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科技前沿

生物复合材料更多应用于飞机设计
来源:中国航空报  2021-05-25 09:59:48
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-10847.html
  轻质和高强的先进材料在低能耗、高性能飞机制造过程中一直发挥着关键作用。随着技术的进步,以及人类不断呼吁关注气候和可持续发展问题,在航空全产业链执行“脱碳”策略已经成为行业共识。近年来,从自然界生物中获得的原材料,以及由此制成的生物复合材料,为飞机设计师和材料工程师提供了改善未来飞行器气动性能和环境性能的新选择。
 
  50年前,超过70%的飞机都是由一种材料制成的,即铝。大到机身和机体结构部件,小到发动机的主要零件,随处可见铝合金的身影。铝合金重量轻、成本低廉的特点,使其在航空工业中拥有了广泛应用基础。从那时起,一代又一代金属材料(钛、钢、新型铝合金、高温合金),先进复合材料(碳纤维、玻璃纤维、聚合物树脂)以及其他尖端新材料的不断涌现和应用,持续改善飞机结构设计和燃油效率。近年来,随着工程师致力于进一步释放未来飞机的潜力,新兴的一类高性能材料——生物复合材料正在为进一步改善飞行性能和环境性能提供更多可能。
 
  近日,空客公司官网刊文,对目前应用较多、未来应用前景较好的生物复合材料进行了介绍。
 
 
 
  生物复合材料:轻质且可回收
 
  正如目前广泛应用于飞机制造的复合材料一样,生物复合材料也是由基体(树脂)和增强体(纤维)构成,不过所有的基体和增强体都来自自然生物,或由自然界中的生物质转化制造而成。由于具有众多的优势——轻质、灵活、经济、高效且可回收的特点,生物复合材料目前得到了越来越多的应用。
 
  生物复合材料的原材料来自可再生资源:如生物质、植物、农作物、微生物、动物、矿物质甚至是生物废料等。这些原材料需要通过物理、化学手段转化为生物复合材料。生物复合材料可以单独使用,也可以与传统材料(如碳纤维、玻璃纤维等)互补使用。
 
  常见的生物复合材料可由以下一种或几种组成:
 
  天然纤维:可从动物、植物或矿物质中获得的纤维,不过不需要碳化过程(即将有机物质转化为碳或含碳残留物的过程)。
 
  生物质碳纤维:生物质(如藻类、纤维素、木质素)主要用于生产原料以及进一步转化为纤维和树脂的原材料。
 
  生物树脂:树脂是高粘性物质,可以转化为聚合物。生物树脂来自生物体,主要来源包括植物油、生物质或生物废物等。
 
  在航空航天工业中,生物复合材料可用于以下领域:
 
  客舱和货舱:客舱和货舱内零部件需要符合可燃性、烟密度和毒性以及散热性等相关要求。
 
  一级和二级结构:这些部位涉及较高的结构载荷,因此需要改善机械性能和疲劳性能。
 
  辅料:主要应用于飞机非主承力结构来实现辅助性功能的材料,或在工厂中生产复合材料部件所需的辅助材料。
 
  生物复合材料中常用的原材料
 
  甘蔗废料也称为“蔗渣”,由甘蔗茎中提取汁液后获得,是一种干燥纸浆状材料。由于甘蔗是太阳能的“高效转换器”,因此能够产生大量的生物质。
 
  甘蔗废料是纤维素纤维的重要优质来源,可用作生物复合材料的“填充剂”,也可通过化学转化或生物精炼的方式获得生物基呋喃树脂。呋喃生物基聚合物与恰当的天然纤维或回收的纤维(例如,回收得到碳纤维等)结合使用,可应用到飞机内饰结构中。
 
  无论是微观物种还是大型海藻,水藻类都是简单的光合作用生物,能够结合大气中的二氧化铁并将其转移为生物质。
 
  就像其他生物质一样,水藻可作为碳原料,主要用于生产目前在传统复合材料中应用碳纤维的前驱体或树脂的单体。利用这种方式获得的生物复合材料可以提供与当前应用在飞机上的现有复合材料相同的机械性能。
 
  玄武岩纤维是以天然玄武岩拉制的连续纤维,是玄武岩石料在1450~1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。天然玄武岩属于基性火山岩,主要存在于地球洋壳和月球月海中,也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。玄武岩纤维无害,具有出色的抗冲击性和耐火性,其机械性能与玻璃纤维相似,但由于其组分并不复杂,因此具有制造工艺更简单的优点。
 
  这种直接从自然玄武岩中制造的纤维可在多领域取得不同的应用效果。其中包括可稳定登月站3D打印结构,产生隔热效果,改善过滤系统,同时也可为宇航服提供编织材料。
 
  竹是一种轻质、可快速生长且具有高弹性的生物,同时也是一种天然复合材料,主要由嵌入木质素基质中的纤维素纤维组成。
 
  天然竹纤维与生物基体或传统树脂基体相结合可以带来许多好处,例如,减少环境影响和改善机械性能等。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-10847.html