NÄSTA GENERATIONS STRUKTURMATERIAL FÖR FLYG Nya möjligheter med hjälp av nanoteknik Pontus Nordin, Saab Aeronautics Flygteknik 2010 2010-10-19
Ett his(s)nande exempel: Space elevator Idé: Tsiolkovsky (tryckbelastat torn) 1895, Artsutanov (dragbelastad kabel) 1959 A space elevator for Earth would consist of a cable anchored to the Earth's surface, reaching into space. By attaching a counterweight at the end, inertia ensures that the cable remains stretched taut, countering the gravitational pull on the lower sections, thus allowing the elevator to remain in geostationary orbit. Once beyond the gravitational midpoint, carriages would be accelerated further by the planet's rotation.
Bara ett (?) möjligt (?) materialval för rymdhissens kabel: Kolnanorör
Innehåll Kolfiberkompositer, 40 år på Saab Dagens strukturmaterial (flyg) Vad kan nanotekniken tillföra? Nästa generations strukturmaterial (flyg) Kolbaserade nanomaterial Pågående teknikutveckling Déjà vu Fortsättning följer
Saabs första flygande kolfiberartikel, 1971 Trimtab, Saab 105 sidroder
Kolfiberkompositteknik på Saab 42 års mycket framgångsrik användning sedan 1968 Många tekniska möjlighet (viktsreduktion, multifunktion, nya funktioner ) En gynnsam kostnadsutveckling (material, tillverkning och underhåll) Saab är idag en väletablerad samarbetspartner inom teknikområdet med serieproduktion av egenutvecklad kompositstruktur till Airbus och Boeing En teknik som passar Saabs organisation (helhetstänkande och detaljer) Tekniska och ekonomiska fallgropar för aktörer som tar genvägar 99 % rätt kan vara 100 % fel En strukturteknik som kräver kompetens
Dagens strukturmaterial (flyg) Kompositmaterial och processer som används av Saab (urval) Material Fibrer: Kolfiber (HT, IM, HM, UHM) Aramid Glas (E, S, D) Exotiska fibrer Polymersystem (matrisplast): Epoxi (RT, 80 100ºC, 120ºC, 180ºC) Fenol (180ºC) Cyanatester (150ºC, 180ºC) Exotiska polymersystem Processer Prepreg RTM (Resin Transfer Molding)
Prepegteknik Autoklavhärdning Automated Tape Laying (ATL)
Saab use of Composites in Gripen
Dagens strukturmaterial (flyg) Exempel på flygplanstruktur i kolfiberkomposit med långt driven strukturintegrering. Artikeln, en styryta utvecklad av Saab, är tillverkad av prepreg och härdad i ett skott. Prepregmaterial som ger god inter- och intralaminär hållfasthet är av stort intresse för denna typ av struktur, liksom för all skadetålig kompositstruktur
Dagens kolfiber/epoximaterial - Begränsningar Dagens kolfiberkompositer fungerar mycket bra i tjänst, eftersom strukturen har dimensionerats för att tillvarata materialets unika egenskaper på bästa sätt. Det innebär också att de begränsande egenskaperna driver vikt och kostnad i flygande applikationer, t ex: - Sprödhet och relativt låg tålighet mot slagskador pga matrismaterialet låg brottseghet, ingen plastisk deformation - Tyngre än metaller i förband med mekaniska fästelement lågt tillåtet hålkanttryck i kolfiberkomposit - Alla matrisdominerade egenskaper påverkas av fukt och hög temperatur t ex tryckhållfasthet och interlaminär skjuvhållfasthet - Låg termisk ledningsförmåga tvärs fiberriktningen försvårar tillverkning och påverkar egenskaper i tjänst - Låg elektrisk ledningsförmåga tvärs fiberriktningen påverkar egenskaper i tjänst - Hög termisk längdutvidgning tvärs fiberrikningen försvårar tillverkning och påverkar egenskaper i tjänst - Hög utvidgning pga fuktabsorbtion (svällning) tvärs fiberriktningen påverkar egenskaper i tjänst
Seghetsmodifiering för skadetåliga kolfiberkompositer Första generationens epoximatrissystem var helt omodifierade (spröda) Ett stort antal metoder för seghetsmodifiering har använts, t ex - termoplastmatris i stället för härdplastmatris - termoplastiska partiklar i matrismaterial av härdplast (epoxi) - plastrika skikt mellan prepregskikt med högre fiberinnehåll - hybridmaterial med viss andel av t ex aramidfiber eller polyetenfiber Alla metoder ger måttlig förbättring av laminatens brottseghet men också försämring av andra egenskaper, främst av tryckhållfasthet i fukt och värme (och andra matrisdominerade mekaniska egenskaper)
