分析 | 绿色航空:生物基和可回收材料的探索

航空产业网 2024-04-12

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随着环境问题日益受到重视,可持续发展理念在全球范围内不断深入人心,航空制造业正朝着更加环保、可持续的方向发展。在这一背景下,生物基与可回收材料因其环保属性和良好性能,逐渐成为行业热门研究领域。

生物基材料是指全部或部分由可再生生物质原料制成的材料,主要包括生物塑料、生物纤维复合材料等;可回收材料则主要是指能够在一定温度下熔融重塑、实现材料级循环利用的热塑性复合材料。


来源:NASA

生物基与可回收材料在航空领域的发展

回溯五十多年前,高达 70% 的飞机都由单一材料制成:铝。铝质地轻、价格便宜且用途广泛,因此被用于制造各种飞机部件,包括从机身到其他主要部件;随后,从金属(钛、钢、新型铝合金)到复合材料(碳纤维和玻璃纤维、聚合物和环氧树脂)等其他材料的出现改善了飞机的整体设计。现如今,生物基与可回收材料等绿色航空材料的出现,为改善环境性能提供了更多的可能性。

生物基材料发展较早,可追溯至20世纪50年代。随着环保意识的增强,21世纪初期新型生物塑料如PLA、淀粉酯等不断问世,为航空领域提供了新选择。亚麻纤维增强聚合物(FFRP)、菌丝基复合材料、竹纤维复合材料等材料的应用标志着生物基材料已进入航空制造领域。

可回收材料起步相对较晚。因传统热固性复合材料难以回收利用的问题日益凸显,随后热塑性复合材料的出现,可实现材料级回收。

近年来以热塑性复合材料为代表的可回收材料应用场景不断扩大。目前,国外航空航天工业已经大量使用热塑性复合材料,从碳纤维/ PPS 材料的G650的垂直尾舵,到PPS热塑性复合材料的空客A380翼前缘等各领域都在大规模使用。

常用热塑性基体的主要性能参数如下:


近年来,随着环保政策的日益严格和发展理念的不断转变,生物基和可回收材料正逐步进入航空制造业的供应链体系,在飞机座椅、内饰、副结构等部件领域取得初步应用。

但要实现规模化推广,仍需持续创新来提升材料的综合性能,降低制造成本,并建立完善的技术标准体系。

生物基与可回收材料在航空领域的应用

在具体应用上,生物基与可回收材料呈现出不同的发展态势。国际方面,许多航空公司和飞机制造商已经开始采用并取得了一定的成果。而在国内方面,虽然起步较晚,但也在逐步发展,已然成为航空领域的新兴力量。

国际方面:

1.法国多家企业联合进行一项名为“BAMCO”的项目,该项目旨在研发一种由竹纤维制成的新型生物基复合材料。这种更加环保的复合材料可用于替代玻璃、酚醛类树脂基复合材料,应用在飞机的机舱内部盖板、机身包覆盖板和机载厨房等部位。根据公开资料,欧洲丽萨航空将成为全球首家使用由新型生物基复合材料生产的驾驶舱部件的客户。

2.空客与德国AMSilk公司展开合作,共同研发一种利用合成蛛丝纤维制成的新型复合材料。这种由合成蛛丝纤维制成的新型复合材料被称为“生物钢”,是由慕尼黑工业大学的一项科研成果衍生出的新材料。简单来说,这种新材料是一种由蛛丝蛋白制成的生物高分子材料。科研人员利用植入了蜘蛛基因的细菌发酵来获得这种蛋白质,并将其应用到商业领域。


来源:AIRBUS

3.波音与HRL实验室、加州大学尔湾分校共同研发一种比泡沫塑料还要轻100倍的超轻金属材料。这种名为“微晶格”(microlattice)的材料,99.99%是中空结构,也就是99.99%是空气,其余0.01%是相互连接的3D多孔聚合物中空管,中空管的厚度只有头发丝直径的千分之一。

据波音公司介绍,如果将一只鸡蛋包在这种材料里,从25楼扔下地面,鸡蛋也不会有任何损伤,中空多孔结构使其具备了超高吸能特性,即便本体被压缩50%之后也能轻易还原。此外,这种新材料比泡沫塑料要轻100倍,和骨骼的构造差不多。在波音公开的一段视频中,研究人员可以轻易地将微晶格金属吹起来,它就像羽毛一样轻轻地飘到空中,然后缓慢落地。波音表示,这种材料如果能够应用于飞机制造,将大大降低飞机的重量,实现更高的燃油效率。

4.Lufthansa Technik研发的AeroFLAX 定位为首款可再生、生态高效的航空航天级预浸渍织物。Aeroflax采用ampliTex和powerRibs亚麻纤维增强材料,使用植物纤维和生物树脂(而非玻璃或碳纤维)作为原料,可减少二氧化碳的排放,且能减重20%。该材料可用于机舱侧壁、天花板、门框内衬或厕所盖板,目前技术成熟度(TRL)处于5~6之间。


来源:Lufthansa Technik

5.Suspens项目由位于法国南特的 IRT Jules Verne研究和技术中心领导,目标是开发含有95%以上生物来源环氧树脂和聚酯的树脂,并与由天然纤维、回收碳纤维和玻璃纤维制成的可持续增强材料相结合。该项目于2023年1月开始,计划持续3.5年。

6.波音与中国商飞宣布将合作研发可持续飞机客舱材料:苎麻纤维增强聚乳酸基复合材料(RRP)。该材料与制造民用客机客舱部件的传统塑料相比,具有重量轻、强度高、100%可降解等优点,该项目由中国商飞-波音可持续航空技术中心具体执行。

