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            2021-05-25
            生物復合材料更多應用于飛機設計

            輕質和高強的先進材料在低能耗、高性能飛機制造過程中一直發揮著關鍵作用。隨著技術的進步,以及人類不斷呼吁關注氣候和可持續發展問題,在航空全產業鏈執行“脫碳”策略已經成為行業共識。近年來,從自然界生物中獲得的原材料,以及由此制成的生物復合材料,為飛機設計師和材料工程師提供了改善未來飛行器氣動性能和環境性能的新選擇。

             

              50年前,超過70%的飛機都是由一種材料制成的,即鋁。大到機身和機體結構部件,小到發動機的主要零件,隨處可見鋁合金的身影。鋁合金重量輕、成本低廉的特點,使其在航空工業中擁有了廣泛應用基礎。從那時起,一代又一代金屬材料(鈦、鋼、新型鋁合金、高溫合金),先進復合材料(碳纖維、玻璃纖維、聚合物樹脂)以及其他尖端新材料的不斷涌現和應用,持續改善飛機結構設計和燃油效率。近年來,隨著工程師致力于進一步釋放未來飛機的潛力,新興的一類高性能材料——生物復合材料正在為進一步改善飛行性能和環境性能提供更多可能。

             

              近日,空客公司官網刊文,對目前應用較多、未來應用前景較好的生物復合材料進行了介紹。
             

             
             

              生物復合材料:輕質且可回收

             

              正如目前廣泛應用于飛機制造的復合材料一樣,生物復合材料也是由基體(樹脂)和增強體(纖維)構成,不過所有的基體和增強體都來自自然生物,或由自然界中的生物質轉化制造而成。由于具有眾多的優勢——輕質、靈活、經濟、高效且可回收的特點,生物復合材料目前得到了越來越多的應用。

             

              生物復合材料的原材料來自可再生資源:如生物質、植物、農作物、微生物、動物、礦物質甚至是生物廢料等。這些原材料需要通過物理、化學手段轉化為生物復合材料。生物復合材料可以單獨使用,也可以與傳統材料(如碳纖維、玻璃纖維等)互補使用。

             

              常見的生物復合材料可由以下一種或幾種組成:

             

              天然纖維:可從動物、植物或礦物質中獲得的纖維,不過不需要碳化過程(即將有機物質轉化為碳或含碳殘留物的過程)。

             

              生物質碳纖維:生物質(如藻類、纖維素、木質素)主要用于生產原料以及進一步轉化為纖維和樹脂的原材料。

             

              生物樹脂:樹脂是高粘性物質,可以轉化為聚合物。生物樹脂來自生物體,主要來源包括植物油、生物質或生物廢物等。

             

              在航空航天工業中,生物復合材料可用于以下領域:

             

              客艙和貨艙:客艙和貨艙內零部件需要符合可燃性、煙密度和毒性以及散熱性等相關要求。

             

              一級和二級結構:這些部位涉及較高的結構載荷,因此需要改善機械性能和疲勞性能。

             

              輔料:主要應用于飛機非主承力結構來實現輔助性功能的材料,或在工廠中生產復合材料部件所需的輔助材料。

             

              生物復合材料中常用的原材料

             

              甘蔗廢料也稱為“蔗渣”,由甘蔗莖中提取汁液后獲得,是一種干燥紙漿狀材料。由于甘蔗是太陽能的“高效轉換器”,因此能夠產生大量的生物質。

             

              甘蔗廢料是纖維素纖維的重要優質來源,可用作生物復合材料的“填充劑”,也可通過化學轉化或生物精煉的方式獲得生物基呋喃樹脂。呋喃生物基聚合物與恰當的天然纖維或回收的纖維(例如,回收得到碳纖維等)結合使用,可應用到飛機內飾結構中。

             

              無論是微觀物種還是大型海藻,水藻類都是簡單的光合作用生物,能夠結合大氣中的二氧化鐵并將其轉移為生物質。

             

              就像其他生物質一樣,水藻可作為碳原料,主要用于生產目前在傳統復合材料中應用碳纖維的前驅體或樹脂的單體。利用這種方式獲得的生物復合材料可以提供與當前應用在飛機上的現有復合材料相同的機械性能。

             

              玄武巖纖維是以天然玄武巖拉制的連續纖維,是玄武巖石料在1450~1500℃熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。天然玄武巖屬于基性火山巖,主要存在于地球洋殼和月球月海中,也是地球陸殼和月球月陸的重要組成物質。玄武巖纖維無害,具有出色的抗沖擊性和耐火性,其機械性能與玻璃纖維相似,但由于其組分并不復雜,因此具有制造工藝更簡單的優點。

             

              這種直接從自然玄武巖中制造的纖維可在多領域取得不同的應用效果。其中包括可穩定登月站3D打印結構,產生隔熱效果,改善過濾系統,同時也可為宇航服提供編織材料。

             

              竹是一種輕質、可快速生長且具有高彈性的生物,同時也是一種天然復合材料,主要由嵌入木質素基質中的纖維素纖維組成。

             

              天然竹纖維與生物基體或傳統樹脂基體相結合可以帶來許多好處,例如,減少環境影響和改善機械性能等。


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