Pannelli sandwich riempiti con spugne di nanotubi di carbonio con un livello superiore

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21435 (2022) Citare questo articolo

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È stato studiato sperimentalmente l'effetto delle spugne di nanotubi di carbonio altamente porose e leggere sulla resistenza all'ablazione laser a onda continua ad alta potenza del pannello sandwich. A titolo comparativo, sono state analizzate le risposte termiche della piastra monolitica, del pannello sandwich riempito con film di nanotubi di carbonio, del pannello sandwich non riempito e del pannello sandwich riempito con spugna di nanotubi di carbonio sottoposti a irradiazione laser a onda continua. I risultati sperimentali hanno mostrato che la resistenza al laser del pannello sandwich riempito con nanotubi di carbonio è ovviamente superiore rispetto alla struttura non riempita. Il tempo aggiuntivo di cedimento del pannello sandwich mediante il riempimento dei nuclei con la spugna di nanotubi di carbonio di massa unitaria è stato circa 18 volte e 33 volte più lungo di quello ottenuto mediante il riempimento con materiale ablativo e isolante convenzionale. Ciò potrebbe essere compreso dall’elevato coefficiente di diffusione termica e dal calore latente di sublimazione della spugna di nanotubi di carbonio. Durante l'ablazione tramite onda continua, la spugna di nanotubi di carbonio non solo ha consumato rapidamente l'energia laser assorbita attraverso il cambiamento di fase di un materiale di grandi dimensioni a causa del suo elevato calore latente di sublimazione, ma ha anche disperso rapidamente l'energia termica introdotta dal laser a onda continua grazie al suo elevato coefficiente di diffusione termica, che porta alla straordinaria resistenza all’ablazione laser.

Le strutture sandwich sono ampiamente utilizzate nei settori ingegneristici come quello aerospaziale e dei trasporti per realizzare progetti leggeri e multifunzionali1,2,3. Inoltre, fornisce numerosi nuclei a celle aperte per il riempimento di materiali avanzati per migliorare significativamente le sue prestazioni in diverse condizioni4,5,6,7,8. Il nostro studio precedente ha dimostrato che il riempimento di materiale ablativo leggero nello spazio vuoto del nucleo non solo ha posticipato il tempo di guasto, ma ha anche ridotto l'entità del danno dei pannelli sandwich irradiati con laser a onda continua (CW)9. Per il pannello sandwich riempito con materiale ablativo, il cambiamento di fase ad alta temperatura della polvere di carbonio gioca un ruolo di primo piano sulla resistenza al laser del pannello sandwich e la matrice di resina esercita principalmente un effetto di supporto sulla polvere di carbonio. Pertanto, potrebbe essere un modo più efficiente sfruttare al massimo il carbonio puro contenuto nel nucleo sulla dissipazione dell'energia termica per migliorare la resistenza del laser a condizione che il peso strutturale non venga quasi aumentato.

La struttura dei nanotubi di carbonio (CNT) è un tipo di nanomateriale multifunzionale con proprietà meccaniche e conduttività elettrica e termica superiori10,11,12,13,14,15,16,17. Attualmente è possibile produrre una grande quantità di pellicole CNT e spugne CNT, che possono essere utilizzate nella pratica ingegneristica. Esiste un considerevole corpus di conoscenze in letteratura che affronta le proprietà delle spugne CNT come il comportamento meccanico, la conduttività e l'isolamento termico, nonché la sua applicazione negli aspetti delle celle solari e dei materiali a cambiamento di fase11,17,18,19,20 ,21,22,23. Con i vantaggi di sopportare grandi deformazioni e guasti anticiclo, le spugne CNT possono essere riempite nella struttura sandwich portante per realizzare un design multifunzionale come portante e isolamento termico21. Anche se la spugna CNT ha una conduttività termica macroscopica molto bassa, l'energia termica potrebbe trasferirsi molto rapidamente lungo la direzione del CNT. Di conseguenza, le spugne CNT potrebbero disperdere l'energia termica indotta dall'irradiazione laser CW e ritardare il tempo di guasto del pannello sandwich.

Le interazioni laser con materiali solidi hanno ricevuto crescente attenzione in varie condizioni, tra cui saldatura laser24,25, perforazione laser26, taglio laser27 e lavorazione laser28 e danni indotti dal laser9,29. Per i materiali altamente porosi, Chen et al.30 hanno studiato l'interazione tra il laser ultravioletto pulsato e la spugna di CNT e hanno discusso le proprietà plasmatiche causate dal laser a impulsi nella spugna di CNT. Quando un raggio laser CW ad alta potenza viene applicato sui materiali porosi, i meccanismi primari del danno sono l'evaporazione e l'espulsione del materiale dal punto laser. In realtà, la nostra principale preoccupazione è la temperatura della superficie posteriore che raggiunge il punto di fusione.