Grafen Draghållfasthet (ca 42 N/m, t= 0,335 nm): 100 ggr högre än höghållfast stål Elektrisk ledningsförmåga: högre än koppar Värmeledningsförmåga: ca 10 ggr högre än koppar Ytvikt (ett atomlager): 0,77 mg/m² Optisk transparens: 97,7 %
Grafen grafen C 60 kolnanorör grafit
Kolnanorör Carbon Nano Tubes, CNT Single wall carbon nanotubes SWCNT Multi wall carbon nanotubes MWCNT
Mekaniska egenskaper hos MWCNT* * Multi Wall Carbon Nano Tubes Saab arbetar bl a med en speciell typ av MWCNT som tillverkaren har vidareutvecklat enligt våra önskemål MWCNT har mekaniska, elektriska och termiska egenskaper likvärdiga med betydligt dyrare SWCNT (single wall CNT), vilket beror på en tillverkningsprocess som ger nära defektfria material
Nästa generations strukturmaterial (flyg) Fiberkompositer och strukturlim med förbättrad funktion, vikt- och kostnadseffektivitet jämfört med dagens strukturmaterial Egenskapsförbättring mha små tillsatsmängder funktionsmaterial, t ex kolnanorör, i matrissystemet i fiberkompositer och lim Kostnadsreduktion mha nya kolfibrer, processer och tillverkningsmetoder
NECST Nano-Engineered Composite Aerospace Structures Consortium Ett stort internationellt forskningsprojekt under ledning av M.I.T med deltagande av Saab AB, Airbus, Boeing m fl flygindustrier, flera universitet och materialleverantörer.
Nanokompositmaterial typ 1 (slumpvis orientering) Väldispergerade MWCNT i kolfiber/epoxi system som motsvarar dagens fiberkompositer, men med nära isotrop egenskapsförbättring hos matrismaterialet 5 µm
Kolfiber och kolnanorör i epoximatris
Nanokompositmaterial typ 2 (orienterade kolnanorör, skogar ) Interlaminär armering av kolfiber/epoxi-laminat med MWCNT NECST Consortium, MIT Nanostitching of CFRP prepreg laminates
NANOSTITCHING OF SAAB CFRP LAMINATES In an ongoing test program, NECST CNT nanostitching is used for Saab-manufactured CFRP prepreg laminates of aerospace quality, designed for characterization of - bolt-bearing strength - open hole compression strength - L-shaped formed prepreg stacks - interlaminar strength of L-shaped laminate sections High priority on robust manufacturing technologies
Saab-tillverkade skogar av MWCNT Tekniken utvecklad av M.I.T. 40 um 10 um 20 um 5 um Lennart Lundgren, ITM SEM
Skog av MWCNT, vy från ovan Streckad area motsvarar tvärsnittet av en kolfiber 2 um
SEM of Saab-manufactured nanostitched CFRP laminate Expected CNT orientation based on positioning of nanostitch forest in lay-up 1,00 um
Nanokompositmaterial typ 3 ( håriga kolfibrer ) Intralaminär armering av kolfiber/epoxi-laminat med MWCNT NECST Consortium, MIT MWCNT grown directly on carbon fibers
Preliminära resultat Förbättrade egenskaper hos kolfiberkompositer m h a låg andel kolnanorör i matrismaterialet epoxi Matrismaterialet armeras mekaniskt av a) väldispergerade kolnanorör (slumpvis orientering) b) infiltrerade kolnanorör (orienterade skogar av CNT och håriga kolfibrer ) Slumpvis orienterade kolnanorör i matrismaterialet ger ca 70 % högre mod 1 och mod 2 brottseghet än idag använda kompositmaterial Nanostitching av kolfiber/epoxi prepreglaminat ger ca 200 % högre mod 1 och mod 2 brottseghet än idag använda kompositmaterial Håriga kolfibrer ger mekaniska förbättringar i nivå med nanostitching Matrisdominerade mekaniska egenskaper förbättras inte på bekostnad av andra egenskaper utan i synergi med annan prestandaförbättring
Hälsorisker? Kolbaserat nanomaterial Säker materialhantering i handskbox Vi tillämpar försiktighetsprincipen och hanterar materialen som asbest
Déjà vu all over again Hur lång tid tar det att utveckla teknikområdet? Kommer egenskaperna hos MWCNT att kunna användas fullt ut? Hur mycket kommer det att kosta? Militär och civil användning? Många paralleller med introduktionen av kolfiber för 40 år sedan
Fortsättning följer Kolnanorör på väg att få en civil flyganvändning Prestandavinster, nya funktioner, multifunktioner, lägre strukturvikt Internationell samverkan bl a inom projektet NECST och inom EUFP7 En utveckling som påminner om kolfiberns introduktion för 40 år sedan (stort tekniksteg, ökande teknikmognad, växande utvecklingsinsats, stora prestandavinster.. ) Koppling till många andra IPT/FoT-projekt: EU, NFFP, Fortsättning följer