Paneles sándwich rellenos de esponjas de nanotubos de carbono con una alta calidad - Grupo Co., Ltd del soldador láser de Hengyang

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

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. A modo de 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 masa unitaria fue aproximadamente 18 veces y 33 veces más largo que el del relleno con el material aislante y ablativo 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 mediante 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 superficie 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 una extraordinaria resistencia a la ablación con láser.

Las estructuras sándwich se utilizan ampliamente en industrias de ingeniería como la aeroespacial y el transporte para lograr un diseño liviano y multifuncional1,2,3. Además, proporciona numerosos núcleos de celda abierta para rellenar materiales avanzados para mejorar significativamente su rendimiento en diferentes condiciones4,5,6,7,8. Nuestro estudio anterior demostró que llenar el espacio vacío del núcleo con material ablativo liviano no solo pospuso el tiempo de falla sino que también disminuyó la magnitud 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 a 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 soporte sobre el polvo de carbono. Por lo tanto, puede ser una forma más eficiente de aprovechar al máximo el carbono puro que se encuentra en el núcleo para disipar la energía térmica para mejorar la resistencia al láser, siempre que el peso estructural casi no aumente.

La estructura de nanotubos de carbono (CNT) es un tipo de nanomaterial multifuncional con propiedades mecánicas y conductividad eléctrica y térmica superiores10,11,12,13,14,15,16,17. Actualmente se puede fabricar una gran cantidad de películas de CNT y esponjas de CNT, que pueden aplicarse en la práctica de la ingeniería. Existe un considerable conjunto de conocimientos en la literatura que aborda las propiedades de las esponjas de CNT, como el comportamiento mecánico, la conductividad y el aislamiento térmico, así como su aplicación en aspectos de células solares y materiales de cambio de fase11,17,18,19,20. ,21,22,23. Con las ventajas de soportar grandes deformaciones y fallas anticiclos, las esponjas CNT se pueden rellenar en la estructura sándwich de soporte de carga para lograr 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 de 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 láser24,25, la perforación con láser26, el corte con láser27 y el procesamiento con 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 láser. En realidad, nuestra principal preocupación es que la temperatura de la superficie posterior alcance el punto de fusión.

Para investigar el efecto de las esponjas CNT ultraligeras, se estudió experimentalmente la respuesta del panel sándwich irradiado con láser de un panel sándwich relleno de esponjas CNT. A modo de 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 de imágenes térmicas infrarrojas (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 ha observado 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, la presentación de esponja CNT podría retrasar drásticamente el tiempo de falla del panel sándwich.

Los materiales de película de CNT y esponja de CNT utilizados en el experimento fueron proporcionados por el Instituto de Nanotecnología y Nanobiónica de Suzhou. El espesor y el tamaño de la película CNT fueron 100 nm y 40 mm × 40 mm, respectivamente. El tamaño de la esponja CNT fue de 40 mm × 40 mm y el espesor es de 8 mm. La densidad y 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 su alta porosidad.

Se consideraron cuatro tipos de estructuras: placa monotólica, panel sándwich relleno de película de CNT, panel sándwich sin relleno y panel sándwich relleno de esponja de CNT. Para garantizar una densidad de superficie idéntica, el espesor de la placa monotólica fue de 1,8 mm y el de los paneles frontal y posterior del panel sándwich fue de 0,9 mm. La masa añadida por la película de CNT y la esponja de CNT podría despreciarse en comparación con el peso del panel. Para el panel sándwich relleno con película CNT, las dos capas del panel estuvieron en contacto directo. Para el panel sándwich relleno de esponjas 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 en todo el campo. La resolución y la frecuencia de muestreo del TIC fueron 420 × 640 píxeles y 30 Hz, respectivamente. El rango de medición de temperatura fue de 100 a 2700 °C. Para obtener la evolución dinámica del daño 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. Como fuente láser se utilizó 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 al cabezal 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 muestras analizadas en el experimento.

Cuando se utiliza como estructura de soporte de carga de aviones de alta velocidad, la estructura tipo sándwich suele estar enfrentada a un flujo de aire externo de alta velocidad o a una diferencia de presión sustancial entre las superficies delantera y trasera. En esta circunstancia, el material fundido se desprende rápidamente debido a la erosión mecánica o al efecto de la presión interna. Luego, el láser irradia directamente los componentes y piezas del interior de la aeronave, provocando daños graves. Por lo tanto, el tiempo necesario 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 aproximadamente a 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 de película CNT, panel sándwich sin relleno y panel sándwich relleno de 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 láser. A medida que aumentó el tiempo de irradiación con láser, la temperatura aumentó rápidamente y alcanzó el punto de fusión entre 7,3 y 8,5 s. Además, la tasa de aumento de temperatura del panel sándwich relleno de esponjas CNT después de que obviamente se produjo un aumento de temperatura fue idéntica a la de la placa monolítica.

