Paneles sándwich rellenos de esponjas de nanotubos de carbono con una alta

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21435 (2022) Citar este artículo

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Se investigó experimentalmente el efecto de esponjas de nanotubos de carbono altamente porosas y livianas sobre la resistencia a la ablación por láser de onda continua de alta potencia del panel sándwich. Como comparación, se analizaron las respuestas térmicas de la placa monolítica, el panel sándwich relleno de película de nanotubos de carbono, el panel sándwich sin relleno y el panel sándwich relleno de esponja de nanotubos de carbono sometidos a irradiación láser de onda continua. Los resultados experimentales mostraron que la resistencia al láser del panel sándwich relleno de nanotubos de carbono es obviamente mayor que la de la estructura sin relleno. El tiempo de falla adicional del panel sándwich al llenar los núcleos con la esponja de nanotubos de carbono de unidad de masa fue aproximadamente 18 veces y 33 veces mayor que el llenado con el material ablativo y aislado convencional. Podría entenderse por el alto coeficiente de difusión térmica y el calor latente de sublimación de la esponja de nanotubos de carbono. Durante la ablación por la onda continua, la esponja de nanotubos de carbono no solo consumió rápidamente la energía láser absorbida a través del cambio de fase de un material de gran área debido a su alto calor latente de sublimación, sino que también dispersó rápidamente la energía térmica introducida por el láser de onda continua. debido a su alto coeficiente de difusión térmica, lo que conduce a la extraordinaria resistencia a la ablación láser.

Las estructuras sándwich se utilizan ampliamente en las industrias de ingeniería, como la aeroespacial y el transporte, para realizar el diseño liviano y multifuncional1,2,3. Además, proporciona numerosos núcleos de celda abierta para el relleno de materiales avanzados para mejorar significativamente su rendimiento en diferentes condiciones4,5,6,7,8. Nuestro estudio anterior mostró que el relleno de material ablativo liviano en el espacio vacío del núcleo no solo pospuso el tiempo de falla sino que también disminuyó la extensión del daño de los paneles sándwich irradiados con láser de onda continua (CW)9. Para el panel sándwich relleno de material ablativo, el cambio de fase de alta temperatura del polvo de carbono juega un papel principal en la resistencia al láser del panel sándwich, y la matriz de resina ejerce principalmente un efecto de apoyo sobre el polvo de carbono. Por lo tanto, puede ser una forma más eficiente de aprovechar al máximo el carbono puro relleno en el núcleo en la disipación de la energía térmica para mejorar la resistencia del láser bajo la condición de que el peso estructural casi no aumente.

La estructura de nanotubos de carbono (CNT) es un tipo de nanomaterial multifuncional con propiedades mecánicas superiores y conductividad eléctrica y térmica10,11,12,13,14,15,16,17. Actualmente, se puede fabricar una gran cantidad de películas CNT y esponjas CNT, que se pueden aplicar en la práctica de la ingeniería. Hay un cuerpo considerable de conocimiento en la literatura que aborda las propiedades de las esponjas CNT, como el comportamiento mecánico, la conductividad y el aislamiento térmico, así como su aplicación en aspectos de células solares y material de cambio de fase11,17,18,19,20 ,21,22,23. Con las ventajas de soportar grandes deformaciones y fallas anti-ciclo, las esponjas CNT se pueden rellenar en la estructura de sándwich de carga para realizar un diseño multifuncional como soporte de carga y aislamiento térmico21. Aunque la esponja CNT tiene una conductividad térmica macroscópica muy baja, la energía térmica podría transferirse a lo largo de la dirección CNT muy rápidamente. Como resultado, las esponjas CNT podrían dispersar la energía térmica inducida por la irradiación láser CW y retrasar el tiempo de falla del panel sándwich.

Las interacciones del láser con materiales sólidos han recibido una atención cada vez mayor en diversas condiciones, incluida la soldadura por láser24,25, la perforación por láser26, el corte por láser27 y el procesamiento por láser28, y los daños inducidos por láser9,29. Para los materiales altamente porosos, Chen et al.30 estudiaron la interacción entre el láser ultravioleta pulsado y la esponja CNT, y discutieron la propiedad plasmática causada por el láser pulsado en la esponja CNT. Cuando se aplica un rayo láser CW de alta potencia sobre los materiales porosos, los mecanismos principales del daño son la evaporación y la expulsión del material del punto del láser. En realidad, la temperatura de la superficie posterior que alcanza el punto de fusión es nuestra principal preocupación.

