Los aviones de pasajeros más nuevos de Airbus y Boeing que vuelan hoy están hechos principalmente de materiales compuestos avanzados como plástico reforzado con fibra de carbono, materiales extremadamente livianos y duraderos que reducen el peso total del avión hasta en un 20 por ciento en comparación con el cuerpo de aluminioaviones. Estas células livianas se traducen directamente en ahorro de combustible, que es un punto importante a favor de los compuestos avanzados.
Pero los materiales compuestos también son sorprendentemente vulnerables: si bien el aluminio puede soportar impactos relativamente grandes antes de agrietarse, las muchas capas en los compuestos pueden romperse debido a impactos relativamente pequeños, un inconveniente que se considera el talón de Aquiles del material.
Ahora los ingenieros aeroespaciales del MIT han encontrado una manera de unir capas compuestas de tal manera que el material resultante sea sustancialmente más fuerte y más resistente al daño que otros compuestos avanzados. Sus resultados se publican esta semana en la revista Ciencia y tecnología de compuestos .
Los investigadores unieron las capas de materiales compuestos usando nanotubos de carbono: rollos de carbono delgados como un átomo que, a pesar de su estatura microscópica, son increíblemente fuertes. Incrustaron pequeños "bosques" de nanotubos de carbono dentro de una matriz de polímero similar al pegamento,luego presionó la matriz entre capas de compuestos de fibra de carbono. Los nanotubos, que se asemejan a pequeñas puntadas alineadas verticalmente, trabajaron dentro de las grietas de cada capa compuesta, sirviendo como un andamio para mantener las capas juntas.
En experimentos para probar la resistencia del material, el equipo descubrió que, en comparación con los materiales compuestos existentes, los materiales compuestos cosidos eran 30 por ciento más fuertes, soportando mayores fuerzas antes de romperse.
Roberto Guzmán, quien dirigió el trabajo como postdoctorado del MIT en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica AeroAstro, dice que la mejora puede conducir a piezas de avión más fuertes y livianas, particularmente aquellas que requieren clavos o pernos, que pueden romper los compuestos convencionales.
"Se necesita hacer más trabajo, pero estamos realmente seguros de que esto conducirá a aviones más fuertes y ligeros", dice Guzmán, quien ahora es investigador en el Instituto de Materiales IMDEA, en España. "Eso significa mucho combustibleguardado, lo que es excelente para el medio ambiente y para nuestros bolsillos "
Los coautores del estudio incluyen al profesor de AeroAstro Brian Wardle e investigadores de la compañía sueca aeroespacial y de defensa Saab AB.
"El tamaño importa"
Los materiales compuestos de hoy en día están compuestos de capas, o capas, de fibras de carbono horizontales, unidas por un pegamento de polímero, que Wardle describe como "un área muy, muy débil y problemática". Los intentos de fortalecer esta región de pegamento incluyen la fijación en Zy tejido tridimensional: métodos que implican sujetar o tejer haces de fibras de carbono a través de capas compuestas, similar a empujar clavos a través de madera contrachapada o hilo a través de tela.
"Una puntada o clavo es miles de veces más grande que las fibras de carbono", dice Wardle. "Entonces, cuando las atraviesas por el compuesto, rompes miles de fibras de carbono y dañas el compuesto".
Los nanotubos de carbono, por el contrario, tienen unos 10 nanómetros de diámetro, casi un millón de veces más pequeños que las fibras de carbono.
"El tamaño importa, porque podemos colocar estos nanotubos sin alterar las fibras de carbono más grandes, y eso es lo que mantiene la resistencia del compuesto", dice Wardle. "Lo que nos ayuda a mejorar la resistencia es que los nanotubos de carbono tienen una superficie 1000 veces más grandeárea que las fibras de carbono, lo que les permite unirse mejor con la matriz polimérica "
Apilando la competencia
Guzmán y Wardle idearon una técnica para integrar un andamio de nanotubos de carbono dentro del pegamento polimérico. Primero crecieron un bosque de nanotubos de carbono alineados verticalmente, siguiendo un procedimiento que el grupo de Wardle desarrolló previamente. Luego transfirieron el bosque a uncapa compuesta no curada y pegajosa y repitió el proceso para generar una pila de 16 capas compuestas, un típico compuesto de laminado compuesto, con nanotubos de carbono pegados entre cada capa.
Para probar la resistencia del material, el equipo realizó una prueba de resistencia a la tensión, una prueba estándar utilizada para dimensionar piezas aeroespaciales, donde los investigadores colocaron un perno a través de un orificio en el material compuesto y luego lo arrancaron.roto bajo tal tensión, el equipo descubrió que los compuestos cosidos eran más fuertes, capaces de soportar un 30 por ciento más de fuerza antes de agrietarse.
Los investigadores también realizaron una prueba de compresión de orificio abierto, aplicando fuerza para apretar el orificio del perno. En ese caso, el compuesto cosido soportó un 14 por ciento más de fuerza antes de romperse, en comparación con los compuestos existentes.
"Las mejoras en la fuerza sugieren que este material será más resistente a cualquier tipo de eventos o características dañinas", dice Wardle. "Y dado que la mayoría de los aviones más nuevos tienen más del 50 por ciento de peso compuesto, mejoran estos estados delos compuestos artísticos tienen implicaciones muy positivas para el rendimiento estructural de la aeronave "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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