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輕質(zhì)和高強(qiáng)的先進(jìn)材料在低能耗、高性能飛機(jī)制造過(guò)程中一直發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及人類(lèi)不斷呼吁關(guān)注氣候和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，在航空全產(chǎn)業(yè)鏈執(zhí)行“脫碳”策略已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)。近年來(lái)，從自然界生物中獲得的原材料，以及由此制成的生物復(fù)合材料，為飛機(jī)設(shè)計(jì)師和材料工程師提供了改善未來(lái)飛行器氣動(dòng)性能和環(huán)境性能的新選擇。
50年前，超過(guò)70％的飛機(jī)都是由一種材料制成的，即鋁。大到機(jī)身和機(jī)體結(jié)構(gòu)部件，小到發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件，隨處可見(jiàn)鋁合金的身影。鋁合金重量輕、成本低廉的特點(diǎn)，使其在航空工業(yè)中擁有了廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)。從那時(shí)起，一代又一代金屬材料（鈦、鋼、新型鋁合金、高溫合金），先進(jìn)復(fù)合材料（碳纖維、玻璃纖維、聚合物樹(shù)脂）以及其他尖端新材料的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，持續(xù)改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃油效率。近年來(lái)，隨著工程師致力于進(jìn)一步釋放未來(lái)飛機(jī)的潛力，新興的一類(lèi)高性能材料——生物復(fù)合材料正在為進(jìn)一步改善飛行性能和環(huán)境性能提供更多可能。
近日，空客公司官網(wǎng)刊文，對(duì)目前應(yīng)用較多、未來(lái)應(yīng)用前景較好的生物復(fù)合材料進(jìn)行了介紹。
生物復(fù)合材料：輕質(zhì)且可回收
正如目前廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造的復(fù)合材料一樣，生物復(fù)合材料也是由基體（樹(shù)脂）和增強(qiáng)體（纖維）構(gòu)成，不過(guò)所有的基體和增強(qiáng)體都來(lái)自自然生物，或由自然界中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制造而成。由于具有眾多的優(yōu)勢(shì)——輕質(zhì)、靈活、經(jīng)濟(jì)、高效且可回收的特點(diǎn)，生物復(fù)合材料目前得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。
生物復(fù)合材料的原材料來(lái)自可再生資源：如生物質(zhì)、植物、農(nóng)作物、微生物、動(dòng)物、礦物質(zhì)甚至是生物廢料等。這些原材料需要通過(guò)物理、化學(xué)手段轉(zhuǎn)化為生物復(fù)合材料。生物復(fù)合材料可以單獨(dú)使用，也可以與傳統(tǒng)材料（如碳纖維、玻璃纖維等）互補(bǔ)使用。
常見(jiàn)的生物復(fù)合材料可由以下一種或幾種組成：
天然纖維：可從動(dòng)物、植物或礦物質(zhì)中獲得的纖維，不過(guò)不需要碳化過(guò)程（即將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳或含碳?xì)埩粑锏倪^(guò)程）。
生物質(zhì)碳纖維：生物質(zhì)（如藻類(lèi)、纖維素、木質(zhì)素）主要用于生產(chǎn)原料以及進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為纖維和樹(shù)脂的原材料。
生物樹(shù)脂：樹(shù)脂是高粘性物質(zhì)，可以轉(zhuǎn)化為聚合物。生物樹(shù)脂來(lái)自生物體，主要來(lái)源包括植物油、生物質(zhì)或生物廢物等。
在航空航天工業(yè)中，生物復(fù)合材料可用于以下領(lǐng)域：
客艙和貨艙：客艙和貨艙內(nèi)零部件需要符合可燃性、煙密度和毒性以及散熱性等相關(guān)要求。
一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)：這些部位涉及較高的結(jié)構(gòu)載荷，因此需要改善機(jī)械性能和疲勞性能。
輔料：主要應(yīng)用于飛機(jī)非主承力結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助性功能的材料，或在工廠中生產(chǎn)復(fù)合材料部件所需的輔助材料。
生物復(fù)合材料中常用的原材料
甘蔗廢料也稱(chēng)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(yáng)能的“高效轉(zhuǎn)換器”，因此能夠產(chǎn)生大量的生物質(zhì)。
甘蔗廢料是纖維素纖維的重要優(yōu)質(zhì)來(lái)源，可用作生物復(fù)合材料的“填充劑”，也可通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物精煉的方式獲得生物基呋喃樹(shù)脂。呋喃生物基聚合物與恰當(dāng)?shù)奶烊焕w維或回收的纖維（例如，回收得到碳纖維等）結(jié)合使用，可應(yīng)用到飛機(jī)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)中。
無(wú)論是微觀物種還是大型海藻，水藻類(lèi)都是簡(jiǎn)單的光合作用生物，能夠結(jié)合大氣中的二氧化鐵并將其轉(zhuǎn)移為生物質(zhì)。
就像其他生物質(zhì)一樣，水藻可作為碳原料，主要用于生產(chǎn)目前在傳統(tǒng)復(fù)合材料中應(yīng)用碳纖維的前驅(qū)體或樹(shù)脂的單體。利用這種方式獲得的生物復(fù)合材料可以提供與當(dāng)前應(yīng)用在飛機(jī)上的現(xiàn)有復(fù)合材料相同的機(jī)械性能。
玄武巖纖維是以天然玄武巖拉制的連續(xù)纖維，是玄武巖石料在1450~1500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)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(zhì)。玄武巖纖維無(wú)害，具有出色的抗沖擊性和耐火性，其機(jī)械性能與玻璃纖維相似，但由于其組分并不復(fù)雜，因此具有制造工藝更簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
這種直接從自然玄武巖中制造的纖維可在多領(lǐng)域取得不同的應(yīng)用效果。其中包括可穩(wěn)定登月站3D打印結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生隔熱效果，改善過(guò)濾系統(tǒng)，同時(shí)也可為宇航服提供編織材料。
竹是一種輕質(zhì)、可快速生長(zhǎng)且具有高彈性的生物，同時(shí)也是一種天然復(fù)合材料，主要由嵌入木質(zhì)素基質(zhì)中的纖維素纖維組成。
天然竹纖維與生物基體或傳統(tǒng)樹(shù)脂基體相結(jié)合可以帶來(lái)許多好處，例如，減少環(huán)境影響和改善機(jī)械性能等。