7.空客和德国斯塔德的复合材料技术中心重新设计SMC,混合型SMC将短纤维化合物与连续纤维预浸料和单级压缩成型相结合,为飞机机舱、货物和二级结构应用生产轻质,复杂和集成的零件。

8.空客与比利时复合材料芯供应商EconCore公司、丹麦技术大学(DTU)和弗劳恩霍夫公司合作,为A320飞机开发一种由热塑性蜂窝夹层复合材料制成的可回收方向舵。

9.空客在中国启动首个全球飞机回收项目:空客生命周期服务中心(ALSC)。空客生命周期服务中心投资超60亿元人民币,旨在提高飞机零部件和材料的回收率,使飞机90%以上的重量可以回收。


来源:AIRBUS

10.2023年波音宣布扩大“环保验证机”计划,并表示将使用其旗舰“环保验证机”飞机777-200ER(增程型)测试包括使用回收碳纤维和基于生物原料的树脂制成的可持续结构壁板、100%兼容可持续航空燃料的光纤油量传感器以及电子飞行管理应用程序等19项技术。

国内方面:

1.佰恩丽?生物基可降解膜材:佰恩丽?是国内首款新型生物基可降解膜材,已成功应用于航空食品和用品的包装,具有低碳排、可降解、高透明、可印刷热封等特点。

2.碳纤维复合材料废弃物回收技术:上海交通大学的研究团队成功开发了国内第一项拥有完全自主知识产权的碳纤维复合材料回收技术和装备,这对于解决碳纤维复合材料废弃物处理问题,推动行业的可持续发展具有重要意义。

国内生物基和可回收材料发展现状分析

在政策方面,自2001年“十五”计划以来,我国已连续二十多年倡导生物制造业、生物基材料的发展。

2014年初,由国家发改委、财政部、工信部、科技部、中科院等部门联合推动的“生物基材料重大创新发展工程实施方案”涉及220多亿元的产业投资。依托中科院青岛生物能源与过程研究所的中科院生物基材料重点实验室于2007年初开始筹建,并于2013年4月26日正式获批成立,实验室旨在开展生物基材料绿色转化的基础与应用研究。

2021年12月,工信部印发《"十四五”原材料工业发展规划》,提出将推进生物基材料全产业链制备技术的工程化列为技术创新重点方向,实施关键短板材料攻关行动,支持材料生产、应用企业联合科研单位,开展生物基材料、生物医用材料等协同攻关。

2022年5月,国家发改委出台《“十四五”生物经济发展规划》,将生物能源稳步发展、生物基材料替代传统化学原料、生物工艺替代传统化学工艺等进展明显列入发展目标;并提出要重点围绕生物基材料等方向,构建生物质循环利用技术体系,完善生物基可降解材料评价标准和标识制度,扩大市场应用空间。

2023年1月,工业和信息化部等六部门联合发布了《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》。该方案旨在推动基于非粮生物质的生物基材料产业创新发展,促进工农业协调发展,助力乡村振兴和美丽中国建设。该方案提出了到2025年,非粮生物基材料产业将基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态。

国内政府高度重视新材料技术的发展,特别是在航空航天领域。政府不断通过资金支持、税收优惠和研发补贴等方式,鼓励企业研发和应用生物基和可回收材料。这些政策为生物基和可回收材料在航空制造领域的发展将持续提供良好的外部环境。

除了政策支持外,佰恩丽?生物基可降解膜材的成功应用、碳纤维复合材料废弃物回收技术的开发等事件也在持续推动生物基与可回收材料在中国航空领域的发展。

国内航空领域生物基与可回收材料机遇与挑战并存

当前热塑性复合材料多数用于次承力结构,主承力结构应用相对较少。根据欧盟启动的热塑性经济可承受性航空主结构(TAPAS)项目,国外将进一步增加热塑性复合材料在当前和未来飞机上的应用比例,尤其是下一代飞机机身等主承力结构中的应用。

就国内来说,生物基与可回收材料在航空领域同样具有巨大的发展机遇,其可以满足环保需求、轻量化需求和技术创新需求。然而,其也面临着严峻的技术难题、成本压力和供应链可持续性等挑战。

机遇:

航空业环保需求不断增强。随着全球对环境保护的关注增加,航空业也开始重视材料的环境影响,并且积极寻求更环保的解决方案。生物基与可回收材料可以减少对有限资源的依赖,降低碳排放和环境污染,符合航空业的可持续发展需求。

政策大力支持。国内政府对新材料技术的发展给予了高度重视,通过政策和资金支持,推动航空新材料的研发和应用。

飞机轻量化至关重要。航空业对飞机重量的控制非常重要,因为轻量化可以降低燃油消耗和减少碳排放。生物基与可回收材料通常具有较低的密度和较高的强度,可以用于制造轻量化的航空部件,提高飞机的燃油效率和性能。

技术创新不断涌现。生物基与可回收材料的发展需要技术创新和研发投入,这为航空业提供了机会,可以通过与材料供应商和研究机构的合作,推动新材料的开发和应用,提高飞机的性能和安全性。

挑战:

技术难题待解决。生物基与可回收材料在航空领域的应用还面临一些技术挑战,如材料的耐久性、耐高温性能、阻燃性能等。这些问题需要不断通过研究和创新来解决,以确保材料在航空环境下的可靠性和安全性。

存在成本压力。生物基与可回收材料的生产成本通常较高,这可能会对航空业的应用造成一定的压力。航空业需要在平衡环保和经济效益之间做出权衡,寻找降低成本的方法,提高生物基与可回收材料的竞争力。

需建立供应链可持续性。生物基与可回收材料的供应链需要建立可持续的生产和回收体系,以确保材料的稳定供应和循环利用。这需要航空业与材料供应商、回收企业和政府等各方合作,共同推动供应链的发展和完善。

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