Para investigar el efecto de las esponjas CNT ultraligeras, se estudió experimentalmente la respuesta del panel sándwich irradiado con láser del panel sándwich relleno con esponjas CNT. Como comparación, también se llevaron a cabo en las mismas condiciones experimentos de irradiación láser continua de placa monolítica, panel sándwich relleno con película CNT y panel sándwich sin relleno. Se utilizaron una cámara termográfica infrarroja (TIC) y una cámara de alta velocidad (HSC) para obtener la distribución de temperatura y el proceso de falla de la superficie libre posterior. Se observó que debido al efecto de absorción de la energía láser por el cambio de fase de alta temperatura y su efecto de difusión en el campo de temperatura del panel, rellenar la esponja CNT podría retrasar drásticamente el tiempo de falla del panel sándwich.

Los materiales de película CNT y esponja CNT utilizados en el experimento fueron proporcionados por el Instituto Suzhou de Nano-Tecnología y Nano Biónica. El grosor y el tamaño de la película CNT fueron de 100 nm y 40 mm × 40 mm, respectivamente. El tamaño de la esponja CNT fue de 40 mm × 40 mm y el grosor es de 8 mm. La densidad y la porosidad de la esponja CNT fueron de 5 a 10 mg/cm3 y > 99 %, respectivamente. El coeficiente de conductividad térmica macroscópica de la esponja CNT es inferior a 0,15 W/(m·K) debido a la alta porosidad.

Se consideraron cuatro tipos de estructuras: placa monotólica, panel sándwich relleno con película de CNT, panel sándwich sin relleno y panel sándwich relleno con esponja de CNT. Para asegurar una densidad de área idéntica, el espesor de la placa monotólica fue de 1,8 mm y los de los paneles frontal y posterior del panel sándwich fueron de 0,9 mm. La masa añadida por la película CNT y la esponja CNT podría despreciarse en comparación con el peso del panel. Para el panel sándwich relleno con película de CNT, las dos capas del panel estaban en contacto directo. Para el panel sándwich relleno de esponjas de CNT, la distancia entre los dos paneles fue de 8 mm.

La figura 1 muestra la configuración experimental. Se colocó un TIC en la parte posterior del panel sándwich para obtener la distribución de temperatura de campo completo. La resolución y la frecuencia de muestreo de las TIC fueron de 420 × 640 píxeles y 30 Hz, respectivamente. El rango de medición de temperatura fue de 100 a 2700 °C. Para obtener la evolución del daño dinámico de la superficie posterior, también se colocó un HSC en la superficie posterior de la muestra. La frecuencia de muestreo y la resolución fueron 60 Hz y 1600 píxeles × 1200 píxeles, respectivamente. Se utilizó como fuente de láser un láser de fibra IPG YLS 2000 W que funciona a 1,07 μm. En el experimento de irradiación láser, se adoptó un láser de salida de 500 W. Ajustando la distancia desde la muestra hasta el cabezal del láser, que es de aproximadamente 741 mm, se obtuvo un rayo láser con un diámetro de 5 mm.

Esquema de la configuración experimental y los tipos de especímenes probados en el experimento.

Cuando se utiliza como estructura de soporte de carga de aeronaves de alta velocidad, la estructura de emparedado generalmente se enfrenta a un flujo de aire externo a alta velocidad o a una diferencia de presión sustancial entre las superficies delantera y trasera. En esta circunstancia, el material fundido se despega rápidamente debido a la erosión mecánica o al efecto de la presión interna. Luego, el láser irradia los componentes y partes dentro de la aeronave directamente para provocar daños graves. Por lo tanto, el tiempo para que la superficie posterior del panel sándwich alcance el punto de fusión se definió en el experimento como el tiempo de falla.

La Figura 2 compara los historiales de temperatura del centro del punto láser de las superficies posteriores para diferentes estructuras bajo irradiación láser CW. Se puede encontrar que debido a la alta conductividad térmica a lo largo de la dirección del espesor, la temperatura de la superficie posterior de la placa monolítica aumentó rápidamente al comienzo del tiempo de irradiación y alcanzó el punto de fusión alrededor de los 5 s. La temperatura en la superficie posterior se mantiene a la temperatura del punto de fusión debido a la tensión superficial.

Comparación de historiales de temperatura de placa monolítica, panel sándwich relleno con película CNT, panel sándwich sin relleno y panel sándwich relleno con esponja CNT.

Para el panel sándwich relleno con película CNT, obviamente el aumento de temperatura no ocurrió en la superficie posterior hasta 2,5 s debido al efecto de resistencia térmica entre dos paneles y el efecto absorbente de la película CNT sobre la energía del láser. A medida que aumentaba el tiempo de irradiación del láser, la temperatura aumentaba rápidamente y alcanzaba el punto de fusión entre 7,3 y 8,5 s. Además, la tasa de aumento de la temperatura del panel sándwich relleno con esponjas de CNT después de que obviamente ocurrió el aumento de la temperatura fue idéntica a la de la placa monolítica.

