Esponjas de nanotubos de carbono encheram painéis sanduíche com alta qualidade

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21435 (2022) Citar este artigo

O efeito de esponjas de nanotubos de carbono leves e altamente porosas na resistência à ablação por laser de onda contínua de alta potência do painel sanduíche foi investigado experimentalmente. Como comparação, foram analisadas as respostas térmicas da placa monolítica, do painel sanduíche preenchido com filme de nanotubos de carbono, do painel sanduíche não preenchido e do painel sanduíche preenchido com esponja de nanotubos de carbono submetido à irradiação com laser de onda contínua. Resultados experimentais mostraram que a resistência ao laser do painel sanduíche preenchido com nanotubos de carbono é obviamente maior do que a da estrutura não preenchida. O tempo de falha adicional do painel sanduíche ao preencher os núcleos com a esponja de nanotubos de carbono de massa unitária foi cerca de 18 vezes e 33 vezes maior do que o preenchimento com o material ablativo e isolado convencional. Isso pode ser entendido pelo alto coeficiente de difusão térmica e pelo calor latente de sublimação da esponja de nanotubos de carbono. Durante a ablação pela onda contínua, a esponja de nanotubos de carbono não apenas consumiu rapidamente a energia do laser absorvida através da mudança de fase de um material de grande área devido ao seu alto calor latente de sublimação, mas também dispersou rapidamente a energia térmica introduzida pelo laser de onda contínua devido ao seu alto coeficiente de difusão térmica, levando à extraordinária resistência à ablação a laser.

As estruturas sanduíche são amplamente utilizadas nas indústrias de engenharia, como aeroespacial e de transporte, para realizar o design leve e multifuncional1,2,3. Além disso, fornece numerosos núcleos de células abertas para preenchimento de materiais avançados para melhorar significativamente seu desempenho sob diferentes condições4,5,6,7,8. Nosso estudo anterior mostrou que o preenchimento de material ablativo leve no espaço vazio do núcleo não apenas adiou o tempo de falha, mas também diminuiu a extensão do dano dos painéis sanduíche irradiados com laser de onda contínua (CW) . Para o painel sanduíche preenchido com material ablativo, a mudança de fase de alta temperatura do pó de carbono desempenha um papel importante na resistência ao laser do painel sanduíche, e a matriz de resina exerce principalmente um efeito de suporte no pó de carbono. Portanto, pode ser uma maneira mais eficiente de aproveitar ao máximo o carbono puro preenchido no núcleo na dissipação da energia térmica para melhorar a resistência do laser sob a condição de que o peso estrutural quase não aumente.

A estrutura do nanotubo de carbono (CNT) é um tipo de nanomaterial multifuncional com propriedades mecânicas superiores e condutividade elétrica e térmica . Atualmente, uma grande quantidade de filmes e esponjas de CNT, que podem ser aplicadas na prática de engenharia, podem ser fabricadas. Existe um considerável corpo de conhecimento na literatura que aborda as propriedades das esponjas CNT, como comportamento mecânico, condutividade e isolamento térmico, bem como sua aplicação em aspectos de células solares e materiais de mudança de fase11,17,18,19,20 ,21,22,23. Com vantagens de suportar grande deformação e falha anticiclo, as esponjas CNT podem ser preenchidas na estrutura sanduíche de suporte de carga para realizar um design multifuncional, como suporte de carga e isolamento térmico21. Embora a esponja CNT tenha uma condutividade térmica macroscópica muito baixa, a energia térmica pode ser transferida ao longo da direção do CNT muito rapidamente. Como resultado, as esponjas CNT poderiam dispersar a energia térmica induzida pela irradiação do laser CW e atrasar o tempo de falha do painel sanduíche.

As interações do laser com materiais sólidos têm recebido atenção crescente em diversas condições, incluindo soldagem a laser24,25, perfuração a laser26, corte a laser27 e processamento a laser28, e danos induzidos por laser9,29. Para os materiais altamente porosos, Chen et al.30 estudaram a interação entre o laser ultravioleta pulsado e a esponja CNT, e discutiram a propriedade plasmática causada pelo laser pulsado na esponja CNT. Quando um feixe de laser CW de alta potência é aplicado nos materiais porosos, os principais mecanismos de dano são a evaporação e a expulsão do material do ponto do laser. Na realidade, a temperatura da superfície posterior atingindo o ponto de fusão é a nossa principal preocupação.