden hacer que los materiales compuestos tradicionales se pelen y se desmoronen internamente.
Las pruebas, en las que los investigadores midieron exactamente la fuerza necesaria para pelar o cortar las capas del compuesto, mostraron que las nanocosturas se mantuvieron firmes y la grieta inicial que provocaron los investigadores no pudo propagarse más entre las capas. Las muestras nanocosidas eran hasta un 62 por ciento más fuertes y más resistentes al agrietamiento en comparación con el mismo material compuesto avanzado unido con polímeros tradicionales.
«Se trata de una nueva tecnología compuesta impulsada por nuestros nanotubos», afirma Wardle.
«Los autores demostraron que las capas delgadas y las nanocosturas aumentaban significativamente la resistencia», dice Stephen Tsai, profesor emérito de aeronáutica y astronáutica de la Universidad de Stanford. “Los compuestos se ven comprometidos por su débil resistencia interlaminar. Cualquier mejora demostrada en este trabajo aumentará las posibilidades de diseño permitidas y reducirá el peso y el costo de la tecnología compuesta”.
Los investigadores creen que cualquier vehículo o estructura que contenga materiales compuestos tradicionales podría hacerse más ligero, más fuerte y más resistente mediante nanocosturas.
«Se podrían reforzar selectivamente áreas problemáticas para reforzar agujeros o uniones atornilladas o lugares donde podría ocurrir delaminación», dice Furtado. «Eso abre una gran ventana de oportunidades».
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