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

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。