Como se indica en la referencia 9, la energía térmica generada por la irradiación láser se transmitió principalmente en el panel frontal antes de que el panel frontal fuera penetrado por la fusión. Luego, la temperatura de la superficie posterior aumentó rápidamente después de 10 s y alcanzó el punto de fusión a los 11,9 s. Debido al pequeño disipador de calor del panel trasero, la tasa de aumento de temperatura del panel sándwich sin relleno fue mucho mayor que la de la placa monolítica y el panel sándwich relleno con película CNT. Como resultado, la estructura falla rápidamente cuando el panel frontal se derrite.

Para el panel sándwich relleno de esponja CNT, el tiempo de respuesta térmica fue más temprano que el panel sándwich sin relleno debido a la conducción de la esponja CNT, pero la tasa de aumento de temperatura de la estructura después de que ocurriera un aumento de temperatura obvio fue mucho menor que los otros tres tipos. El tiempo que la temperatura del centro del punto de la superficie trasera alcanzó el punto de fusión fue más largo que el del panel sándwich sin relleno. Por lo tanto, el relleno de esponjas CNT podría mejorar significativamente la resistencia al láser del panel sándwich.

Los tiempos de falla de las cuatro estructuras se muestran en la Fig. 3a. Se ve que dividir la placa monolítica en paneles delgados de dos capas y llenarlos con películas CNT podría mejorar la resistencia al láser de la estructura. El aumento de la cantidad de película CNT no pudo retrasar el tiempo de falla de la estructura. Por lo tanto, la energía láser absorbida por la película CNT podría despreciarse debido al espesor ultrafino. La resistencia térmica entre los dos paneles resultó en un mayor tiempo de falla del láser. Ampliar la distancia entre los dos paneles podría posponer el tiempo de respuesta térmica y el tiempo de falla del panel sándwich. Sin embargo, después de que el panel frontal se derritió, la tasa de aumento de la temperatura fue demasiado alta, lo que resultó en una falla rápida. En comparación con el panel sándwich sin relleno, el panel sándwich relleno de esponja CNT tuvo un tiempo de respuesta térmica corto. Sin embargo, tenía una mayor resistencia al láser debido al alto calor latente del cambio de fase de la esponja CNT. Aquí \(\eta\) se definió como la relación entre el incremento del tiempo de falla y el incremento del peso estructural debido a la adición de material de relleno en el panel sándwich sin relleno:

donde \(t_{filled}\) y \(t_{unfilled}\) son el tiempo de falla del láser de los paneles sándwich con y sin relleno, respectivamente. \(m_{relleno}\) y \(m_{sin relleno}\) son pesos de paneles sándwich con y sin relleno, respectivamente. La Figura 3b muestra las influencias de diferentes rellenos en la resistencia a la falla del láser CW del panel sándwich. El experimento de irradiación láser de los dos materiales restantes se puede encontrar en la referencia 9. Se puede encontrar que la eficiencia de resistencia de la esponja CNT es muy superior a los otros dos rellenos. El tiempo de falla adicional al llenar la esponja CNT de unidad de masa es aproximadamente 18 y 33 veces mayor que el llenado con el material ablativo y aislado convencional.

Efecto de la masilla sobre la resistencia al láser del panel sándwich. (a) Tiempo de falla, (b) relación del incremento del tiempo de falla al incremento del peso estructural debido a la adición de material de relleno. El comportamiento de la radiación láser de la cerámica y el compuesto de resina de silicona y panel sándwich relleno de polvo de carbono se puede encontrar en la referencia 9.

La Figura 4 muestra el proceso de evolución dinámica de la distribución de temperatura de campo completo para las cuatro estructuras. El aumento de temperatura obvio ocurrió en el momento inicial de la irradiación láser en la superficie posterior de la placa monolítica. Con el aumento del tiempo de irradiación, la región de alta temperatura se expandió continuamente y la temperatura más alta alcanzó el punto de fusión en alrededor de 5 s. Para el panel sándwich relleno con película CNT, la temperatura más alta en la superficie posterior no alcanzó el punto de fusión incluso a los 5 s. No existió un aumento de temperatura evidente en la superficie posterior del panel sándwich sin relleno incluso a los 10 s debido a la resistencia térmica a lo largo de la dirección del espesor. En comparación con el panel sándwich sin relleno, el panel sándwich relleno de esponja CNT tuvo una respuesta de temperatura más rápida y una tasa de aumento de temperatura baja, lo que resultó en un tiempo más tardío para que la temperatura en la superficie trasera alcanzara el punto de fusión. La comparación de la distribución de temperatura de campo completo indicó que la región de alta temperatura en la superficie posterior del panel sándwich relleno de esponja CNT era más ancha y la temperatura más alta era más baja que la del panel sándwich sin relleno.

