Grafenmodifierade kompositer för långtids- och högtemperaturapplikationer, steg 2 (avslutat)

Resultat 

Detta projekt syftar till att vidareutveckla och optimera de teknologier som föreslagits i ett hypotesprov (LIGHTer/SIO Grafen gemensamt projekt 2017-02224) och därmed ge tydliga bevis för att använda grafen som en effektiv diffusionsbarriär för att förbättra hållbarheten hos högtemperaturpolyimid (HT-PI) hartsbaserade kolfiberkompositer (CFRP) vid hög temperatur och aerobt tillstånd. Detta skulle kunna möjliggöra sådana kompositer för tillämpning i flygmotorers varma delar med nödvändig livslängd. 

Projektet genomfördes av samma fyra deltagare som i hypotesprovet – Woxna Graphite (kommersiell leverantör av grafit/grafen), GKN Aerospace Sweden och Nexam Chemical (slutanvändare/producenter) och RISE SICOMP (teknikutvecklare) med fyra tydliga fokus – material- och processutveckling av grafenmodifierad HT-PI-baserad CFRP, simulering av CFRP:s nedbrytningsbeteende under termisk oxidation för främst bedömning av driftstemperatur, övervakning och kontroll av nanosäkerhet samt spridning av information om projektet. Allt planerat arbete utfördes framgångsrikt och imponerande resultat uppnåddes.

I projektet integrerades grafen i HT-PI-baserad CFRP, som ytskydd respektive som matrismodifierare. HT-PI-baserade CFRP:er, med och utan grafen, tillverkades, oxiderades sedan termiskt och testades på samma sätt för jämförelse. Utan modifiering av grafen minskade de mekaniska egenskaperna hos HT-PI-baserad CFRP representerad av ”short-beam skjuvhållfasthet (ILSS) med 56% och 84% efter att ha oxiderats termiskt vid 320°C under 500 timmar respektive 1000 timmar. När grafen agerar skyddslager som är jämnt belagt på kompositytan, bevaras 80% (efter 500 timmar) och 65% (efter 1000 timmar) av kompositens mekaniska egenskaper, respektive, vid en grafenbelastningstäthet av ~3×10 -6 g/cm2. När 0,5 viktprocent grafen dispergerades i HT-PI-matrisen, vilket är ~45 volymprocent av CFRP:n, minskade inte de mekaniska egenskaperna för den resulterande CFRP:n efter 500 timmar och 87% av egenskaperna bevarades efter 1000 timmar. Den simulerade kinetiska prestandan stämmer väl med de experimentella resultaten.

Bland olika utmärkta egenskaper hos grafen är barriärfunktionen för ogenomtränglighet den mest önskade i detta projekt. Med den innovativa utvecklingen av material- och tillverkningsprocesser i projektet har vi uppnått målet och använt extremt låga mängder grafen för att uppnå mycket bättre hållbarhet mot luft vid höga temperaturer (> 300°C). Kunskapen och teknologierna kan tillämpas på andra flygplanskomponenter och andra tillämpningar som inte är begränsade till högtemperaturharts, där hållbarhetskraven är höga för kompositer beträffande oxidation och fuktighet över ett brett temperaturområde. Beroende på vilka delar och inom vilken industrisektor, kan en första produkt komma fram under kommande 3–5 år.

Konsortiet har täckt hela värdekedjan i projektet. Deltagarna har tillräcklig kunskap, omfattande erfarenhet och ett brett nätverk, vilket gör dem redo att utvärdera projektets fulla potential.

Abstract in English

Graphene modified composites for long-term high-temperature applications, stage 2

Results

This project aims to further develop and optimize the technologies proposed in a hypothesis test (LIGHTer/SIO Grafen joint project 2017-02224) hence to provide solid proof of using graphene as an efficient diffusion barrier for enhancing durability of high-temperature polyimide (HT-PI) resin based carbon fibre composites (CFRPs) at high temperature and aerobic condition. This could possibly allow such composites for aero-engine warm parts application with required service life.

This project was carried out by the 4 partners same as in the hypothesis test – Woxna Graphite (commerical supplier of graphite/graphene), GKN Aerospace Sweden and Nexam Chemical (end users/producers) and RISE SICOMP (main technology developer) with 4 clear focuses – material- and process development of graphene modified HT-PI based CFRP, simulation of the degradation behavior of the CFRP under thermal oxidation for primarily assessment of operation temperature, monitoring and control of nano-safety, as well as dissemination. All planned work was carried out successfully and impressive results were achieved.

In this project, graphene was integrated into the HT-PI based CFRP as surface protection and as matrix modifier, respectivley. The HT-PI based CFRPs, with and without graphene, were manufactured, then thermally oxidized, and tested in a same way for comparison. Without the modification of graphene, the mechanical properties of the HT-PI based CFRP represented by short-beam shear strength (ILSS) decreased by 56% and 84% after being thermally oxidized at 320°C for 500 h and 1000 h, respectively. While, when graphene acts as protection layer uniformly coated on the composite surface, 80% (after 500 h) and 65% (after 1000 h) of the mechanical properties of the composite were preserved, respectivley, at a graphene loading density of ~3x10-6 g/cm2. When 0.5 wt% graphene was dispersed in the HT-PI matrix which is ~45 vol% of the CFRP, the mechanical properties of the resulting CFRP didn’t decrease after 500 h, and 87% of the properties was preserved after 1000 h. The simulated kinetic performance fit the experimental results well.

Among various excellent properties of graphene, the barrier function for impermeability is the most desired one for this project. With the innovative material- and manufacturing processes development in this project, we have achieved the target and used extremely low amounts of graphene to achieve highly improved durability against air at high temperatures (> 300°C). The know-how and technologies can be applied to other aircraft componentes and other applications not limited to high-temperature resins, where durability requirements of composites regarding oxidation and humidity across a wide range of temperatures is high. Depending on what parts in which industrial sector, the first product could appear in the coming 3-5 years.

The consortium has covered the full value chain in this project. The partners have sufficient knowledge, extensive experience and wide network, making them ready to evaluate the full potential of the project.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen (våren 2019)

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

Projektledare: Guan Gong, RISE SICOMP

Projektform: Forsknings- och innovationsprojekt

Bidrag: 591 000 kr

Projektets löptid: 20 aug 2019-19 feb 2021

Relaterade projekt:
Grafenmodifierade kompositer för långtids- och högtemperaturapplikationer (avslutat)

Relaterade styrkeområden: