カーボンナノチューブスポンジを充填したサンドイッチパネルは優れた高強度を誇ります。

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21435 (2022) この記事を引用

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高多孔質で軽量のカーボンナノチューブスポンジがサンドイッチパネルの高出力連続波レーザーアブレーション耐性に及ぼす影響を実験的に調査した。比較として、連続波レーザー照射を受けたモノリシックプレート、カーボンナノチューブフィルム充填サンドイッチパネル、未充填サンドイッチパネル、およびカーボンナノチューブスポンジ充填サンドイッチパネルの熱応答を分析した。実験結果は、カーボンナノチューブが充填されたサンドイッチパネルのレーザー耐性が、充填されていない構造よりも明らかに高いことを示した。単位質量のカーボンナノチューブスポンジをコアに充填することによるサンドイッチパネルの追加破損時間は、従来のアブレーションおよび断熱材料を充填する場合よりも約18倍および33倍長かった。それは、カーボンナノチューブスポンジの高い熱拡散係数と昇華潜熱からも理解できます。連続波によるアブレーション中、カーボンナノチューブスポンジは、その高い昇華潜熱による大面積材料の相変化を通じて、吸収されたレーザーエネルギーを素早く消費するだけでなく、連続波レーザーによって導入された熱エネルギーを素早く分散させます。熱拡散係数が高いため、並外れたレーザーアブレーション耐性が得られます。

サンドイッチ構造は、軽量かつ多機能な設計を実現するために、航空宇宙や輸送などのエンジニアリング産業で広く使用されています1、2、3。さらに、先進的な材料を充填するための多数のオープンセルコアを提供し、さまざまな条件下でのパフォーマンスを大幅に向上させます4、5、6、7、8。私たちの以前の研究では、コアの空隙に軽量のアブレーション材料を充填すると、故障時間が延びるだけでなく、連続波 (CW) レーザーが照射されたサンドイッチパネルの損傷の範囲が減少することが示されました9。アブレーション材料を充填したサンドイッチパネルの場合、カーボン粉末の高温相変化がサンドイッチパネルのレーザー耐性に主要な役割を果たし、樹脂マトリックスが主にカーボン粉末に対して支持効果を発揮します。したがって、構造重量をほとんど増加させずに、コアに充填された純炭素を熱エネルギーの散逸に最大限に活用して、耐レーザー性を向上させることがより効率的な方法である可能性があります。

カーボンナノチューブ（CNT）構造は、優れた機械的特性と電気伝導性および熱伝導性を備えた多機能ナノ材料の一種です10、11、12、13、14、15、16、17。現在、工学的実践に適用できる CNT フィルムや CNT スポンジを大量に製造することができます。文献には、機械的挙動、導電性、断熱性などの CNT スポンジの特性や、太陽電池や相変化材料の側面での応用について言及した膨大な知識が存在します11、17、18、19、20。、21、22、23。大きな変形に耐え、サイクル破損に強いという利点を備えた CNT スポンジを耐荷重性サンドイッチ構造に充填することで、耐荷重性や断熱性などの多機能設計を実現できます21。 CNT スポンジの巨視的熱伝導率は非常に低いにもかかわらず、熱エネルギーは CNT 方向に沿って非常に急速に伝達されます。その結果、CNT スポンジは CW レーザー照射によって引き起こされる熱エネルギーを分散し、サンドイッチパネルの故障時間を遅らせることができます。

固体材料とのレーザー相互作用は、レーザー溶接 24,25、レーザー穴あけ 26、レーザー切断 27、レーザー加工 28、レーザー誘起損傷 9,29 など、さまざまな条件でますます注目を集めています。高多孔質材料については、Chen et al.30 がパルス紫外線レーザーと CNT スポンジの間の相互作用を研究し、CNT スポンジにおけるパルスレーザーによって引き起こされるプラズマ特性について議論しました。高出力の CW レーザービームが多孔質材料に照射されると、損傷の主なメカニズムはレーザースポットからの材料の蒸発と排出です。実際には、裏面の温度が融点に達することが私たちの主な関心事です。

超軽量 CNT スポンジの効果を調査するために、CNT スポンジを充填したサンドイッチパネルのレーザー照射サンドイッチパネルの応答を実験的に研究しました。比較として、モノリシックプレート、CNTフィルム充填サンドイッチパネル、および未充填サンドイッチパネルに対する連続レーザー照射実験も同じ条件で実施した。熱赤外線画像装置(TIC)と高速カメラ(HSC)を使用して、背面自由表面の温度分布と破壊プロセスを取得しました。高温の相変化によるレーザーエネルギーの吸収効果と、パネル温度場におけるその拡散効果により、CNTスポンジを研磨すると、サンドイッチパネルの故障時間を大幅に遅らせることができることが観察されています。

実験で使用した CNT フィルムと CNT スポンジ材料は、蘇州ナノテクナノバイオニクス研究所から提供されました。 CNT フィルムの厚さは 100 nm、サイズは 40 mm × 40 mm でした。 CNTスポンジの大きさは40mm×40mm、厚さは8mmです。 CNT スポンジの密度と気孔率は、それぞれ 5 ～ 10 mg/cm3 と > 99% でした。 CNT スポンジの巨視的な熱伝導率は、気孔率が高いため 0.15 W/(m・K) 未満です。

モノトリックプレート、CNT フィルム充填サンドイッチパネル、未充填サンドイッチパネル、および CNT スポンジ充填サンドイッチパネルの 4 種類の構造が検討されました。同一の面密度を確保するために、モノトリックプレートの厚さは 1.8 mm、サンドイッチパネルの前面パネルと背面パネルの厚さは両方とも 0.9 mm でした。 CNT フィルムと CNT スポンジによる追加質量は、パネルの重量と比較すると無視できます。 CNT フィルムを充填したサンドイッチパネルの場合、パネルの 2 つの層が直接接触していました。 CNT スポンジを充填したサンドイッチパネルの場合、2 つのパネル間の距離は 8 mm でした。

図 1 に実験装置を示します。 TIC をサンドイッチパネルの裏側に配置して、フィールド全体の温度分布を取得しました。 TIC の解像度とサンプリング周波数はそれぞれ 420 × 640 ピクセルと 30 Hz でした。温度測定範囲は 100 ～ 2700 °C でした。裏面の動的損傷の進展を取得するために、試験片の裏面にも HSC を配置しました。サンプリング周波数は 60 Hz、解像度は 1600 ピクセル×1200 ピクセルでした。 1.07μmで動作するIPG YLS 2000 Wファイバーレーザーをレーザー源として利用しました。レーザー照射実験では出力500Wのレーザーを採用しました。試料からレーザーヘッドまでの距離を約741mmに調整することで、直径5mmのレーザー光が得られました。

実験のセットアップと実験でテストされた試験片の種類の概略図。

高速航空機の耐荷重構造として使用される場合、サンドイッチ構造は通常、外部からの高速空気流や、表裏面間の大きな圧力差にさらされます。この状況下では、溶融材料は機械的侵食や内圧の影響により急速に剥離します。そして、レーザーが航空機内の部品や部品に直接照射され、重大な損傷を引き起こすことになります。したがって、実験ではサンドイッチパネルの裏面が融点に達する時間を破壊時間として定義しました。

図 2 は、CW レーザー照射下でのさまざまな構造の裏面のレーザースポット中心温度履歴を比較しています。厚さ方向の熱伝導率が高いため、モノリスプレートの裏面温度は照射時間の開始時に急速に上昇し、約 5 秒で融点に達することがわかります。裏面の温度は表面張力により融点温度に保たれます。

