Grafenmodifierade kompositer för långtids- och högtemperaturapplikationer

Syfte och mål

Målsättningen med projektet var att verifiera hypotesen att hållbarheten hos kolfiberförstärkt polymerkomposit (CFRP) ökar med grafen som funktionell barriär, för högtemperaturtillämpningar i flygmotorer.

Resultat

Grafenoxidmodifierad högtemperaturpolyimid (HT-PI) bearbetades till CFRP som barriär på kompositytan (beläggningsmetod) och som modifierad matris för kompositmaterialet (matrismetoden). En ~ 11 μm tjock beläggningsfilm innehållande 1 vikt% GO hindrade termisk oxidation av CFRP effektivt – vikten förlusten var 77% mindre efter 500 h och 60% mindre efter 1000 h exponering i luft vid 280 ° C jämfört med CFRP utan beläggning. Via denna matrismetod uppnåddes inte förväntad minskning av viktminskning. Orsaken upptäcktes emellertid och förbättringar kan göras.

Projektet har stor potential både i teknisk och kommersiell synvinkel. De framgångsrika resultaten kommer att tillämpas av industripartner i deras framtida produkter och är till nytta för skapandet av tillväxtmöjligheter för grafen- och grafittillverkare / leverantörer, samt främjande av FoU och kommersialisering av grafenteknik i Sverige. Resultaten ger också vägledning för fortsatt FoU-verksamhet.

Den förbättrade hållbarheten hos CFRP vid höga temperaturer kommer att öka användningen av polymera kompositvarianter som ersätter metallkonstruktioner i flygplansmotor, särskilt de varma delarna. Den förbättrade fuktspärren kommer också att öka användningen av existerande kompositkomponenter. Viktminskningen i flygplan förväntas därför vara minst 20% på systemnivå.

Utmaningar i projektet har varit att dispergera grafen i lösningsmedel/harts, samt att utveckla kostnadseffektivitet i processerna av att bearbeta modifierade kompositer.

Projektet bidrar till till mindre miljöpåverkan, tillväxt och/eller innovationseffektivitet genom att öka säkerheten och prestanda i flygplan, minska vikten av komponenter och minska gasutsläppen för gaser – för att spara bränsle, kostnader och utsläpp över flygmotorns livstid.

En demonstrator har tagits fram och en ansökan om fortsatt projekt har beviljats inom ramen för SIO Grafen.

Abstract in English

The goal was to verify a hypothesis of using graphene as a functional barrier to improve the durability of carbon fibre reinforced polymer composite (CFRP) for high-temperature applications in aircraft engine.

Graphene oxide (GO) modified high-temperature polyimide (HT-PI) was processed into CFRP by two means – as protection layer on the composite surface (coating method) and as modified matrix for the composite (matrix method), respectively, as proposed in the DoA. An ~11 μm-thick coating film containing 1 wt% GO prevented thermal oxidation of CFRP efficiently – the weight loss was 77% less after 500 h and 60% less after 1000 h exposure in air at 280°C compared to the CFRP without coating. Via the matrix method, expected reduction of weight loss was not achieved. However, the reason was discovered, and improvements can be made.

The enhanced durability of CFRP at high temperatures will increase the application of polymeric composite varieties that replace metal structures in aircraft engine, especially the warm parts. The improved impermeability against moisture will also expand the use of products/components already made with composites. The weight reduction in aircraft is hence expected to be at least 20% at the system level.

The main challenges has been the dispersion of graphene in solvent or resin, especially at concentrations higher than literature-reported values; and the cost-efficiency to process modified composites.

The project is well in line with the Government’s ambition that Sweden will be a leader in implementing the 2030 Agenda, and aligns tightly with the goal set in Flightpath 2050 Europe’s Vision for Aviation to increase safety and performance of aircrafts, decrease weight of components and reduce greeenhouse gas emissions – to save fuel, costs and emissions over the lifetime of the aero-engine.

The project resulted in a small demonstrator and a new application, granted via SIO Grafen.

Utlysning:
Lättviktslösningar med grafen – demonstratorprojekt 2017

Projektpartners: RISE SICOMP, GKN Aerospace Sweden, Nexam Chemical och Woxna Graphite

Projektledare: Guan Gong, RISE SICOMP

Bidrag: 878 913 kr

Projektets löptid: Sept 2017 - Feb 2019

Relaterade projekt:
Grafenmodifierade kompositer för långtids- och högtemperaturapplikationer, steg 2

Relaterade styrkeområden: