Panneaux sandwich remplis d'éponges de nanotubes de carbone avec une haute

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21435 (2022) Citer cet article

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L'effet des éponges de nanotubes de carbone hautement poreuses et légères sur la résistance à l'ablation laser à onde continue haute puissance du panneau sandwich a été étudié expérimentalement. À titre de comparaison, les réponses thermiques d'une plaque monolithique, d'un panneau sandwich rempli de film de nanotubes de carbone, d'un panneau sandwich non rempli et d'un panneau sandwich rempli d'éponge de nanotube de carbone soumis à une irradiation laser à onde continue ont été analysées. Les résultats expérimentaux ont montré que la résistance au laser du panneau sandwich rempli de nanotubes de carbone est évidemment plus élevée que la structure non remplie. Le temps de défaillance supplémentaire du panneau sandwich en remplissant les noyaux avec l'éponge de nanotubes de carbone de masse unitaire était environ 18 fois et 33 fois plus long que celui en remplissant avec le matériau ablatif et isolé conventionnel. Cela pourrait être compris par le coefficient de diffusion thermique élevé et la chaleur latente de sublimation de l'éponge de nanotubes de carbone. Pendant l'ablation par l'onde continue, l'éponge de nanotubes de carbone a non seulement consommé rapidement l'énergie laser absorbée par changement de phase d'un matériau de grande surface en raison de sa chaleur latente élevée de sublimation, mais a également rapidement dispersé l'énergie thermique introduite par le laser à onde continue en raison de son coefficient de diffusion thermique élevé, conduisant à l'extraordinaire résistance à l'ablation laser.

Les structures en sandwich sont largement utilisées dans les industries d'ingénierie telles que l'aérospatiale et les transports pour réaliser la conception légère et multifonctionnelle1,2,3. De plus, il fournit de nombreux noyaux à cellules ouvertes pour le remplissage de matériaux avancés afin d'améliorer considérablement ses performances dans différentes conditions4,5,6,7,8. Notre étude précédente a montré que le remplissage d'un matériau ablatif léger dans l'espace vide du noyau retardait non seulement le temps de défaillance, mais réduisait également l'étendue des dommages des panneaux sandwich irradiés au laser à onde continue (CW)9. Pour le panneau sandwich rempli de matériau ablatif, le changement de phase à haute température de la poudre de carbone joue un rôle majeur sur la résistance au laser du panneau sandwich, et la matrice de résine exerce principalement un effet de soutien sur la poudre de carbone. Par conséquent, cela peut être un moyen plus efficace de tirer le meilleur parti du carbone pur rempli dans le noyau lors de la dissipation de l'énergie thermique pour améliorer la résistance au laser à condition que le poids structurel n'augmente presque pas.

La structure des nanotubes de carbone (CNT) est une sorte de nanomatériau multifonctionnel avec des propriétés mécaniques et une conductivité électrique et thermique supérieures10,11,12,13,14,15,16,17. Actuellement, une grande quantité de films CNT et d'éponges CNT, qui peuvent être appliquées dans la pratique de l'ingénierie, peuvent être fabriquées. Il existe un corpus considérable de connaissances dans la littérature qui traite des propriétés des éponges CNT telles que le comportement mécanique, la conductivité et l'isolation thermique ainsi que son application dans les aspects des cellules solaires et des matériaux à changement de phase11,17,18,19,20,21,22,23. Avec les avantages de supporter une grande déformation et une défaillance anti-cycle, les éponges CNT peuvent être remplies dans la structure sandwich porteuse pour réaliser une conception multifonctionnelle telle que le support de charge et l'isolation thermique21. Même si l'éponge CNT a une conductivité thermique macroscopique très faible, l'énergie thermique peut être transférée très rapidement dans la direction CNT. En conséquence, les éponges CNT pourraient disperser l'énergie thermique induite par l'irradiation laser CW et retarder le temps de défaillance du panneau sandwich.

Les interactions laser avec des matériaux solides ont reçu une attention croissante dans diverses conditions, y compris le soudage au laser24,25, le perçage au laser26, la découpe au laser27 et le traitement au laser28, et les dommages induits par le laser9,29. Pour les matériaux hautement poreux, Chen et al.30 ont étudié l'interaction entre le laser ultra-violet pulsé et l'éponge CNT, et ont discuté de la propriété plasmatique causée par le laser pulsé dans l'éponge CNT. Lorsqu'un faisceau laser CW de haute puissance est appliqué sur les matériaux poreux, les mécanismes principaux des dommages sont l'évaporation et l'expulsion du matériau du spot laser. En réalité, la température de surface arrière atteignant le point de fusion est notre principale préoccupation.

Pour étudier l'effet des éponges CNT ultra-légères, la réponse du panneau sandwich irradié au laser du panneau sandwich rempli d'éponges CNT a été étudiée expérimentalement. À titre de comparaison, des expériences d'irradiation laser continue de plaques monolithiques, de panneaux sandwich remplis de film CNT et de panneaux sandwich non remplis ont également été réalisées dans les mêmes conditions. Un imageur infrarouge thermique (TIC) et une caméra haute vitesse (HSC) ont été utilisés pour obtenir la distribution de la température et le processus de défaillance de la surface arrière libre. Il a été observé qu'en raison de l'effet d'absorption de l'énergie laser par changement de phase à haute température et de son effet de diffusion sur le champ de température du panneau, le dépôt d'une éponge CNT pourrait retarder considérablement le temps de défaillance du panneau sandwich.

Les matériaux de film CNT et d'éponge CNT utilisés dans l'expérience ont été fournis par l'Institut de Suzhou de Nano-Tech et Nano Bionics. L'épaisseur et la taille du film CNT étaient de 100 nm et 40 mm × 40 mm, respectivement. La taille de l'éponge CNT était de 40 mm × 40 mm et l'épaisseur est de 8 mm. La densité et la porosité de l'éponge CNT étaient respectivement de 5 à 10 mg/cm3 et > 99 %. Le coefficient de conductivité thermique macroscopique de l'éponge CNT est inférieur à 0,15 W/(m·K) en raison de la porosité élevée.

Quatre types de structures ont été considérés : plaque monobloc, panneau sandwich rempli de film CNT, panneau sandwich non rempli et panneau sandwich rempli d'éponge CNT. Pour assurer une densité surfacique identique, l'épaisseur de la plaque monolithique était de 1,8 mm et celles des deux panneaux avant et arrière du panneau sandwich étaient de 0,9 mm. La masse ajoutée par le film CNT et l'éponge CNT pourrait être négligée par rapport au poids du panneau. Pour le panneau sandwich rempli de film CNT, les deux couches du panneau étaient en contact direct. Pour le panneau sandwich rempli d'éponges CNT, la distance entre les deux panneaux était de 8 mm.

La figure 1 montre la configuration expérimentale. Un TIC a été placé à l'arrière du panneau sandwich pour obtenir la distribution de température plein champ. La résolution et la fréquence d'échantillonnage du TIC étaient respectivement de 420 × 640 pixels et 30 Hz. La plage de mesure de la température était de 100 à 2700 °C. Pour obtenir l'évolution dynamique des dommages de la surface arrière, un HSC a également été placé à la surface arrière de l'échantillon. La fréquence d'échantillonnage et la résolution étaient de 60 Hz et 1600 pixels × 1200 pixels, respectivement. Un laser à fibre IPG YLS 2000 W fonctionnant à 1,07 μm a été utilisé comme source laser. Dans l'expérience d'irradiation laser, un laser de sortie de 500 W a été adopté. En ajustant la distance entre l'échantillon et la tête laser, qui est d'environ 741 mm, le faisceau laser d'un diamètre de 5 mm a été obtenu.

Schéma de la configuration expérimentale et des types d'échantillons testés dans l'expérience.

Lorsqu'elle est utilisée comme structure porteuse d'aéronefs à grande vitesse, la structure sandwich est généralement confrontée à un flux d'air externe à grande vitesse ou à une différence de pression importante entre les surfaces avant et arrière. Dans ce cas, la matière fondue se détache rapidement du fait de l'érosion mécanique ou de l'effet de la pression interne. Ensuite, le laser irradie directement les composants et les pièces à l'intérieur de l'avion, ce qui entraîne de graves dommages. Par conséquent, le temps nécessaire à la surface arrière du panneau sandwich pour atteindre le point de fusion a été défini dans l'expérience comme le temps de défaillance.

La figure 2 compare les historiques de température centrale du point laser des surfaces arrière pour différentes structures sous irradiation laser CW. On peut constater qu'en raison de la conductivité thermique élevée dans le sens de l'épaisseur, la température de surface arrière de la plaque monolithique a augmenté rapidement au début du temps d'irradiation et a atteint le point de fusion à environ 5 s. Température sur la face arrière maintenue à la température du point de fusion en raison de la tension superficielle.

Comparaison des historiques de température d'une plaque monolithique, d'un panneau sandwich rempli de film CNT, d'un panneau sandwich non rempli et d'un panneau sandwich rempli d'éponge CNT.

Pour le panneau sandwich rempli de film CNT, il est évident que l'élévation de température ne s'est pas produite sur la surface arrière avant 2,5 s en raison de l'effet de résistance thermique entre deux panneaux et de l'effet absorbant du film CNT sur l'énergie laser. Au fur et à mesure que le temps d'irradiation laser augmentait, la température augmentait rapidement et atteignait le point de fusion à 7,3–8,5 s. De plus, le taux d'augmentation de la température du panneau sandwich rempli d'éponges CNT après une augmentation évidente de la température était identique à celui de la plaque monolithique.

Comme indiqué dans la référence 9, l'énergie thermique générée par l'irradiation laser était principalement transmise dans le panneau avant avant que le panneau avant ne soit pénétré par fusion. Ensuite, la température de la surface arrière a augmenté rapidement après 10 s et a atteint le point de fusion à 11,9 s. En raison du petit dissipateur thermique du panneau arrière, le taux de montée en température du panneau sandwich non rempli était bien supérieur à celui de la plaque monolithique et du panneau sandwich rempli de film CNT. En conséquence, la structure se rompt rapidement lorsque le panneau avant est fondu.

Pour le panneau sandwich rempli d'éponge CNT, le temps de réponse thermique était plus précoce que le panneau sandwich non rempli en raison de la conduction de l'éponge CNT, mais le taux d'augmentation de la température de la structure après une augmentation évidente de la température était bien inférieur à celui des trois autres types. Le temps pendant lequel la température centrale du point de la surface arrière a atteint le point de fusion était plus long que celui du panneau sandwich non rempli. Par conséquent, le remplissage d'éponges CNT pourrait améliorer considérablement la résistance au laser du panneau sandwich.

Les temps de défaillance des quatre structures sont illustrés à la Fig. 3a. On voit que diviser la plaque monolithique en panneaux minces à deux couches et les remplir de films CNT pourrait améliorer la résistance au laser de la structure. L'augmentation de la quantité de film CNT ne pouvait pas retarder le temps de défaillance de la structure. Par conséquent, l'énergie laser absorbée par le film CNT pourrait être négligée en raison de l'épaisseur ultra-mince. La résistance thermique entre les deux panneaux a entraîné un temps de panne laser plus long. L'augmentation de la distance entre les deux panneaux pourrait retarder le temps de réponse thermique et le temps de défaillance du panneau sandwich. Cependant, après la fusion du panneau avant, le taux d'augmentation de la température était trop élevé, ce qui a entraîné une défaillance rapide. Comparé au panneau sandwich non rempli, le panneau sandwich rempli d'éponge CNT avait un temps de réponse thermique court. Il avait cependant une résistance laser plus élevée en raison de la chaleur latente élevée du changement de phase de l'éponge CNT. Ici, \(\eta\) a été défini comme le rapport de l'incrément du temps de défaillance à l'incrément du poids structurel dû à l'ajout de matériau de remplissage dans le panneau sandwich non rempli :

où \(t_{remplie}\) et \(t_{non remplie}\) sont respectivement le temps de défaillance du laser des panneaux sandwich remplis et non remplis. \(m_{remplie}\) et \(m_{non remplie}\) sont respectivement les poids des panneaux sandwich remplis et non remplis. La figure 3b montre les influences de différentes charges sur la résistance à la défaillance du laser CW du panneau sandwich. L'expérience d'irradiation laser des deux autres matériaux peut être trouvée dans la référence9. On peut constater que l'efficacité de résistance de l'éponge CNT est de loin supérieure aux deux autres charges. Le temps de défaillance supplémentaire en remplissant l'éponge CNT de masse unitaire est d'environ 18 et 33 fois supérieur à celui du remplissage avec le matériau ablatif et isolé conventionnel.

Effet du mastic sur la résistance au laser du panneau sandwich. (a) Temps de défaillance, (b) rapport de l'incrément du temps de défaillance à l'augmentation du poids structurel en raison de l'ajout de matériau de remplissage. Le comportement d'irradiation laser de la céramique et du composé de résine de silicone et de panneau sandwich rempli de poudre de carbone peut être trouvé dans la référence9.

La figure 4 donne le processus d'évolution dynamique de la distribution de température plein champ pour les quatre structures. Une élévation de température évidente s'est produite au moment initial de l'irradiation laser sur la surface arrière de la plaque monolithique. Avec l'augmentation du temps d'irradiation, la région à haute température a été continuellement étendue et la température la plus élevée a atteint le point de fusion à environ 5 s. Pour le panneau sandwich rempli de film CNT, la température la plus élevée sur la surface arrière n'a pas atteint le point de fusion même à 5 s. Aucune élévation de température évidente n'existait dans la surface arrière du panneau sandwich non rempli, même à 10 s en raison de la résistance thermique dans le sens de l'épaisseur. Par rapport au panneau sandwich non rempli, le panneau sandwich rempli d'éponge CNT avait une réponse de température plus rapide et un faible taux d'augmentation de la température, ce qui a permis à la température sur la surface arrière d'atteindre le point de fusion plus tard. La comparaison de la distribution de température plein champ a indiqué que la région à haute température sur la surface arrière du panneau sandwich rempli d'éponge CNT était plus large et que la température la plus élevée était inférieure à celle du panneau sandwich non rempli.

Répartition de la température dans la surface arrière pour une plaque monolithique, un panneau sandwich rempli de film CNT, un panneau sandwich non rempli et un panneau sandwich rempli d'éponge CNT à différents temps d'irradiation, obtenue par la caméra thermique.

La figure 5A montre la morphologie d'ablation de l'éponge CNT. Le diamètre extérieur de la fosse d'ablation était approximatif du spot laser. En décollant la région éponge externe (partie noire) du matériau, comme illustré à la figure 5b, on a pu constater que le diamètre de la fosse d'ablation interne était d'environ 3 fois le spot laser.

Mécanismes d'ablation de l'éponge CNT : (a) morphologie d'ablation extérieure, (b) morphologie d'ablation intérieure, (c) image SEM de la région de contact entre le panneau et l'éponge CNT, (d) contenu des éléments et image EDS.

Le coefficient de diffusion de la chaleur est la vitesse à laquelle la température en un point d'un corps est transmise à un autre point, qui peut être exprimée comme suit :

Même si le coefficient de conductivité thermique de l'éponge CNT était faible, en raison de sa densité relative extrêmement faible, son coefficient de diffusion de chaleur était d'environ 10 fois celui de l'acier inoxydable (5 × 10–6 m2/s). Pour résumer, l'effet de renforcement de l'éponge CNT sur la résistance au laser du panneau sandwich comprend principalement deux aspects : (1) la chaleur latente de sublimation du carbone était bien supérieure à celle des autres matériaux. Une grande quantité d'énergie laser a été absorbée par l'éponge CNT par sublimation dans la portée du diamètre du spot laser ; (2) L'éponge CNT a dispersé l'énergie laser absorbée par le panneau sandwich afin que la répartition de la température sur le panneau soit plus uniforme.

La figure 5c, d montre les résultats SEM et EDS pour l'éponge CNT qui est directement en contact avec le panneau métallique. Dans les résultats EDS, la fixation avec des couleurs brillantes sur l'éponge CNT était une solution métallique. Cela indique que la température sur la surface de contact entre l'éponge de NTC et le panneau métallique était supérieure à la température de fusion de l'acier inoxydable. Cependant, en raison du grand dissipateur thermique du panneau, la température de l'éponge CNT sur la surface de contact était inférieure à la température de sublimation du carbone.

Une étude expérimentale sur la résistance au laser du panneau sandwich rempli d'éponge CNT a été réalisée. L'évolution dynamique de la température et de la morphologie de l'ablation sur la surface arrière d'un spécimen irradié au laser CW a été obtenue à l'aide de TIC et de HSC. La morphologie d'ablation et les produits d'ablation ont été observés par le SEM et l'EDS. Les résultats expérimentaux ont montré que l'efficacité de résistance des éponges CNT au panneau sandwich sous irradiation laser CW est considérablement supérieure à celle des matériaux ablatifs et isolés traditionnels. Au cours du processus d'ablation au laser, compte tenu du coefficient de diffusion thermique élevé, d'une part, le changement de phase de l'éponge CNT de grande surface pourrait absorber plus d'énergie laser. D'autre part, l'éponge CNT a dispersé l'élévation de température structurelle causée par l'irradiation laser de sorte que la distribution de température était plus uniforme, ce qui a entraîné une résistance laser plus élevée du panneau sandwich. En raison des performances multifonctionnelles supérieures, ce type de structures peut être utilisé dans les systèmes de protection thermique et les structures porteuses.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Laboratoire clé de mécanique des systèmes de couplage fluide-solide, Institut de mécanique, Académie chinoise des sciences, Pékin, 100190, Chine

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

École des sciences de l'ingénieur, Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

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

Centre de simulation des matériaux et des procédés, California Institute of Technology, Pasadena, CA, 91125, États-Unis

Xianqian Wu

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WY et KX ont écrit le texte principal du manuscrit. XW préparé Figs. 1, 2, JW et TM préparés Figs. 3, 4, 5. Tous les auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance avec Xianqian Wu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Yuan, W., Xiao, K., Wu, X. et al. Panneaux sandwich remplis d'éponges de nanotubes de carbone avec une résistance laser à onde continue haute puissance supérieure. Sci Rep 12, 21435 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25829-4

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Reçu : 09 octobre 2022

Accepté : 05 décembre 2022

Publié: 12 décembre 2022

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

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