モノリシックプレート、CNTフィルム充填サンドイッチパネル、未充填サンドイッチパネル、およびCNTスポンジ充填サンドイッチパネルの温度履歴の比較。

CNT フィルムが充填されたサンドイッチパネルの場合、2 つのパネル間の熱抵抗効果とレーザーエネルギーに対する CNT フィルムの吸収効果により、明らかに 2.5 秒まで背面の温度上昇は起こりませんでした。レーザー照射時間が増加すると、温度は急速に上昇し、7.3 ～ 8.5 秒で融点に達しました。さらに,明らかに温度上昇が起こった後のCNTスポンジ充填サンドイッチパネルの温度上昇速度は,モノリシックプレートの温度上昇速度と同一であった。

文献９に記載されているように、レーザー照射により発生した熱エネルギーは、前面パネルが溶融浸透する前に、主に前面パネル内を伝播する。その後、裏面温度は 10 秒後に急激に上昇し、11.9 秒で融点に達しました。バックパネルのヒートシンクが小さいため、未充填のサンドイッチパネルの温度上昇率は、モノリシックプレートやCNTフィルムを充填したサンドイッチパネルの温度上昇率よりもはるかに速かった。その結果、フロントパネルが溶けて構造が急速に破壊されます。

CNTスポンジを充填したサンドイッチパネルの場合、CNTスポンジの伝導により、熱応答時間は未充填のサンドイッチパネルよりも早かったが、明らかな温度上昇が起こった後の構造の温度上昇率は他の3種類に比べてはるかに低かった。裏面のスポット中心温度が融点に達するまでの時間は、未充填サンドイッチパネルよりも長かった。したがって、CNT スポンジを充填すると、サンドイッチパネルのレーザー耐性が大幅に向上する可能性があります。

4 つの構造の故障時間を図 3a に示します。モノリシックプレートを 2 層の薄いパネルに分割し、それらを CNT フィルムで充填すると、構造のレーザー耐性が向上する可能性があることがわかります。 CNT フィルムの量を増やしても、構造の故障時間を遅らせることはできません。したがって、CNT フィルムが吸収するレーザーエネルギーは、非常に薄い厚さのため無視できます。 2 つのパネル間の熱抵抗により、レーザーの故障時間が長くなります。 2 つのパネル間の距離を広げると、サンドイッチパネルの熱応答時間と故障時間が遅れる可能性があります。しかし、フロントパネルが溶けた後の温度上昇速度が速すぎて、急速に破損してしまいました。未充填のサンドイッチパネルと比較して、CNT スポンジを充填したサンドイッチパネルの熱応答時間は短かった。ただし、CNT スポンジの相変化の潜熱が高いため、レーザー耐性が高くなりました。ここで、\(\eta\) は、未充填のサンドイッチパネルにおける充填材の追加による構造重量の増加に対する破損時間の増加の比として定義されます。

ここで、 \(t_{filled}\) と \(t_{unfilled}\) は、それぞれ充填済みサンドイッチパネルと未充填サンドイッチパネルのレーザー故障時間です。 \(m_{filled}\) と \(m_{unfilled}\) はそれぞれ、充填されたサンドイッチパネルと充填されていないサンドイッチパネルの重量です。図 3b は、サンドイッチパネルの CW レーザー破壊強度に対するさまざまなフィラーの影響を示しています。残りの 2 つの材料のレーザー照射実験は参考文献 9 にあります。 CNT スポンジの抵抗効率は他の 2 つのフィラーよりもはるかに優れていることがわかります。単位質量の CNT スポンジを充填することによって追加される破損時間は、従来のアブレーションおよび絶縁材料を充填する場合の約 18 倍および 33 倍です。

サンドイッチパネルのレーザー耐性に対するフィラーの影響。 (a) 破損時間、(b) 充填材の追加による構造重量の増加に対する破損時間の増加の比率。セラミックおよびシリコーン樹脂と炭素粉末を充填したサンドイッチパネルの複合物のレーザー照射挙動は、参考文献 9 に記載されています。

図 4 は、4 つの構造の全フィールド温度分布の動的展開プロセスを示しています。モノリシックプレートの裏面へのレーザー照射の最初の瞬間に、明らかな温度上昇が起こりました。照射時間の増加に伴い高温領域は拡大し続け、最高温度は約5秒で融点に達した。 CNT フィルムを充填したサンドイッチパネルの場合、裏面の最高温度は 5 秒でも融点に達しませんでした。厚さ方向に沿った熱抵抗により、未充填のサンドイッチパネルの裏面には10秒でも明らかな温度上昇は存在しませんでした。 CNT スポンジを充填したサンドイッチパネルは、未充填のサンドイッチパネルと比較して、温度応答が速く、温度上昇速度が低いため、裏面の温度が融点に達するまでの時間が遅くなります。全領域の温度分布を比較すると、CNTスポンジ充填サンドイッチパネルの裏面の高温領域は未充填サンドイッチパネルよりも広く、最高温度が低いことがわかりました。

熱画像カメラで取得した、モノリシックプレート、CNTフィルム充填サンドイッチパネル、未充填サンドイッチパネル、およびCNTスポンジ充填サンドイッチパネルの裏面の温度分布を異なる照射時間で測定した結果。

図 5A は、CNT スポンジのアブレーション形態を示しています。アブレーションピットの外径はレーザースポットとほぼ同じでした。図5bに示すように、材料から外側のスポンジ領域（黒い部分）を剥がすと、内側のアブレーションピットの直径がレーザースポットの約3倍であることがわかりました。

CNT スポンジのアブレーション機構: (a) 外側アブレーション形態、(b) 内側アブレーション形態、(c) パネルと CNT スポンジの接触領域の SEM 画像、(d) 元素含有量と EDS 画像。

熱拡散係数は、物体のある点の温度が別の点に伝わる割合であり、次のように表すことができます。

CNTスポンジは相対密度が極めて低いため、熱伝導率は低くても、熱拡散係数はステンレス材（5×10−6 m2/s）の約10倍でした。要約すると、サンドイッチパネルのレーザー耐性に対する CNT スポンジの強化効果には主に 2 つの側面が含まれます。 (1) カーボンの昇華潜熱が他の材料よりもはるかに高かった。大量のレーザーエネルギーは、レーザースポットの直径範囲内で昇華を通じて CNT スポンジに吸収されました。 (2) CNT スポンジはサンドイッチパネルに吸収されたレーザーエネルギーを分散させ、パネル上の温度分布をより均一にしました。

図5c、dは、金属パネルと直接接触したCNTスポンジのSEMおよびEDSの結果を示しています。 EDS の結果、CNT スポンジ上に光って付着したのは金属溶液でした。これは、CNTスポンジと金属パネルとの接触面の温度がステンレス鋼の溶融温度よりも高かったことを示しています。しかし、パネルのヒートシンクが大きいため、接触面のCNTスポンジの温度はカーボンの昇華温度よりも低くなってしまいました。

CNTスポンジを充填したサンドイッチパネルのレーザー耐性に関する実験研究を実施した。 TIC と HSC を使用して、CW レーザー照射された試験片の裏面の温度とアブレーション形態の動的な変化が得られました。アブレーション形態およびアブレーション製品は、SEMおよびEDSによって観察されました。実験結果は、CWレーザー照射下でのサンドイッチパネルに対するCNTスポンジの抵抗効率が、従来のアブレーション材料や絶縁材料よりも劇的に優れていることを示しました。レーザーアブレーションプロセス中、高い熱拡散係数を考慮すると、一方では、大面積CNTスポンジの相変化がより多くのレーザーエネルギーを吸収する可能性があります。一方、CNTスポンジはレーザー照射による構造温度上昇を分散させ、温度分布をより均一にすることでサンドイッチパネルのレーザー耐性を高めた。優れた多機能性能により、この種の構造は熱保護システムや耐荷重構造に使用できます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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受信日: 2022 年 10 月 9 日

受理日: 2022 年 12 月 5 日

公開日: 2022 年 12 月 12 日

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