Блог

Jun 20, 2023

Углерод

25 июня 2014 г., автор:

25 июня 2014 г.

Гарвардского университета

На ветряных электростанциях Северной Америки и Европы изящные турбины, оснащенные самыми современными технологиями, преобразуют энергию ветра в электроэнергию. Но внутри лезвий этих шедевров современной инженерии спрятан явно нетехнологичный основной материал: пробковое дерево.

Как и другие промышленные изделия, в которых используется конструкция сэндвич-панелей для достижения сочетания легкого веса и прочности, лопатки турбин содержат тщательно выстроенные полосы пробкового дерева из Эквадора, которое обеспечивает 95 процентов мировых поставок.

На протяжении веков быстрорастущее бальсовое дерево ценилось за свой легкий вес и жесткость по сравнению с плотностью. Но пробковая древесина дорогая, а естественные различия в текстуре могут стать препятствием для достижения все более точных требований к производительности турбинных лопаток и других сложных изделий.

Поскольку производители турбин производят лопасти все большего размера (самая длинная из них сейчас составляет 75 метров, что почти соответствует размаху крыльев реактивного лайнера Airbus A380), они должны быть спроектированы так, чтобы работать практически без технического обслуживания в течение десятилетий. Чтобы соответствовать более строгим требованиям к точности, весу и постоянству качества, производители ищут новые варианты материалов для сэндвич-конструкций.

Теперь, используя смесь термореактивных смол на эпоксидной основе, армированных волокном, и методы 3D-экструзии, ученые-материаловеды из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Института биологической инженерии Висса разработали ячеистые композитные материалы беспрецедентного света. вес и жесткость. Благодаря своим механическим свойствам и точному контролю производства (см. видео ниже), исследователи говорят, что эти новые материалы имитируют и улучшают бальзу и даже лучшие коммерческие полимеры и полимерные композиты, напечатанные на 3D-принтере.

Статья с описанием их результатов была опубликована в журнале Advanced Materials.

До сих пор 3D-печать разрабатывалась для термопластов и смол, отверждаемых УФ-излучением — материалов, которые обычно не считаются инженерными решениями для структурных применений. «Переходя к новым классам материалов, таких как эпоксидные смолы, мы открываем новые возможности для использования 3D-печати для создания легких архитектур», — говорит главный исследователь Дженнифер А. Льюис, профессор биологической инженерии Хансйорга Висса в Гарвардском университете SEAS. «По сути, мы расширяем выбор материалов для 3D-печати».

«Древесина бальзы имеет ячеистую структуру, которая сводит к минимуму ее вес, поскольку большая часть пространства пуста и только стенки ячеек несут нагрузку. Поэтому она обладает высокой удельной жесткостью и прочностью», — объясняет Льюис, которая помимо своей работы в Harvard SEAS также является основным преподавателем Института Висса. «Мы позаимствовали эту концепцию дизайна и скопировали ее в инженерном композите».

Льюис и Бретт Г. Комптон, бывший научный сотрудник ее группы, разработали чернила из эпоксидных смол, в которые добавили повышающие вязкость пластинки наноглины и соединение под названием диметилметилфосфонат, а затем добавили два типа наполнителей: крошечные «усы» карбида кремния и дискретные углеродные волокна. Ключом к универсальности получаемых чернил с волокнистым наполнителем является возможность контролировать ориентацию наполнителей.

Направление нанесения наполнителей определяет прочность материалов (подумайте о легкости раскалывания куска дров вдоль по сравнению с относительной сложностью раскалывания перпендикулярно волокнам).

Льюис и Комптон показали, что их метод позволяет получать ячеистые композиты, которые по жесткости напоминают древесину, в 10–20 раз жестче, чем коммерческие полимеры, напечатанные на 3D-принтере, и в два раза прочнее, чем лучшие напечатанные полимерные композиты. Возможность контролировать выравнивание наполнителей означает, что производители могут в цифровом виде интегрировать состав, жесткость и прочность объекта с его конструкцией.