Mit Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen gefüllte Sandwichplatten mit überragender Qualität

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21435 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der Einfluss von hochporösen und leichten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwämmen auf die Ablationsbeständigkeit der Sandwichplatte mit Hochleistungs-Dauerstrichlasern wurde experimentell untersucht. Zum Vergleich wurden die thermischen Reaktionen von monolithischen Platten, mit Kohlenstoffnanoröhrenfilm gefüllten Sandwichplatten, ungefüllten Sandwichplatten und mit Kohlenstoffnanoröhrenschwamm gefüllten Sandwichplatten analysiert, die einer Dauerstrichlaserbestrahlung ausgesetzt waren. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Laserbeständigkeit der mit Kohlenstoffnanoröhren gefüllten Sandwichplatte offensichtlich höher ist als die der ungefüllten Struktur. Die zusätzliche Ausfallzeit der Sandwichplatte durch Füllen der Kerne mit dem Kohlenstoffnanoröhrenschwamm mit Einheitsmasse war etwa 18-mal bzw. 33-mal länger als durch Füllen mit dem herkömmlichen ablativen und isolierten Material. Dies könnte durch den hohen thermischen Diffusionskoeffizienten und die latente Sublimationswärme des Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwamms erklärt werden. Während der Ablation durch die kontinuierliche Welle verbrauchte der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwamm aufgrund seiner hohen latenten Sublimationswärme nicht nur schnell die absorbierte Laserenergie durch Phasenänderung eines großflächigen Materials, sondern verteilte auch schnell die durch den kontinuierlichen Laser eingebrachte Wärmeenergie aufgrund seines hohen Wärmediffusionskoeffizienten, der zu einer außergewöhnlichen Laserablationsbeständigkeit führt.

Sandwichstrukturen werden häufig in der Maschinenbauindustrie wie der Luft- und Raumfahrt sowie dem Transportwesen eingesetzt, um ein leichtes und multifunktionales Design zu realisieren1,2,3. Darüber hinaus bietet es zahlreiche offenzellige Kerne zum Füllen fortschrittlicher Materialien, um seine Leistung unter verschiedenen Bedingungen deutlich zu verbessern4,5,6,7,8. Unsere vorherige Studie hat gezeigt, dass das Einfüllen von leichtem Ablationsmaterial in den Hohlraum des Kerns nicht nur die Ausfallzeit verzögert, sondern auch das Ausmaß der Beschädigung der mit Dauerstrichlaser (CW) laserbestrahlten Sandwichplatten verringert9. Bei der mit Ablationsmaterial gefüllten Sandwichplatte spielt der Hochtemperatur-Phasenwechsel des Kohlenstoffpulvers eine führende Rolle für die Laserbeständigkeit der Sandwichplatte, und die Harzmatrix übt hauptsächlich eine unterstützende Wirkung auf das Kohlenstoffpulver aus. Daher kann es eine effizientere Möglichkeit sein, den in den Kern eingefüllten reinen Kohlenstoff bei der Ableitung der Wärmeenergie optimal zu nutzen, um die Laserbeständigkeit zu verbessern, sofern das Strukturgewicht nahezu nicht erhöht wird.

Die Kohlenstoffnanoröhrenstruktur (CNT) ist eine Art multifunktionales Nanomaterial mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften sowie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit10,11,12,13,14,15,16,17. Derzeit kann eine große Menge an CNT-Folien und CNT-Schwämmen hergestellt werden, die in der technischen Praxis eingesetzt werden können. In der Literatur gibt es einen beträchtlichen Wissensschatz, der sich mit den Eigenschaften von CNT-Schwämmen wie mechanischem Verhalten, Leitfähigkeit und Wärmeisolierung sowie ihrer Anwendung in Aspekten von Solarzellen und Phasenwechselmaterialien befasst11,17,18,19,20 ,21,22,23. CNT-Schwämme können in die tragende Sandwichstruktur eingefüllt werden, um eine multifunktionale Konstruktion wie Tragfähigkeit und Wärmedämmung zu realisieren21, da sie große Verformungen ertragen und zyklisches Versagen verhindern können21. Obwohl CNT-Schwamm eine sehr geringe makroskopische Wärmeleitfähigkeit aufweist, könnte die Wärmeenergie entlang der CNT-Richtung sehr schnell übertragen werden. Dadurch könnten CNT-Schwämme die durch die CW-Laserbestrahlung induzierte Wärmeenergie zerstreuen und die Ausfallzeit der Sandwichplatte verzögern.

