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

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

L'effet d'éponges de nanotubes de carbone très poreuses et légères sur la résistance à l'ablation laser à onde continue de 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 d'un film de nanotubes de carbone, d'un panneau sandwich non chargé et d'un panneau sandwich rempli d'éponge de nanotubes 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 supérieure à celle de la structure non chargée. 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 obtenu 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. Lors de l'ablation par 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 une résistance extraordinaire à l'ablation laser.

Les structures sandwich sont largement utilisées dans les industries d'ingénierie telles que l'aérospatiale et les transports pour réaliser une 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 causés aux panneaux sandwich irradiés par 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 de premier plan 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, il peut s’agir d’un moyen plus efficace de tirer le meilleur parti du carbone pur rempli dans le noyau pour dissiper l’énergie thermique afin d’améliorer la résistance du laser à condition que le poids structurel n’augmente pratiquement pas.

La structure des nanotubes de carbone (CNT) est une sorte de nanomatériau multifonctionnel doté de propriétés mécaniques et d'une conductivité électrique et thermique supérieures10,11,12,13,14,15,16,17. Actuellement, une grande quantité de films et d'éponges en CNT, qui peuvent être utilisés dans la pratique de l'ingénierie, peuvent être fabriqués. Il existe un corpus considérable de connaissances dans la littérature qui traite des propriétés des éponges de NTC telles que le comportement mécanique, la conductivité et l'isolation thermique, ainsi que leur application dans certains aspects des cellules solaires et des matériaux à changement de phase11,17,18,19,20. ,21,22,23. Avec les avantages de supporter une déformation importante et une défaillance anti-cycle, les éponges CNT peuvent être remplies dans la structure sandwich porteuse pour réaliser une conception multifonctionnelle telle que la portance et l'isolation thermique21. Même si l’éponge de NTC a une très faible conductivité thermique macroscopique, l’énergie thermique pourrait être transférée très rapidement dans la direction du NTC. 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 font l’objet d’une attention croissante dans diverses conditions, notamment le soudage au laser24,25, le perçage au laser26, la découpe au laser27 et le traitement au laser28, ainsi que les dommages induits par le laser9,29. Pour les matériaux hautement poreux, Chen et al.30 ont étudié l'interaction entre le laser ultraviolet pulsé et l'éponge de NTC, et ont discuté de la propriété plasmatique provoquée par le laser à impulsion dans l'éponge de NTC. Lorsqu’un faisceau laser CW de haute puissance est appliqué sur les matériaux poreux, les principaux mécanismes de dommages sont l’évaporation et l’expulsion du matériau du point laser. En réalité, la température de la surface arrière atteignant le point de fusion est notre principale préoccupation.