Como se indica en la referencia9, la energía térmica generada por la irradiación láser se transmitía principalmente en el panel frontal antes de que el panel frontal fuera penetrado por 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 posterior, 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 se funde el panel frontal.

Para el panel sándwich relleno de esponja CNT, el tiempo de respuesta térmica fue anterior 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 ocurrió un aumento obvio de temperatura fue mucho menor que la de los otros tres tipos. El tiempo que la temperatura del centro puntual de la superficie posterior alcanzó el punto de fusión fue más largo que el del panel sándwich sin relleno. Por tanto, el relleno de esponjas de 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 ha visto que dividir la placa monolítica en paneles delgados de dos capas y rellenarlos con películas de CNT podría mejorar la resistencia al láser de la estructura. Una cantidad cada vez mayor 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. Aumentar 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 fundiera, la tasa de aumento de temperatura fue demasiado alta, lo que provocó una rápida falla. 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 paneles sándwich llenos y sin relleno, respectivamente. \(m_{filled}\) y \(m_{unfilled}\) son pesos de paneles sándwich rellenos 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 referencia9. Se puede encontrar que la eficiencia de resistencia de la esponja CNT es muy superior a la de otros dos rellenos. El tiempo de falla adicional al llenar la esponja CNT de masa unitaria es aproximadamente 18 y 33 veces mayor que el llenado con el material ablativo y aislante convencional.

Efecto de la masilla sobre la resistencia al láser del panel sándwich. (a) Tiempo de falla, (b) relación entre el incremento del tiempo de falla y el incremento del peso estructural debido a la adición de material de relleno. El comportamiento de la irradiación láser de la cerámica y el compuesto de resina de silicona y panel sándwich relleno de polvo de carbono se puede encontrar en la referencia9.

La Figura 4 muestra el proceso de evolución dinámica de la distribución de temperatura de campo completo para las cuatro estructuras. Un aumento evidente de temperatura se produjo 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 aproximadamente a los 5 s. Para el panel sándwich relleno con película CNT, la temperatura más alta en la superficie posterior no alcanzó el punto de fusión ni siquiera a los 5 s. No existió un aumento de temperatura obvio 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 más baja, lo que resultó en un tiempo más tardío para que la temperatura en la superficie posterior 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 amplia y la temperatura más alta era menor que la del panel sándwich sin relleno.

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

La Figura 5A muestra la morfología de ablación de la esponja CNT. El diámetro exterior de la fosa de ablación era aproximado al punto del láser. Al despegar la región de la esponja externa (parte negra) del material, como se muestra en la Fig. 5b, se pudo encontrar que el diámetro del pozo de ablación interno era aproximadamente 3 veces mayor que 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 con 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 fortalecedor 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 mediante 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 de SEM y EDS para la esponja CNT que está en contacto directo con el panel metálico. En los resultados de EDS, la fijación de colores brillantes a la esponja CNT era una solución metálica. Indica que la temperatura en la superficie de contacto entre la esponja de CNT y el panel metálico fue mayor que 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 era menor que la temperatura de sublimación del carbono.

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 una muestra irradiada con láser CW se obtuvo utilizando TIC y HSC. La morfología de la ablación y los productos de la ablación se observaron mediante 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, debido al alto coeficiente de difusión térmica, por un lado, el cambio de fase de la esponja CNT de gran superficie podría absorber más energía láser. Por otro lado, la esponja CNT dispersó el aumento de temperatura estructural causado por la irradiación láser de modo que la distribución de 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 sistemas de protección térmica y estructuras portantes.

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

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Laboratorio clave de mecánica de 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 Chenguang Huang

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

Wu Yuan, Kailu Xiao, Xianqian Wu, Jiangtao Wang, Te Ma, Hongwei Song y Chenguang 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 las 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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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. Representante científico 12, 21435 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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Recibido: 09 de octubre de 2022

Aceptado: 05 de diciembre de 2022

Publicado: 12 de diciembre de 2022

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

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