Laserinteraktionen mit festen Materialien haben unter verschiedenen Bedingungen zunehmend Beachtung gefunden, darunter Laserschweißen24,25, Laserbohren26, Laserschneiden27 und Laserbearbeitung28 sowie laserinduzierte Schäden9,29. Für die hochporösen Materialien untersuchten Chen et al.30 die Wechselwirkung zwischen dem gepulsten Ultraviolettlaser und dem CNT-Schwamm und diskutierten die plasmatischen Eigenschaften, die durch den gepulsten Laser im CNT-Schwamm verursacht werden. Wenn ein Hochleistungs-CW-Laserstrahl auf poröse Materialien gerichtet wird, sind die Hauptmechanismen der Beschädigung die Verdunstung und das Ausstoßen des Materials aus dem Laserpunkt. In Wirklichkeit ist es unser Hauptanliegen, dass die Temperatur der Rückseite den Schmelzpunkt erreicht.

Um die Wirkung ultraleichter CNT-Schwämme zu untersuchen, wurde die Reaktion der laserbestrahlten Sandwichplatte aus mit CNT-Schwämmen gefüllten Sandwichplatten experimentell untersucht. Zum Vergleich wurden unter den gleichen Bedingungen auch kontinuierliche Laserbestrahlungsexperimente mit monolithischen Platten, mit CNT-Film gefüllten Sandwichplatten und ungefüllten Sandwichplatten durchgeführt. Mithilfe einer Wärmebildkamera (TIC) und einer Hochgeschwindigkeitskamera (HSC) wurden die Temperaturverteilung und der Versagensprozess der rückseitigen freien Oberfläche ermittelt. Es wurde beobachtet, dass das Einfüllen von CNT-Schwamm aufgrund des Absorptionseffekts der Laserenergie durch Hochtemperatur-Phasenwechsel und seines Diffusionseffekts auf das Paneltemperaturfeld die Ausfallzeit des Sandwichpanels dramatisch verzögern könnte.

Die im Experiment verwendeten CNT-Film- und CNT-Schwammmaterialien wurden vom Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano Bionics bereitgestellt. Die Dicke und Größe des CNT-Films betrug 100 nm bzw. 40 mm × 40 mm. Die Größe des CNT-Schwamms betrug 40 mm × 40 mm und die Dicke beträgt 8 mm. Die Dichte und Porosität des CNT-Schwamms betrug 5–10 mg/cm3 bzw. > 99 %. Der makroskopische Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von CNT-Schwamm liegt aufgrund der hohen Porosität unter 0,15 W/(m·K).

Es wurden vier Arten von Strukturen berücksichtigt: monolithische Platte, mit CNT-Folie gefüllte Sandwichplatte, ungefüllte Sandwichplatte und mit CNT-Schwamm gefüllte Sandwichplatte. Um eine identische Flächendichte zu gewährleisten, betrug die Dicke der monolithischen Platte 1,8 mm und die der Vorder- und Rückseite der Sandwichplatte betrug 0,9 mm. Die zusätzliche Masse durch den CNT-Film und den CNT-Schwamm konnte im Vergleich zum Gewicht der Platte vernachlässigt werden. Bei der mit CNT-Folie gefüllten Sandwichplatte standen die beiden Schichten der Platte direkt in Kontakt. Bei der mit CNT-Schwämmen gefüllten Sandwichplatte betrug der Abstand zwischen den beiden Platten 8 mm.

Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau. Auf der Rückseite der Sandwichplatte wurde ein TIC angebracht, um die Temperaturverteilung über das gesamte Feld zu erhalten. Die Auflösung und die Abtastfrequenz des TIC betrugen 420 × 640 Pixel bzw. 30 Hz. Der Temperaturmessbereich betrug 100–2700 °C. Um die dynamische Schadensentwicklung der Rückseite zu erfassen, wurde auch ein HSC auf der Rückseite der Probe platziert. Die Abtastfrequenz und Auflösung betrugen 60 Hz bzw. 1600 Pixel × 1200 Pixel. Als Laserquelle wurde ein IPG YLS 2000 W-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1,07 μm verwendet. Im Laserbestrahlungsexperiment wurde ein Laser mit einer Ausgangsleistung von 500 W eingesetzt. Durch Anpassen des Abstands von der Probe zum Laserkopf, der etwa 741 mm beträgt, wurde ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von 5 mm erhalten.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus und der im Experiment getesteten Probentypen.

