自适应复合材料降低航空航天生产成本,提高可持续发展能力

据谢菲尔德大学先进制造研究中心(AMRC,英国Catcliffe)介绍,其复合材料研究人员目前正处于欧洲范围内的MASTRO项目的核心位置,该项目旨在开发自响应的航空航天复合材料,据称该项目将大大降低航空业的温室气体排放和生产成本,因为该项目正致力于实现2050年的净零目标。

在这个项目中,该大学正在与16个工业合作伙伴合作,这些合作伙伴的任务是为智能交通领域开发智能散装材料,这是欧盟研究与创新计划Horizon 2020的一部分。

“MASTRO内部有三个部分:汽车、基础设施和航空航天。AMRC与Embraer一起领导项目的航空航天部分。我们正在开发三项主要技术:自固化、自抗冰和自感应。”AMRC复合材料中心的研究工程师Matthew Collinson说。

AMRC团队正在通过整合碳纳米管(CNTs)开发材料–以十亿分之一米为单位测量–这些材料可以变成智能产品,现在已经可以展示他们取得的进展。

“在前一年半的时间里,我们一直在努力开发材料,所以下一阶段是开发智能演示器,”马修补充道。”现在,我们已经达到了可以建造一段复合材料前沿机翼的程度,以便展示我们开发的自固化、自防冰和自感应材料。”

此外,根据AMRC的说法,这三项技术的发展核心是复合材料结构的导电性,随着行业向更多的电气化飞机发展,这一点至关重要,最终目标是有一天实现完全电动化。

“首先,自固化是这些复合材料的新制造技术。目前,它们是在高压釜中制造的,但它们的运行速度可能很慢,而且成本很高。通过复合材料纤维运行电流,作为加热元件来固化组件,可以更便宜,更快速,并且使用更少的能源。它还能补充我们在防冰方面的工作,”Matthew说。

AMRC复合材料中心技术负责人Betime Nuhiji博士说,使用高压釜加热复合材料结构的另一个缺点是,工程师受到其尺寸的限制。”高压釜可以生产出高质量的零件,但它需要大量的能量、大量的时间,你只能制造出和高压釜一样大的零件,”Nuhiji说。”波音787 “是在世界上最大的高压釜中制造的,但建造这些巨大的高压釜成本很高,不可持续,也不实用。团队开发了一种加热系统,将电源直接连接到复合材料结构上,并通过电流使其加热,就像加热元件一样。”

Nuhiji继续介绍了利用电流加热复合材料结构的好处,他指出,虽然有很多好处,但 “主要是能量输出低,设备成本低。还有就是对加热的紧密控制,因为当你关闭烤箱时,它仍然是热的,所以你仍然在有效地加热零件;当你关闭电力系统时,没有更多的电力通过它。”

马修说,类似的技术正在被用来研究自防结冰。”目前,飞机通过从发动机中抽取热空气融化冰块来清除表面的冰块,但这需要从发动机中获取动力,效率较低。正因为如此,我们一直在开发一种不需要在组件中单独设置加热元件的电防冰系统。

“与这两项技术相联系的是自感应,监测零件的电阻以检测损坏。当你出现几乎不可见的冲击损伤(BVID)时,电阻会发生变化,这样你就可以监测到这一点,并检测出损伤的位置。BVID是航空工业非常感兴趣的东西,因为在复合材料结构上很难通过目视检测来检测,而目前他们是这样做的。”

Matthew补充说,为了实现这些智能功能,需要代表树脂进行一些开发。”在复合材料内,纤维是导电的,但树脂是电绝缘的,”他说。”开发这些散装材料的部分项目是通过将碳纳米管混合到树脂中,使组件更具导电性,这样整个部分都是导电的,而不仅仅是纤维。”

据Matthew说,这样做应该会增强MASTRO项目的各个方面。据报道,自固化和抗结冰将表现得更好,因为热量分布更均匀,这反过来又能提高损伤检测反应,因为整个复合材料–而不仅仅是纤维–是导电的。

然而,Betime说,现在的挑战是创建面板,复制这些材料在飞机机翼前沿的真实环境中需要如何使用。

“在项目开始时,我们在较小的面板上进行了大量的试验,以优化如何检测损坏和有效固化,”他说。”现在,我们需要提升规模;我们要展示的最终演示器是前沿,它有两米长。”

据马修介绍,COVID-19大流行意味着MASTRO项目的工作不得不在夏季短暂放缓,但AMRC团队所进行的工作的实物展示即将到来。

“我们在2020年初开始了最新的工作包,即制造两个演示器–它们的性能略有不同–然后完成设计并开始制造。我们被推迟了,但我们现在已经制造出了第一个自固化、自抗冰和自感应的部分,可以很快开始测试。”

MASTRO项目的总体目标是开发智能型散装材料,结合自响应特性,提高消费者的安全性、部件寿命和性能,同时降低维护和制造成本以及温室气体排放。

该项目由欧盟 “地平线2020 “研究计划资助,资助协议号为760940,项目名称为MASTRO。

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