Губки из углеродных нанотрубок заполняют сэндвич-панели с превосходной

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21435 (2022) Цитировать эту статью

Экспериментально исследовано влияние высокопористых и легких губок из углеродных нанотрубок на стойкость к абляции сэндвич-панели мощным непрерывным лазером. В качестве сравнения были проанализированы тепловые реакции монолитной пластины, сэндвич-панели, наполненной пленкой углеродных нанотрубок, ненаполненной сэндвич-панели и сэндвич-панели, наполненной губкой из углеродных нанотрубок, подвергнутых непрерывному лазерному облучению. Результаты экспериментов показали, что лазерная стойкость сэндвич-панели, наполненной углеродными нанотрубками, явно выше, чем у ненаполненной структуры. Дополнительное время разрушения сэндвич-панели при заполнении сердцевин губкой из углеродных нанотрубок единичной массы было примерно в 18 раз и в 33 раза дольше, чем при заполнении традиционным абляционным и изолирующим материалом. Это можно объяснить высоким коэффициентом термодиффузии и скрытой теплотой сублимации губки из углеродных нанотрубок. Во время абляции непрерывной волной губка из углеродных нанотрубок не только быстро поглощала поглощенную лазерную энергию за счет фазового изменения материала большой площади из-за высокой скрытой теплоты сублимации, но также быстро рассеивала тепловую энергию, введенную лазером непрерывной волны. благодаря высокому коэффициенту термодиффузии, что приводит к исключительной стойкости к лазерной абляции.

Сэндвич-конструкции широко используются в машиностроительных отраслях, таких как авиакосмическая промышленность и транспорт, для реализации легкой и многофункциональной конструкции1,2,3. Кроме того, он оснащен многочисленными ядрами с открытыми порами для наполнения современными материалами, что значительно улучшает его характеристики в различных условиях4,5,6,7,8. Наше предыдущее исследование показало, что заполнение легкого абляционного материала в пустое пространство сердцевины не только отсрочило время разрушения, но и уменьшило степень повреждения сэндвич-панелей, облученных лазером непрерывной волны (CW)9. Для сэндвич-панели, наполненной абляционным материалом, высокотемпературный фазовый переход углеродного порошка играет ведущую роль в устойчивости сэндвич-панели к лазеру, а смоляная матрица в основном оказывает поддерживающее воздействие на углеродный порошок. Следовательно, это может быть более эффективным способом максимально эффективно использовать чистый углерод, заполненный в сердечнике, при рассеивании тепловой энергии для улучшения сопротивления лазеру при условии, что вес конструкции практически не увеличивается.

Структура углеродных нанотрубок (УНТ) представляет собой своего рода многофункциональный наноматериал с превосходными механическими свойствами, электрической и теплопроводностью10,11,12,13,14,15,16,17. В настоящее время изготавливается большое количество пленок УНТ и губок УНТ, которые могут применяться в инженерной практике. В литературе имеется значительный объем знаний, посвященных свойствам губок УНТ, таким как механическое поведение, проводимость и теплоизоляция, а также их применению в аспектах солнечных элементов и материалов с фазовым переходом11,17,18,19,20. ,21,22,23. Обладая преимуществами выдерживания больших деформаций и предотвращения циклических разрушений, губки из УНТ могут быть заполнены несущей сэндвич-конструкцией для реализации многофункциональной конструкции, такой как несущая нагрузка и теплоизоляция21. Несмотря на то, что губка УНТ имеет очень низкую макроскопическую теплопроводность, тепловая энергия может передаваться в направлении УНТ очень быстро. В результате губки из УНТ могут рассеивать тепловую энергию, возникающую в результате непрерывного лазерного облучения, и задерживать время разрушения сэндвич-панели.

Лазерному взаимодействию с твердыми материалами уделяется все больше внимания в различных условиях, включая лазерную сварку24,25, лазерное сверление26, лазерную резку27 и лазерную обработку28, а также повреждения, вызванные лазером9,29. Что касается высокопористых материалов, Чен и др.30 исследовали взаимодействие между импульсным ультрафиолетовым лазером и губкой УНТ и обсудили плазменные свойства, вызываемые импульсным лазером в губке УНТ. Когда мощный непрерывный лазерный луч воздействует на пористые материалы, основными механизмами повреждения являются испарение и вытеснение материала из лазерного пятна. На самом деле наша главная забота — это достижение температуры задней поверхности точки плавления.