Beim Einsatz als tragende Struktur von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen ist die Sandwichstruktur üblicherweise einem externen Hochgeschwindigkeitsluftstrom oder einem erheblichen Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite ausgesetzt. Unter diesen Umständen löst sich das geschmolzene Material aufgrund der mechanischen Erosion oder der Wirkung von Innendruck schnell ab. Dann bestrahlt der Laser die Komponenten und Teile im Inneren des Flugzeugs direkt, was zu schweren Schäden führt. Daher wurde im Experiment die Zeit, die die Rückseite der Sandwichplatte benötigt, um den Schmelzpunkt zu erreichen, als Versagenszeit definiert.

Abbildung 2 vergleicht die Temperaturverläufe der Laserpunktmitte der Rückseiten für verschiedene Strukturen unter CW-Laserbestrahlung. Es lässt sich feststellen, dass aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit entlang der Dickenrichtung die Temperatur der Rückseite der monolithischen Platte zu Beginn der Bestrahlungszeit schnell anstieg und nach etwa 5 s den Schmelzpunkt erreichte. Die Temperatur auf der Rückseite wird aufgrund der Oberflächenspannung auf dem Schmelzpunkt gehalten.

Vergleich der Temperaturverläufe von monolithischer Platte, mit CNT-Folie gefüllter Sandwichplatte, ungefüllter Sandwichplatte und mit CNT-Schwamm gefüllter Sandwichplatte.

Bei mit CNT-Folie gefüllten Sandwichpaneelen kam es aufgrund des thermischen Widerstandseffekts zwischen zwei Paneelen und der absorbierenden Wirkung des CNT-Films auf die Laserenergie offensichtlich erst nach 2,5 s zu einem Temperaturanstieg auf der Rückseite. Mit zunehmender Laserbestrahlungszeit stieg die Temperatur schnell an und erreichte den Schmelzpunkt nach 7,3–8,5 s. Darüber hinaus war die Temperaturanstiegsrate der mit CNT-Schwämmen gefüllten Sandwichplatte nach offensichtlichem Temperaturanstieg identisch mit der der monolithischen Platte.

Wie in der Referenz9 angegeben, wurde die durch Laserbestrahlung erzeugte Wärmeenergie hauptsächlich in die Frontplatte übertragen, bevor die Frontplatte vom Schmelzen durchdrungen wurde. Dann stieg die Temperatur der Rückseite nach 10 s schnell an und erreichte nach 11,9 s den Schmelzpunkt. Aufgrund des kleinen Kühlkörpers der Rückwand war die Temperaturanstiegsrate der ungefüllten Sandwichplatte weitaus größer als die der monolithischen Platte und der mit CNT-Folie gefüllten Sandwichplatte. Dies hat zur Folge, dass die Struktur beim Durchschmelzen der Frontplatte schnell versagt.

Bei der mit CNT-Schwamm gefüllten Sandwichplatte war die thermische Reaktionszeit aufgrund der Leitung des CNT-Schwamms früher als bei der ungefüllten Sandwichplatte, aber die Temperaturanstiegsrate der Struktur nach dem offensichtlichen Temperaturanstieg war weitaus geringer als bei den anderen drei Typen. Die Zeit, in der die Punkttemperatur in der Mitte der Rückseite den Schmelzpunkt erreichte, war länger als bei der ungefüllten Sandwichplatte. Daher könnte das Füllen von CNT-Schwämmen die Laserbeständigkeit der Sandwichplatte deutlich verbessern.

Die Ausfallzeiten der vier Strukturen sind in Abb. 3a dargestellt. Es zeigt sich, dass die Aufteilung der monolithischen Platte in zweischichtige dünne Platten und deren Füllung mit CNT-Filmen die Laserbeständigkeit der Struktur verbessern könnte. Eine zunehmende Menge an CNT-Film konnte die Ausfallzeit der Struktur nicht verzögern. Daher könnte die vom CNT-Film absorbierte Laserenergie aufgrund der ultradünnen Dicke vernachlässigt werden. Der thermische Widerstand zwischen den beiden Platten führte zu einer längeren Laserausfallzeit. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Paneelen könnte die thermische Reaktionszeit und die Ausfallzeit des Sandwichpaneels verzögern. Nachdem die Frontplatte jedoch durchgeschmolzen war, war die Temperaturanstiegsrate zu hoch, was zu einem schnellen Ausfall führte. Im Vergleich zur ungefüllten Sandwichplatte hatte die mit CNT-Schwamm gefüllte Sandwichplatte eine kurze thermische Reaktionszeit. Aufgrund der hohen latenten Phasenänderungswärme des CNT-Schwamms war die Laserbeständigkeit jedoch höher. Hier wurde \(\eta\) als Verhältnis der Zunahme der Versagenszeit zur Zunahme des Strukturgewichts aufgrund der Zugabe von Füllmaterial in der ungefüllten Sandwichplatte definiert:

wobei \(t_{filled}\) und \(t_{unfilled}\) die Laserausfallzeit von gefüllten bzw. ungefüllten Sandwichelementen sind. \(m_{filled}\) und \(m_{unfilled}\) sind Gewichte gefüllter bzw. ungefüllter Sandwichelemente. Abbildung 3b zeigt die Einflüsse verschiedener Füllstoffe auf die CW-Laser-Versagensfestigkeit der Sandwichplatte. Experimente zur Laserbestrahlung der übrigen beiden Materialien finden sich in Referenz9. Es zeigt sich, dass die Widerstandsfähigkeit des CNT-Schwamms den beiden anderen Füllstoffen weit überlegen ist. Die zusätzliche Ausfallzeit durch das Füllen des CNT-Schwamms mit Einheitsmasse beträgt etwa das 18- bis 33-fache der Füllzeit mit dem herkömmlichen ablativen und isolierten Material.

Einfluss des Füllstoffs auf die Laserbeständigkeit der Sandwichplatte. (a) Ausfallzeit, (b) Verhältnis der Zunahme der Ausfallzeit zur Zunahme des Strukturgewichts aufgrund der Zugabe von Füllmaterial. Das Laserbestrahlungsverhalten der Keramik und der Verbindung aus mit Silikonharz und Kohlenstoffpulver gefüllten Sandwichplatten finden Sie in Referenz9.

Abbildung 4 zeigt den dynamischen Entwicklungsprozess der Vollfeld-Temperaturverteilung für die vier Strukturen. Zu Beginn der Laserbestrahlung kam es auf der Rückseite der monolithischen Platte zu einem offensichtlichen Temperaturanstieg. Mit zunehmender Bestrahlungszeit dehnte sich der Hochtemperaturbereich kontinuierlich aus und die höchste Temperatur erreichte den Schmelzpunkt nach etwa 5 s. Bei einer mit CNT-Folie gefüllten Sandwichplatte erreichte die höchste Temperatur auf der Rückseite selbst nach 5 s nicht den Schmelzpunkt. Aufgrund des Wärmewiderstands entlang der Dickenrichtung gab es selbst nach 10 s keinen offensichtlichen Temperaturanstieg auf der Rückseite der ungefüllten Sandwichplatte. Im Vergleich zur ungefüllten Sandwichplatte zeigte die mit CNT-Schwamm gefüllte Sandwichplatte eine schnellere Temperaturreaktion und eine geringere Temperaturanstiegsrate, was dazu führte, dass die Temperatur auf der Rückseite den Schmelzpunkt später erreichte. Der Vergleich der gesamten Temperaturverteilung zeigte, dass der Hochtemperaturbereich auf der Rückseite der mit CNT-Schwamm gefüllten Sandwichplatte breiter war und die höchste Temperatur niedriger war als die der ungefüllten Sandwichplatte.

Temperaturverteilung auf der Rückseite einer monolithischen Platte, einer mit CNT-Folie gefüllten Sandwichplatte, einer ungefüllten Sandwichplatte und einer mit CNT-Schwamm gefüllten Sandwichplatte bei unterschiedlichen Bestrahlungszeiten, aufgenommen mit der Wärmebildkamera.

Abbildung 5A zeigt die Ablationsmorphologie des CNT-Schwamms. Der Außendurchmesser der Ablationsgrube entsprach in etwa dem Laserpunkt. Durch Abziehen des äußeren Schwammbereichs (schwarzer Teil) vom Material, wie in Abb. 5b gezeigt, konnte festgestellt werden, dass der Durchmesser der inneren Ablationsgrube etwa das Dreifache des Laserflecks betrug.

Ablationsmechanismen des CNT-Schwamms: (a) äußere Ablationsmorphologie, (b) innere Ablationsmorphologie, (c) SEM-Bild des Kontaktbereichs zwischen der Platte und dem CNT-Schwamm, (d) Elementgehalt und EDS-Bild.

Der Wärmediffusionskoeffizient ist die Rate, mit der die Temperatur an einem Punkt in einem Körper auf einen anderen Punkt übertragen wird, was ausgedrückt werden kann als:

Obwohl der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des CNT-Schwamms aufgrund seiner extrem geringen relativen Dichte niedrig war, betrug sein Wärmediffusionskoeffizient etwa das Zehnfache des Wärmediffusionskoeffizienten von Edelstahlmaterial (5 × 10–6 m2/s). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die verstärkende Wirkung des CNT-Schwamms auf die Laserbeständigkeit der Sandwichplatte hauptsächlich zwei Aspekte umfasst: (1) Die latente Sublimationswärme von Kohlenstoff war weitaus höher als bei anderen Materialien. Ein großer Teil der Laserenergie wurde vom CNT-Schwamm durch Sublimation im Durchmesserbereich des Laserflecks absorbiert; (2) Der CNT-Schwamm verteilte die von der Sandwichplatte absorbierte Laserenergie, sodass die Temperaturverteilung auf der Platte gleichmäßiger war.

Abbildung 5c,d zeigt die SEM- und EDS-Ergebnisse für den CNT-Schwamm, der direkt mit der Metallplatte in Kontakt steht. In den EDS-Ergebnissen war die Befestigung mit leuchtenden Farben auf dem CNT-Schwamm eine metallische Lösung. Dies zeigt an, dass die Temperatur an der Kontaktfläche zwischen dem CNT-Schwamm und der Metallplatte höher war als die Schmelztemperatur des Edelstahls. Aufgrund des großen Kühlkörpers des Panels war die Temperatur des CNT-Schwamms an der Kontaktfläche jedoch niedriger als die Sublimationstemperatur des Kohlenstoffs.

Es wurde eine experimentelle Studie zur Laserbeständigkeit von mit CNT-Schwamm gefüllten Sandwichplatten durchgeführt. Die dynamische Entwicklung der Temperatur und der Ablationsmorphologie auf der Rückseite der mit CW-Laser bestrahlten Probe wurde mithilfe von TIC und HSC ermittelt. Die Ablationsmorphologie und die Ablationsprodukte wurden durch SEM und EDS beobachtet. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Widerstandsfähigkeit der CNT-Schwämme gegenüber der Sandwichplatte unter CW-Laserbestrahlung deutlich höher ist als die der herkömmlichen ablativen und isolierten Materialien. Während des Laserablationsprozesses könnte angesichts des hohen thermischen Diffusionskoeffizienten einerseits die Phasenänderung eines großflächigen CNT-Schwamms mehr Laserenergie absorbieren. Andererseits verteilte der CNT-Schwamm den durch die Laserbestrahlung verursachten strukturellen Temperaturanstieg, sodass die Temperaturverteilung gleichmäßiger war, was zu einer höheren Laserbeständigkeit der Sandwichplatte führte. Aufgrund der überlegenen multifunktionalen Leistung können diese Art von Strukturen in Wärmeschutzsystemen und tragenden Strukturen eingesetzt werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Schlüssellabor für Mechanik in Fluid-Feststoff-Kopplungssystemen, Institut für Mechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100190, China

Wu Yuan, Kailu Xiao, Xianqian Wu, Jiangtao Wang, Te Ma, Hongwei Song und Chengguang Huang

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Wu Yuan, Kailu Xiao, Xianqian Wu, Jiangtao Wang, Te Ma, Hongwei Song und Chengguang Huang

Materials and Process Simulation Center, California Institute of Technology, Pasadena, CA, 91125, USA

Xianqian Wu

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WY und KX haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. XW vorbereitete Abb. 1, 2, JW und TM vorbereitete Abb. 3, 4, 5. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Xianqian Wu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yuan, W., Xiao, K., Wu, X. et al. Mit Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen gefüllte Sandwichplatten mit überlegener Beständigkeit gegen Hochleistungs-Dauerstrichlaser. Sci Rep 12, 21435 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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Eingegangen: 09. Oktober 2022

Angenommen: 05. Dezember 2022

Veröffentlicht: 12. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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