امروزه، جديدترين هواپيماهاي مسافربري بوئينگ و ايرباس از مواد كامپوزيتي پيشرفته، از جمله مواد پلاستيكي تقويتشده به وسيله الياف كربن كه بسيار سبك و بادوام هستند، ساخته ميشوند به طوريكه وزن كلي هواپيما را در مقايسه با هواپيماهايي كه بدنه آلومينيومي دارند تا 20 درصد كاهش ميدهند.
چنين بدنه هواپيمايي با وزن سبك سبب ذخيره سوخت ميشود، كه خصيصه اصلي كامپوزيتهاي پيشرفته است، اما مواد كامپوزيتي به طرز حيرتانگيزي آسيبپذير هستند. درحاليكه آلومينيوم، قبل از ترك خوردن، ميتواند دربرابر ضربات نسبتاً بزرگ مقاومت كند، بسياري از لايهها، به دليل ضربات ناگهاني نسبتاً كوچك، از هم جدا ميشوند، كه بهعنوان پاشنه آشيل (نقطه ضعف) اين مواد كامپوزيتي در نظر گرفته ميشود.
امروزه، مهندسان هوافضاي MIT روشي را براي پيوند هرچه محكمتر لايههاي كامپوزيتي كشف كردهاند كه محصول آن، در مقايسه با كامپوزيتهاي پيشرفته، كامپوزيتي با مقاومت بسيار بالا در برابر آسيب است همچنين بسيار قويتر از آنها است. محققان با استفاده از نانولولههاي كربني، رولهاي نازك اتمي كه بهرغم ارتفاع ميكروسكوپيشان، فوقالعاده قوي هستند، لايههاي مواد كامپوزيتي را با هم سفت ميكنند.
آنها «جنگلهاي» كوچك نانولولههاي كربني را در درون ماتريس پليمري (زمينه پليمري) چسبمانند تعبيه ميكنند، سپس ماتريس را بين لايههاي كامپوزيتهاي فيبر كربني پرس ميكنند. نانولولهها، در اين ماده مانند كوكها و بخيههايي عمل ميكند كه به صورت عمودي تراز شدهاند و درون شكافهاي هركدام از لايههاي كامپوزيتي، بهعنوان داربستي براي نگهداشتن لايهها در كنار هم، وارد عمل ميشوند.
در آزمايشي براي تست مقاومت مواد، اين تيم تحقيقاتي نشان داد كه در مقايسه با مواد كامپوزيتي، كامپوزيتهاي حاصل 30 درصد مقاومت بيشتري دارند، كه قبل از جداشدن از هم نيروهاي بيشتري را تحمل ميكنند. روبرتو گازمن، كه بهعنوان فوق دكتراي MIT در دپارتمان هوانوردي و فضانوردي (AeroAstro) رهبري پروژه را برعهده داشت، ميگويد اين چنين مواد بهبود يافته ممكناست به قطعات هواپيمايي قويتر و سبكتر منجر شود، به ويژه آن بخش از قطعات كه به ميخ و پيچ و مهره نياز دارند، كه ميتواند سبب ترك كامپوزيتهاي متداول شود. گازمن كه درحالحاضر محققي در مؤسسه مواد IMDEA در اسپانيا است ميگويد:«كارهاي زيادي وجود دارد كه بايد انجام دهيم، اما يقين داريم كه اين كار به هواپيماهاي قويتر و سبكتري منجر خواهد شد. به طوريكه سوخت بسياري ذخيره ميشود كه اين مسئله از نظر آلودگي براي محيط زيست و ازنظر مالي براي ما كار بزرگي است و مزايايي به همراه دارد.»
امروزه، مواد كامپوزيتي از لايههاي فيبرهاي كربني افقي ساخته ميشوند، كه با چسبهاي پليمري در كنار هم قرار ميگيرند. متخصصان آنها را بهعنوان «منطقه مشكلساز بسيار بسيار ضعيف» توصيف ميكنند. تلاش براي تقويت اين منطقه چسبي شامل روشهاي Z- pinning and 3- D weaving است كه دربردارنده اتصالات بافتي و گرهاي الياف كربني در سرتاسر لايههاي كامپوزيتي است، كه شبيه به وارد كردن پيچ و مهره در چوبهاي چند لايه يا نخ در پارچه است. متخصصان معتقدند:«يك بخيه (كوك) يا ميخ هزاربرابر بزرگتر از الياف كربن است. بنابراين وقتي آنها را در كامپوزيت ايجاد ميكنيد، هزاران الياف كربن را ميشكنيد و به كامپوزيت آسيب ميرسانيد.» نانوتيوبهاي كربني، در مقابل، قطري برابر با 10 نانومتر دارند، كه نزديك به يك ميليون بار كوچكتر از اليافهاي كربني است. واردل ميگويد: «اندازه مهم است، زيرا ميتوانيم اين نانوتيوبها را بدون اخلال در فيبرهاي كربني بزرگتر در داخل كامپوزيت قرار دهيم كه اين كار سبب حفظ قدرت كامپوزيت ميشود. آنچه به ما كمك ميكند تا قدرت را افزايش دهيم اين مسئله است كه اين نانوتيوبها سطح تماسي حدود ۱۰۰۰ برابر فيبرهاي كربن دارند و به راحتي با زمينه پليمري اتصال برقرار ميكنند.
منبع: ساينس ديلي
