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.
Resultat
Syftet med projektet var att introducera grafen i epoxibaserade kolfiberkompositer och därigenom producera multifunktionella, lätta material för luftfartsapplikationer.
Fyra huvudbegränsningar av den för närvarande använda kolfiberarmerade plasten behandlades:
1. Hög inneboende sprödhet
2. Begränsad bultlagerstyrka
3. Dålig elektrisk ledningsförmåga – behov av metalliskt skydd mot blixtnedslag
4. Betydande fuktupptag
Vi har genom en kombination av experimentella studier, simuleringar och modellering visat att tillsats av små mängder grafen (0,5-3%) i epoxibaserad komposit ger en förbättrad styrka tillsammans med förbättrad elektrisk ledningsförmåga och minskad fuktig absorption.
Den ökade konduktiviteten har potential att minska behovet av de tunga, metalliska skydd mot blixtnedslag som används idag inom flygindustrin. Den förbättrade styrkan tillsammans med den minskade fuktupptagningen möjliggör också en mindre konservativ design. När det implementeras i en flygplanstruktur skulle detta nya material minska materialbehovet, flygplanets vikt och därmed bränsleförbrukningen vilket i sin tur minskar koldioxidutsläppet.
Resultaten var över våra förväntningar där man redan vid små grafeninnehåll observerade en tydligt minskad skada vid blixtnedslag. Demonstratorer producerades med användning av epoxi med olika nivåer av grafenförbättring och testades med användning av blixtar upp till 90 000 A. Redan visades mycket tunna lager av grafenförstärkt epoxi förbättra skyddsförmågan. Den demonstrerade förbättringen belyser potentialen att använda sådant material för lättflygningsapplikationer.
Grafenmaterialet karakteriserades med användning av olika typer av mikroskopitekniker, men projektet fokuserade dock främst på optimerad dispersion och erhållna funktionaliteter.
Projektet har resulterat i flera konferensbidrag:
• B. J. Blinzler, R. Larsson, K. Gaska, R. Kádár. Den 14: e internationella konferensen om flödesbearbetning i kompositmaterial. 2018
• B. J. Blinzler, R. Larsson, D. J. Carastan, D. V. A. Chiaretti, M. K. M. Mortugui, A. G. Táboas. ICCE-26, 26: e internationella konferensen om kompositer / Nano Engineering, Paris, Frankrike. 2018
• Felaktig förutsägelse i fiberförstärkta kompositer baserade på kontinumskada mekanik. S. A. C. de Oliveira, R. Larsson, M. Donadon, A. de Faria, L. Selegård. 7: e ECCOMAS temakonferens om mekanisk respons av kompositer: KOMPOSITER 2019. 2019
• Grafenarmerade kolfiberkompositer för förbättrade materialegenskaper. L. Selegård, D. Carastan, B. Blinzler, S. Forsberg, R. Larsson. Euromat 2019
Utöver konferenserna skrivs just nu en rapport och 2-3 artiklar planeras.
Grafen har en stor potential att användas i aeronautiska lätta applikationer och det finns redan produkter som utvecklas på marknaden. En utmaning när man implementerar nya typer av tillsatser i strukturella material är emellertid de stränga kvalifikationerna och certifieringarna som krävs för flyg- och rymdapplikationer. Det mest lämpliga tillvägagångssättet kan följaktligen vara att utföra implementering steg för steg. Användning av konstruktioner där ett ledande polymerbaserat blixtnedslagskikt separeras från den bärande strukturen kan vara det naturliga första steget. Samarbete med andra partners är helt klart fördelaktigt där det nya materialet kan demonstreras i andra mindre konservativa applikationer som i sin tur tydligt förkortar implementeringstiden också för flyg- och rymdapplikationer. Diskussioner om ett uppföljningsprojekt pågår.
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.
Results
The aim of the project was to introduce graphene into epoxy based carbon fibre composites and by that produce multifunctional, lightweight materials for aeronautical applications.
Four major limitations of the currently used carbon fibre reinforced plastics were addressed:
1. High inherent brittleness
2. Limited bolt bearing strength
3. Poor electrical conductivity – need for metallic lightning strike protection
4. Significant moist absorption
We have by a combination of experimental studies, simulations and modelling shown that addition of small amounts of graphene (0.5-3%) into epoxy based composite gives an improved strength along with improved electrical conductivity and reduced moist absorption.
The increased conductivity has the potential to reduce the need for the heavy, metallic lightning strike protections used today in the aeronautical industry. The enhanced strength along with the reduced moist absorption also enables a less conservative design. When implemented in an aircraft structure this novel material would reduce the material need, weight of the aircraft and thereby the fuel consumption which in turn reduces the CO2 emission.
The results were above our expectations where already at small graphene contents a clearly reduced damage upon lightning strikes were observed. Demonstrators were produced using epoxy with different levels of graphene enhancement and were tested using lightning’s of up to 90 000 A. Already very thin layers of graphene enhanced epoxy were shown to improve the protecting ability. The demonstrated improvement highlights the potential using such material for lightweight aeronautical applications.
The graphene material was characterized using different type of microscopy techniques, the project was however mainly focused on optimized dispersion and obtained functionalities.
The project has resulted in several conference contributions
• B.J. Blinzler, R. Larsson, K. Gaska, R. Kádár. The 14th international conference on flow processing in composite materials. 2018
• B.J. Blinzler, R. Larsson, D. J. Carastan, D. V. A. Chiaretti, M. K. M. Mortugui, A. G. Táboas. ICCE-26, 26th International Conference on Composites/Nano Engineering, Paris, France. 2018
• Failure prediction in fiber-reinforced composites based on continumm damage mechanics. S. A. C. de Oliveira, R. Larsson, M. Donadon, A. de Faria, L. Selegård. 7th ECCOMAS Thematic Conference on the Mechanical Response of Composites: COMPOSITES 2019. 2019
• Graphene reinforced carbon-fibre composites for enhanced material properties. L. Selegård, D. Carastan, B. Blinzler, S. Forsberg, R. Larsson. Euromat 2019
On top of the conference proceedings, one journal paper is in manuscript and 2-3 papers are planned.
Graphene has a great potential to be used in aeronautical lightweight applications and there are already products evolving on the market. A challenge when implementing new types of additives into structural materials is however the rigorous qualifications and certifications needed for aerospace applications. The most suitable approach might hence be to do implementations step by step and utilization of designs where a conductive polymer based lightning strike layer is separated from the load bearing structure could be the natural first step. Collaboration with other partners is clearly beneficial where the new material can be demonstrated in other less conservative applications which in turn clearly shortens the implementation time also for aerospace applications. Discussions regarding a follow-up project is ongoing.
