Multifunktionella grafenförbättrade termoplaster för luftfartstillämpningar

Syfte och mål

I detta projekt kommer vi att utveckla en ny grafenförstärkt termoplastkomposit med avseende på multifunktionalitet. Syftet är att avsevärt förbättra styrkan och att framkalla elektrisk ledningsförmåga med hjälp av grafenförbättringen av polymeren. Polyeterimid används som huvudprototyp, vilken är en relativt höghållfast och temperaturbeständig termoplast i sig.

Genom kombinationen av experiment, modellering och simuleringar söker vi för att förstå grafen-polymer-interaktionen för att få ut den optimala grafen-dispersionstekniken. Projektet utförs i en tvärvetenskaplig och internationell miljö med experter på molekylära interaktioner, modellerings-/simulerings- och dispersionstekniker (dvs. Saab, 2D Fab, Chalmers, Linköpings universitet och UFABC-Brasilien). Detta ger oss en plattform som är avgörande för att utveckla grafenbaserade högteknologiska, lätta och hållbara termoplastmaterial som kan användas i krävande flygtekniska produkter, tillverkade genom antingen 3D-utskrift eller traditionella metoder.

Ett problem med dagens termoplaster är att de inte har tillräckligt hög mekanisk hållfasthet för att konkurrera med epoxibaserade matriser vid produktion av strukturmaterial. Deras ledningsförmåga (elektrisk och termisk) är inte heller tillräcklig för att möjliggöra anpassad produktion av multifunktionella produkter och filmer. Grafen, ett material som uppvisar utmärkta mekaniska egenskaper tillsammans med en enorm elektrisk ledningsförmåga, har potential att förbättra dessa egenskaper och möjliggör genomförande av termoplastmaterial i nya störande, multifunktionella och flygtekniska lättviktstillämpningar.

Projektet kommer att ha fyra kontaktpunkter:

  1. Undersökning av grafen-polymer interaktion och funktion. Detta område bygger kunskap om dispersionen och ger input till modellering och simuleringar.
  2. Dispersionstekniker och perkoleringströsklar för optimal multifunktion av den förstärkta termoplasten. Effekter av olika grafentyper identifieras i punkt 1.
  3. Modellering och simuleringar av fenomenen av materialets mekaniska och ledande beteende. Utvecklingen baseras på insatser från punkt 1 och 2.
  4. Erhållen multifunktionell förmåga baserat på testkampanj för mekanisk styrka och ledningsegenskaper. Kompletterad med inmatning från steg 1, 2 och 3.

Tillämpningar för förbättrade termoplaster finns i fordons-, marin-, flyg- och andra komponenter där det är viktigt att ersätta metaller och härdplaster är viktigt ur ett kostnadseffektivt, lättvikts och miljömässigt perspektiv. Tillsammans med den multifunktionella kapaciteten (när det gäller förbättrade mekaniska /elektriska egenskaper) förutser vi en betydande potential för smart design och viktminskning som underlättar genomförandet på nya innovativa områden. Det här är aspekter som är av största intresse för att stärka Saabs och andra svenska industrins konkurrenskraft på den globala marknaden.

Abstract in English

Multifunctional graphene-enhanced thermoplastics for aerospace applications
In this project we will develop a new graphene-enhanced thermoplastic material with respect to multifunctionality. The aim is to significantly improve strength and to induce electrical conductivity via the graphene enhancement of the polymer. Polyetherimide is used as the main prototype, which is relatively high strength and temperature resistant thermoplastic.

From the combination of experiments, modelling and simulations, we search to understand the graphene-polymer interaction to obtain the optimal graphene dispersion technology. The project is performed in a cross-disciplinary and international environment with experts on molecular interactions, modelling/simulation and dispersion techniques (i.e Saab, 2DFab, Chalmers, Linköping University and UFABC- Brazil). This provides us with a platform essential for development of graphene based high-tech, lightweight and sustainable thermoplastic materials to be used in demanding aeronautical products, manufactured either through 3D-printing or by traditional methods.
A problem with the thermoplastics of today is that they do not have high enough mechanical strength to compete with epoxy-based matrices in production of structural materials. Their conductivity (electrical and thermal) is also insufficient to provide customized production of multifunctional products and films. Graphene, a material exhibiting excellent mechanical properties along with a tremendous electrical conductivity has the potential to improve those properties and enable implementation of thermoplastics materials in new disruptive, multifunctional and light-weight aeronautical applications.
This project will have four focal points:
1. Investigation of the graphene–polymer interaction and function. This area builds knowledge about the dispersion and provides input to the modeling and simulations.
2. Dispersion techniques and percolation thresholds for optimal multifunction of the enhanced thermoplastic. Effects of various graphene types are identified in 1.
3. Modeling and simulations of the phenomena of the mechanical and conductive behavior of the material. The development is based on inputs from 1 and 2.
4. Obtained multifunctional capability based on testing campaign for mechanical strength and conduction properties. Complemented by input from step 1, 2 and 3.
Applications for enhanced thermoplastics are found in automotive, marine, aeronautics and other components where replacement of metals and thermosets are important from a cost, lightweight and environmental perspective. Together with the multifunctional capability (in terms of improved mechanical/electrical properties) we foresee significant potential for smart-up of the design and weight reduction facilitating implementation in new innovative areas. These are aspects that is of highest concern to strengthen Saabs and other Swedish industries competitiveness on the global market.

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

Projektpartners: Saab AB (Aeronautics), Chalmers, Linköpings universitet, UFABC (Brasilien), 2DFab

Projektledare: Linnea Selegård

Projektform: FoI-projekt

E-mail: linnea.selegard@saabgroup.com

Bidrag: 2 999 573 kr

Projektets löptid: 19 aug 2019-31 mars 2022

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: