Multifunktionell kompositstruktur med hjälp av Grafen

Syfte och mål

Grafen, i kombination med kolfiber och epoxi, ska användas för att demonstrera ny funktionalitet för högt påkänd kompositstruktur i flygfarkoster. Demonstratorerna är mekaniska förband med fästelement (strukturskarvar) mellan kompositparter. Förbanden konstrueras och tillverkas för förbättrad hållfasthet, skadetålighet och elektrisk ledningsförmåga jämfört med idag använd teknik och är representativa för primära delar av flygplansskrov där 20 % viktbesparing bedöms vara möjlig.

Låg vikt möjliggörs av mer effektiva förband (högre tillåtet hålkanttryck), lägre fuktupptagning och förbättrad elektrisk ledningsförmåga i laminaten, vilket minskar behovet av metall för blixtskydd och andra elektriska funktioner som skärmning och stomanslutning. Förproven som gjorts med 5 och 25 µm grafenflagor, dispergerade i flygkvalificerad 2-komponent epoxi, har visat att processen vi använder fungerar väl med avseende på både tillverkning och laminatkvalitet.

Planerat upplägg

Grafen kommer att användas i våtimpregnerad kolfiberväv med epoxi som innehåller en relativt hög halt av grafenflagor och, där det ger förbättrad funktion, även kolnanorör. Våtimpregnerad väv kombineras i Saabs demonstrator med kolfiber/epoxi prepreg i laminat som dimensioneras och tillverkas enligt den modellering och simulering av hybridkompositmaterial som Chalmers bidrar med.

Saab konstruerar och tillverkar laminat och förband som är representativa för nästa generations civila passagerarflygplan. Blackwing har motsvarande aktiviteter representativa för sportflygplan i kolfiberkomposit. Ett lågt tillåtet hålkanttryck begränsar idag kolfiberkompositens användning inom flyg och andra branscher, där sammanbyggda produkter används. Potentialen för grafen kan vara mycket stor.

Abstract in english

Graphene, in combination with carbon fibers and epoxy, will be used for a demonstration of new functions for highly stressed composite airframe structures. The demonstrators are mechanical joints using fasteners (bolted joints) and composite parts. The bolted joints are designed and manufactured for improved mechanical strength, damage tolerance and electrical conductivity when compared with technical solutions used today and they are representative for primary structure where 20 % weight reduction is a realistic target.

Weight savings are possible due to improved efficiency joints (improved bolt bearing strength), reduced laminate moisture absorption and improved electrical conductivity, which will reduce the current need for metals used for lightning strike protection and other electrical functions such as shielding and connectors.

Tests with 5 and 25 micrometer graphene flakes dispersed in flight qualified 2 component epoxy have shown that the process we will use works well regarding both manufacturing and laminate quality. Graphene is used in epoxy for wet impregnation of carbon fiber fabric at a relatively high content. Targeted graphene volume content is above 2 % by volume and where it is feasible, carbon nanotubes will also be used.

In the Saab demo, the impregnated fabric will be combined with carbon fiber/epoxy prepreg according to modelling and simulations to be carried out by Chalmers. The Saab design is representative of a next generation passenger Aircraft. The Blackwing design represents a sports aircraft. The poor bolt bearing strength of carbon fiber epoxy composites is a limitation for aeronautic applications today and also for other markets where assembled composite structures are used. The potential for graphene may be very large.

Utlysning:
Lättviktslösningar med grafen – demonstratorprojekt 2017

Projektpartners: Saab Aeronautics, Blackwing, Chalmers och 2Dfab

Projektledare: Linnea Selegård

E-mail: linnea.selegard@saabgroup.com

Bidrag: 846 938 kr

Projektets löptid: sept 2017 - feb 2019

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: