一文了解碳纖維複合材料在城市空中交通中的潛在應用

2020-12-14 藍鯨騰飛

城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)有望成為下一重大的交通創新。與今天的計程車或共享單車類似,UAM可提供空中交通,消除街道上的擁堵,並為城市中心旅行提供一種方便快捷的方法。但材料將會是UAM的核心,因為它可以提供高效、可靠和具有成本競爭力的運輸工具。材料一直是當今飛機效率的關鍵驅動力,對於新興的UAM市場來說,材料將更加重要。

UAM重點是電動飛機,以提供清潔、綠色和高效的運行,而輕質材料是關鍵。減輕結構的重量會增加載貨量或載客量,增加車輛的行駛裡程,降低運行所需的能量,從而改善UAM的整體碳足跡。複合材料損壞時也可以修復,需要時可以回收利用。製造過程中產生的廢料可以重新利用,報廢結構可以回收再利用。與傳統製造方法相比,增材製造技術還可以減少車輛的重量,使複雜的結構產生的廢物少,能源少。

輕便的

減輕UAM的重量是減少系統碳足跡的佳方法之一。航空旅行的一個好的經驗法則是每公斤重量每小時運營費用0.01美元(1%)。如果飛機每年飛行2000小時,減少1公斤的重量可以減少3公斤以上的二氧化碳排放。較低的能源消耗也會導致較低的運營成本、更多的貨物容量以及較低的推進和提升系統成本。碳纖維複合材料重量輕、強度高,已成為航空航天系統的首選材料。增材製造技術可以通過鞏固零件、使用只在需要的地方放置材料的有效設計以及使用填充碳纖維的熱塑性塑料來提高剛度來進一步減輕重量。

可修復

複合材料結構損壞時可以修復。遊船和遊艇一般都是用複合材料建造的,幾十年來,為了使這些系統保持在低限度的浪費,人們一直在進行修補。修復工具包可以與系統一起進行,以便可以在任何時候和任何地方對UAM損壞進行維修。

可回收

當部分損壞無法修復或關鍵部分無法修復時,複合材料是可回收的。碳纖維可以從固化的複合材料中回收再用於其他產品。熱塑性複合材料通常可以通過加熱和改造材料來重複使用。樹脂系統可以被熱解回收碳纖維,熱解過程可以產生燃料,這些燃料可以用來幫助熱解過程。

安全舒適

碳纖維複合材料作為一種安全可靠的材料,已在航空航天工業中應用多年。事實上,碳纖維複合材料比金屬機身需要更少的維護、不腐蝕,並且更耐振動疲勞。UAM聲學性能也是一個非常重要的考慮因素,無論是對乘客的舒適性,還是對其將要運行的城市環境。與蜂窩芯材料相結合的複合材料可以被定製來抑制來自發動機和旋轉設備的大部分噪音。複合材料還可以調諧為電磁頻率傳輸和吸收,這將成為通信和傳感器系統(將成為這些系統的一部分)的重要需求。

航空航天認證

碳纖維複合材料和蜂窩芯系統在航空航天飛行器中的應用已有50多年的歷史,並得到了廣泛的認可。新一代商用飛機是用50%重量的碳纖維複合材料製造的。碳纖維複合材料因其優良的剛度和強度以及低重量而被選中,因此它們是UAM的理想選擇,在UAM中,強度、剛度和重量都是非常重要的。在航空航天領域使用複合材料的豐富經驗可用於新興的UAM市場。

無噪音

幾十年來,複合材料和蜂窩芯系統被用來抑制噴氣發動機的噪音。新型蜂窩芯系統進一步降低了航空系統的噪聲,可用於抑制電力驅動和轉子系統的噪聲。複合材料剛度可以在整個結構中進行修改和控制,以抑制振動,提供更平穩和更安靜的乘坐。如果這些系統要在城市環境中廣泛運行,一個安靜的UAM系統將是關鍵。

電磁屏蔽

天線和通信系統對UAM系統的安全高效運行至關重要。天線罩是用來保護天線的,它們是由複合材料製成的,通過電磁透明提供對環境的保護。隨著UAM所需的傳感器和通信系統的日益增多,大量的電磁信號將進入空域。複合天線罩可以調諧到選擇性頻率,這將允許UAM通信系統僅針對其需要的頻率,並過濾掉不需要的電磁信號。

負擔得起

隨著UAM市場的發展,生產的車輛數量將超過目前飛機和旋翼機的數量,並將開始接近汽車生產。汽車生產方法需要非常高的資本和工具成本,並且只對大批量生產平臺有經濟意義。複合材料所需的資本設備和工具更少,這意味著它們可以用於小批量生產,然後可以隨著更多的自動化而擴大規模。機械化疊層和組裝,灌注和壓縮成型以及增材製造等製造技術為該過程帶來了更多的自動化。材料的更快固化和加工提供更高的生產率,同時仍然保持質量和性能。複合材料的可擴展性使其成為合適的材料,適合於更大批量的生產。

可擴展製造

隨著UAM行業的發展和壯大,它將需要可擴展的製造流程,而這些流程無法隨著市場而高效增長。複合材料結構的小批量生產可以用少的資金投入來進行。複合材料結構可以用簡單、低成本的工具手工鋪設,也可以用簡單的烘箱固化。

自動化

隨著產量的增加,複合材料製造可以自動化。對於當今大多數航空製造業來說,使用機器人系統將材料放置在工具上,材料的組裝、檢驗和後處理基本上可以自動化。這使得每個零件的成本隨著生產量的增加而降低。如果可以用幹纖維預製件製造大型集成結構,然後在一次操作中進行灌注和固化,則可以使用灌注和壓縮成型。增材製造技術是一種完全自動化的技術,可以創造獨特和高效的結構。

分布式製造

隨著市場的發展,複合材料有能力擴大製造規模,也有利於分散製造,在這種製造方式下,車輛可以小批量生產,但離車輛使用地點更近。由於不需要高昂的資本設備成本,企業可以創建一系列微型工廠,使它們能夠降低風險,使工廠更接近市場需求,並創建靈活、負擔得起的敏捷生產系統。

相關焦點

  • 碳纖維複合材料在假肢中的應用
    為了減少假肢的重量,一些輕質量高強度的材料被廣泛應用於假肢的製作中,如超輕鋁合金、鈦合金、碳纖維複合材料等,其中,碳纖維比強度和比剛度都很高,而且設計性強,是製作假肢較好的材料。據不完全統計,我國目前有肢體殘疾人877萬,其中有100多萬要接受假肢安裝,而且這些數量每年都在增長。
  • 碳纖維在機器人手臂中的應用優勢分析
    一直以來,「輕量化」都是碳纖維複合材料應用較鮮明的標籤,隨著智能機械化在全球工業領域內所發揮的作用越來越突出,碳纖維也為新一代工業機器人的發展帶來了更多的發展空間。傳統機械臂的製作材料-鋁的密度為2.7g/cm3,鋼的密度為7.8g/cm3,而碳纖維僅有1.7g/cm3,博實曾為某企業研製一款碳纖維機械手臂,整體機械臂總重僅有3kg,整體重量比傳統材質機械臂減重約50%以上。除了輕量化,機械手臂的剛性直接影響到抓取工件時動作的平穩性、運動的速度和定位的精度。
  • 碳纖維材料機械臂的幾個應用領域
    鑑於很多人對碳纖維機械臂了解的比較局限,所以小編本次特意邀請了在碳纖維機械臂方面,擁有非常多研發生產經驗的蘇州挪恩複合材料的劉工,就讓他來為大家簡單介紹一下碳纖維機械臂較為常見的幾種應用領域 碳纖維機械臂可用在工業設備中 工業機械臂是集擬人手臂、手腕和手功能為一體的機械電子裝置,它可把任一物件或工具按空間位姿和要求進行移動,從而完成某一工業生產的作業要求。
  • 3D列印金屬基複合材料-含碳纖維的液態金屬
    除了開放處理難於加工的材料(如難熔金屬)之外,增材製造還使金屬基複合材料的加工(MMC)成為可能。一項發表在《機械工程學報》的研究記錄了一個研究小組為結合金屬和增強纖維的不同性能而採用的3D列印MMC的方法。來自陝西省快速製造技術工程研究中心的研究人員將錫鉛與碳纖維結合起來,一方面探索利用鉛的輻射屏蔽性能,另一方面利用碳纖維強度的可能性。
  • 三菱麗陽與泰國PTT 探討東協碳纖維業務
    三菱麗陽與泰國PTT 探討東協碳纖維業務 2013-09-17 13:29:19 來源:亞洲紡織聯盟 日本三菱麗陽公司日前與泰國國有能源企業PTT公司籤訂了備忘錄,將共同探討在東協地區開展碳纖維及碳纖維複合材料業務
  • 殲-11B戰鬥機複合材料零件製造過程曝光,順應戰鬥機發展趨勢
    來源:蔣蔣的兵工廠近日,央視7套國防科工播出了《揭秘「空中利劍」殲-11B》,其中曝光了殲-11B戰鬥機使用的複合材料,讓我們對於這種戰鬥機用的先進材料有了更進一步的了解。碳纖維複合材料是指以樹脂為基體,以碳纖維為增強材料的一種複合材料,比強度是鋁合金的6倍、鈦合金的5倍;比剛度是鋁、鈦的3.6倍,結構重量小、強度大、抗疲勞、耐腐蝕、便於設計、可做大尺寸零件,可使飛機重量比常規減輕20%一30%。
  • 年終特稿|複合材料:小企業受影響 總體增長明顯
    2019年至2020年,複合材料增長較快的應用領域集中在風能、航空、軌道交通、汽車輕量化,以及與5G建設相關的通信基站、天線罩、通信雷達等方面。今年即使受新冠肺炎疫情影響到全球產業鏈,同時檢疫變緩,複合材料風電葉片需要的原材料如輕木、碳纖維等出現了一段時間的供應緊張,但風電葉片的產量增長卻達到了最高峰。
  • 日本開發出新型熱塑性碳纖維複合材料 高強度、具有防靜電特性
    日前,日本的金澤工業大學與從事工業廢棄物處理和回收的三榮興業公司合作,開發出了比以往的碳纖維複合材料強度更高,而且抗靜電性能優異的新型熱塑性碳纖維複合材料(CFRTP)。研究團隊開發了一種」增容劑「,不僅抑制了傳統相容劑導致碳纖維複合材料導電性的降低的問題,而且即使碳纖維的纖維長度短,在保持剛性的同時,也能夠提高注射成形和擠出成形等成形性。
  • 碳纖維複合材料成功用於海洋環境平臺加固修復
    根據日本東麗公司官方網站發布的信息,在對總部同樣位於東京都中央區三井海洋開發株式會社(以下簡稱「三井海洋」)設計、製造並在後續運行維護的浮動式海洋石油生產、存儲和卸貨系統(FPSO:Flating Production,Starge and Offloading system)以及浮動式儲油卸油系統(FSO:Flating Stage and Offloadingsystem)進行修復時,東麗公司聯合三井海洋共同開發了基於碳纖維增強塑料
  • 【行業資訊】高分子複合材料在裝甲防護上的研究與應用進展
    因此,高性能纖維抗彈複合材料用於裝甲防護,能夠大幅度地減輕裝甲質量,或在相同質量條件下提供更高的抗彈性能,是解決裝甲裝備輕量化與強防護矛盾的關鍵材料技術。1.裝甲防護用纖維複合材料研究與應用進展纖維複合材料是採用高性能纖維織物或混雜纖維織物,在一定的工藝條件下與樹脂基體複合而製得的具有較高防彈性能、能滿足特定防護需求的材料。
