航空航天工程师发明了一种不需要大炉子就可加热并固化复合材料的碳纳米管薄膜。接通电源，并包裹一个多层高分子复合材料，加热薄膜使得聚合物固化。

 

新型碳纳米管组成的复合材料用于修复飞机的机身和机翼，只需要消耗相当于传统使用炉子的制造工艺能量需求的1%。图片来源：Jose-Luis Olivares/麻省理工学院（MIT）

用于飞机机翼和机身的复合材料通常在大型工业炉生产：多个聚合物层被加热至华氏750度，固化成具有弹性的材料。采用这种方法，对炉子进行加热、气体保护、直至最后复合材料成型都需要大量的能量。

麻省理工学院（MIT）航天航空工程师开发了一种碳纳米管（CNT）薄膜，不需要大型加热炉就可加热及固化复合材料。接通电源，并包裹一个多层高分子复合材料，加热薄膜使得聚合物固化。

研究小组在通常用于飞机构件中的碳纤维材料上测试了这种薄膜，发现该薄膜产生一种与传统炉子制造材料相当强度的复合材料，而只需要消耗1%的能量。

这种新型的“抛弃炉子”的方法可能提供更直接、更节能的方法用于任何工业复合材料的生产，MIT航天航空副教授Brian L. Wardle这样说。

“通常情况下，如果你为空客A350或波音787生产机身，你将需要数千万美元的四厢炉子。”Wardle说，“我们的技术将所需的加热直接的与正在组装的部件接触。就像是自加热的匹萨，……代替炉子，你只需将匹萨放到板上，它将自己加热。”

Wardle表示碳纳米管薄膜特别轻：把它融于顶层聚合物层之后，远小于人头发丝直径的薄膜与复合材料形成网格，而几乎不增加重量。

研究团队包括MIT研究生Jeonyoon Lee和Metis设计公司的Itai Stein和Seth Kessler，相关结果发表于《ACS应用材料与界面》（ACS Applied Materials and Interfaces）期刊上。

碳纳米管除冰剂

近年来，Wardle及其同事一直从事关于CNT薄膜的研究，主要用于机翼除冰。研究团队认为除了重要可以忽略不计以外，通电时CNT可有效加热。

该团队开发了一种由碳晶体微管组成定向CNT薄膜的生产技术，想森林中的树木一样矗立。研究人员一杆推平“森林”的方法获得了定向CNT致密薄膜。

实验过程中，Wardle和他的团队通过常规的基于炉子的修复方法将这种薄膜集成到飞机机翼上，结果显示当施加电压时，薄膜会产生热量，从而防止冰形成。

除冰测试引出了一个问题：如果CNT薄膜能产生热量，为什么不利用它来自复合呢？

如何去热？

最初，研究人员研究了薄膜用于融合两种常用于飞机机翼和机身的航空级复合材料。通常这种材料由大约16层组成，在高温工业炉中固化或交联而成。

研究人员制造了一个便签纸大的CNT薄膜，并将其放置在Cycom 5320-1一个正方形上方。连接电极到该薄膜上，施加电流加热薄膜和Cycom复合材料层底下的聚合物。

研究小组测量了聚合物和CNT层固化或者是交联所需的能量，结果发现CNT薄膜只使用了相当于常规基于炉子的方法1%的电就可修复复合材料。两种方法产生的复合材料具有大致相同的性能，如交联密度。

Wardle说，这些结果促使进一步研究CNT薄膜：不同的复合材料需要不同的温度进行融合，研究人员观察CNT薄膜是否可以产生热量。

“在某些时候，加热器氧化，或者以不同的方式失效。我们想要明白热量如何从这种材料跑出。”Wardle如是说。

为了做到这一点，研究团队测试了薄膜产生越来越高温度的能力，发现可以突破1,000F。相反的，某些最高温的航天高分子实现固化只需要750F的温度。

“我们可以在那些温度下进行加工，意味着没有我们不能加工的复合材料。”Wardle说，“这确实打开了这种技术应用于所有高分子材料的大门。”

研究团队正在寻求工业合作，寻求扩大生产复合材料的技术方式，以满足制造飞机机身和机翼的需求。

“需要考虑电极化，以及在非常大区域内有效的电接触。”Wardle说，“相比于当前使用工业炉的方式，需要的功率小得多。我认为这不是挑战，而是必须要做的。”

密歇根理工大学（Michigan Technological University）计算力学教授Gregory Odegard介绍说，该团队的CNT薄膜有望改善大型复合材料生产的质量和效率，如商用飞机的机翼。这种新技术有可能为缺乏大型工业炉的小企业打开一扇大门。

“那些想要生产复合材料部件的小公司有可能不需要大型工业炉或外包投资，就可以这样做了。”未参与该研究的Odegard说到，“这可能会在复合材料领域导致更多的创新，并有可能改善复合材料的性能和使用。”

该研究受到空客集团（Airbus Group）、波音（Boeing）、巴西航空工业公司（Embraer）、洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）、萨博集团（Saab AB）、Toho Tenax、ANSYS Inc，以及赖特·帕特森空军基地空军研究实验室（the Air Force Research Laboratory at Wright-Patterson Air Force Base）和美国陆军研究办公室（the U.S. Army Research Office）的资助。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