Distribución de temperatura en la superficie posterior de la placa monolítica, panel sándwich relleno con película CNT, panel sándwich sin relleno y panel sándwich relleno con esponja CNT en diferentes tiempos de irradiación, obtenidos por la cámara termográfica.

La Figura 5A muestra la morfología de ablación de la esponja CNT. El diámetro exterior del hoyo de ablación era aproximado al punto del láser. Al despegar la región externa de la esponja (parte negra) del material, como se muestra en la Fig. 5b, se pudo encontrar que el diámetro del hoyo de ablación interno era aproximadamente 3 veces el punto del láser.

Mecanismos de ablación de la esponja CNT: (a) morfología de ablación exterior, (b) morfología de ablación interior, (c) imagen SEM de la región de contacto entre el panel y la esponja CNT, (d) contenido del elemento e imagen EDS.

El coeficiente de difusión de calor es la velocidad a la que la temperatura en un punto de un cuerpo se transmite a otro punto, que se puede expresar como:

Aunque el coeficiente de conductividad térmica de la esponja CNT era bajo, debido a su densidad relativa extremadamente baja, su coeficiente de difusión de calor era aproximadamente 10 veces mayor que el del material de acero inoxidable (5 × 10–6 m2/s). En resumen, el efecto de fortalecimiento de la esponja CNT sobre la resistencia al láser del panel sándwich incluye principalmente dos aspectos: (1) el calor latente de sublimación del carbono fue mucho mayor que el de otros materiales. La esponja CNT absorbió una gran cantidad de energía láser a través de la sublimación dentro del alcance del diámetro del punto láser; (2) La esponja CNT dispersó la energía láser absorbida por el panel sándwich para que la distribución de temperatura en el panel fuera más uniforme.

La figura 5c, d muestra los resultados SEM y EDS para la esponja CNT que está en contacto directo con el panel metálico. En los resultados de EDS, la fijación con colores brillantes en la esponja CNT fue una solución metálica. Indica que la temperatura en la superficie de contacto entre la esponja CNT y el panel metálico fue superior a la temperatura de fusión del acero inoxidable. Sin embargo, debido al gran disipador de calor del panel, la temperatura de la esponja CNT en la superficie de contacto fue más baja que la temperatura de sublimación del carbón.

Se llevó a cabo un estudio experimental sobre la resistencia al láser del panel sándwich relleno de esponja CNT. La evolución dinámica de la temperatura y la morfología de la ablación en la superficie posterior de la muestra irradiada con láser CW se obtuvo utilizando TIC y HSC. La morfología de ablación y los productos de ablación fueron observados por SEM y EDS. Los resultados experimentales mostraron que la eficiencia de resistencia de las esponjas CNT al panel sándwich bajo irradiación láser CW es dramáticamente superior a la de los materiales ablativos y aislantes tradicionales. Durante el proceso de ablación con láser, en vista del alto coeficiente de difusión térmica, por un lado, el cambio de fase de la esponja CNT de área grande podría absorber más energía láser. Por otro lado, la esponja CNT dispersó el aumento de la temperatura estructural causado por la irradiación láser, de modo que la distribución de la temperatura fue más uniforme, lo que resultó en una mayor resistencia al láser del panel sándwich. Debido al rendimiento multifuncional superior, este tipo de estructuras se pueden utilizar en los sistemas de protección térmica y estructuras de carga.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Laboratorio Clave de Mecánica en Sistemas de Acoplamiento Fluido-Sólido, Instituto de Mecánica, Academia de Ciencias de China, Beijing, 100190, China

Wu Yuan, Kailu Xiao, Xianqian Wu, Jiangtao Wang, Te Ma, Hongwei Song y Chengguang Huang

Escuela de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de la Academia China de Ciencias, Beijing, 100049, China

Wu Yuan, Kailu Xiao, Xianqian Wu, Jiangtao Wang, Te Ma, Hongwei Song y Chengguang Huang

Centro de Simulación de Materiales y Procesos, Instituto de Tecnología de California, Pasadena, CA, 91125, EE. UU.

Xianqian-wu

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WY y KX escribieron el texto principal del manuscrito. XW preparó Figs. 1, 2, JW y TM prepararon las Figs. 3, 4, 5. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Xianqian Wu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Yuan, W., Xiao, K., Wu, X. et al. Paneles sándwich rellenos de esponjas de nanotubos de carbono con una resistencia superior al láser de onda continua de alta potencia. Informe científico 12, 21435 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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Recibido: 09 Octubre 2022

Aceptado: 05 diciembre 2022

Publicado: 12 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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