  • 【倒計時10天】2020(第九屆)全國碳纖維產業發展大會
    2016年起帶領波客團隊研究和實踐車輛碳纖維複合材料部件正向研發,為泛亞、上汽、北汽、廣汽、東風、前途、眾泰等開發數十個碳纖維四門三蓋及白車身加強件,為中車集團下屬多家公司提供軌道車輛碳纖維複合材料結構正向研發服務和軟體、主編《Fibersim複合材料設計與技術應用》一書。
  • 【復材資訊】可減輕汽車重量的複合材料輸出軸
    與汽車驅動軸不同,汽車輸出軸在製造複合材料外殼時不能將軸長度作為一個因素。取而代之的是,其他有益的特性使得複合材料輸出軸能夠與金屬軸競爭,特別是在電動汽車中。在許多四輪驅動和全輪驅動車輛中,鋼驅動軸被分段以提供必要的扭矩和振動性能特徵。
  • 一文了解碳化矽陶瓷相關特性與應用領域
    碳化矽主要的四大應用領域,即功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。磨料在工業上應用非常廣泛,特別是加工高精度的零件或者很硬的零件,磨料磨具必不可少。 2.碳化矽複合材料碳化矽基複合材料(SiC-CMC)以其高韌性、高強度和優異的抗氧化性能等在宇航領域的高溫熱結構方面得到了廣泛的應用。SiC-CMC的製備過程包括纖維預製成型、高溫處理、中間相塗層、基體緻密化和後處理。
  • 新型玻璃纖維複合材料 為軌道設備穿「盔甲」
    記者近日獲悉,由西南交通大學、貴州省材料產業技術研究院與相關應用企業聯合完成的「軌道交通高強阻燃型玻璃纖維複合材料和產品的研製及應用」日前在四川成都通過成果鑑定。研發團隊成員、中鐵八局集團公司高級工程師田德彬說,目前可用於軌道交通產品研發的複合材料主要有碳纖維增強複合材料和玻璃纖維複合材料兩類,但前者製造成本較高且多用在機車車輛產品的研發上,相比之下採用玻璃纖維複合材料進行系列產品研發,推廣應用價值更好。
  • 精選 | 我們可以生產T1000超高強度碳纖維了
    近日,在連雲港市召開的"QZ6026超高強度碳纖維百噸級工程化關鍵技術" 項目成果鑑定會上,由國內頂尖專家組成的鑑定委員會,對中復神鷹有限公司牽頭的QZ6026項目進行了現場考察,詳細了解T1000級超高強度碳纖維的工藝流程,認為其技術已經達到國際先進水平,並已形成規模化生產,可以加快市場推廣。
  • 高性能材料碳纖維,是否可以應用於船舶製造領域?
    江蘇博實科技:碳纖維複合材料因自身重量輕、強度高、耐高低溫等特點,被廣泛應用於航空航天、高鐵汽車、土木建築、體育休閒等領域。除此之外,碳纖維複合材料還具有優良的抗疲性能、耐腐蝕性以及優良的施工性能等,這讓碳纖維複合材料在有著特殊要求的海洋領域的應用前景中同樣不容小覷。
  • 【科普知識】軍工材料:複合材料用途詳解
    由於纖維材料在高溫下仍能保持較高的強度,所以纖維增強複合材料,如碳纖維增強樹脂複合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基複合材料在耐熱性方面更顯示出其優越性,如鋁合金的強度隨溫度的增加下降很快,而用石英玻璃增強鋁基複合材料,在500°C下能保持室溫強度的40%。碳化矽纖維、氧化鋁纖維與陶瓷複合,在空氣中能耐1200~1400°C的高溫,要比所有超髙溫合金的耐熱性高出100°C以上。
  • 碳纖維機械臂力學性能該如何評判?
    因此,力學性能是評判碳纖維複合材料能否適用於工業機械手臂的關鍵因素。本文以江蘇博實碳纖維生產的碳纖維機械臂作為闡述對象,對碳纖維機械手臂力學性能做個解讀。一、碳纖維機械臂的拉伸性能碳纖維機械臂的拉伸強度主要是指軸向的拉伸,即在一定的條件下,機械臂收到軸向力時的軸向抗拉力和抗拉強度。
  • 光威復材—國內最大的碳纖維軍品供應商,市場份額達到70%
    今天簡單說下光威復材,公司1992年成立於山東威海,2017年登陸創業板,成為國內第一家碳纖維上市公司。公司實際控制人是陳亮、王言卿。光威復材擁有碳纖維全產業鏈布局,產品範圍覆蓋原絲、碳纖維、織物、預浸料、複合材料、碳纖維製品和機械設備。
  • 碳纖維材料與玻璃纖維材料比,哪個好?
    江蘇博實科技:碳纖維和玻璃纖維都屬於新材料中的無機非金屬材料,都能作為複合材料中的增強材料。常會有人將這兩種材料進行比較,今天博實帶大家來分析一下兩者各有什麼優缺點。 什麼是碳纖維?,所以碳纖維產品在損壞後無法修復只能更換;4、目前應用較多的是熱固性碳纖維複合材料,二次回收困難,重複利用率差。