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碳纖維及其復合材料在城市空中交通中的潛在應用

發布時間：2020-06-17

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城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）有望成為下一重大的交通創新。與今天的出租車或共享單車類似，UAM可提供空中交通，消除街道上的擁堵，并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，對于新興的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，增加車輛的行駛里程，降低運行所需的能量，從而改善UAM的整體碳足跡。復合材料損壞時也可以修復，需要時可以回收利用。制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。與傳統制造方法相比，增材制造技術還可以減少車輛的重量，使復雜的結構產生的廢物少，能源少。

輕便

減輕UAM的重量是減少系統碳足跡的最佳方法之一。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。碳纖維復合材料重量輕、強度高，已成為航空航天系統的首選材料。增材制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

復合材料結構損壞時可以修復。游船和游艇一般都是用復合材料建造的，幾十年來，為了使這些系統保持在最低限度的浪費，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，復合材料是可回收的。碳纖維可以從固化的復合材料中回收再用于其他產品。熱塑性復合材料通常可以通過加熱和改造材料來重復使用。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

碳纖維復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，碳纖維復合材料比金屬機身需要更少的維護、不腐蝕，并且更耐振動疲勞。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復合材料可以被定制來抑制來自發動機和旋轉設備的大部分噪音。復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

碳纖維復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，并得到了廣泛的認可。新一代商用飛機是用50%重量的碳纖維復合材料制造的。碳纖維復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復合材料的豐富經驗可用于新興的UAM市場。

無噪音

幾十年來，復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，可用于抑制電力驅動和轉子系統的噪聲。復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，它們是由復合材料制成的，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。復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，并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，并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，并且只對大批量生產平臺有經濟意義。復合材料所需的資本設備和工具更少，這意味著它們可以用于小批量生產，然后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制造等制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。復合材料的可擴展性使其成為合適的材料，適合于更大批量的生產。

可擴展制造

隨著UAM行業的發展和壯大，它將需要可擴展的制造流程，而這些流程無法隨著市場而高效增長。復合材料結構的小批量生產可以用最少的資金投入來進行。復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，復合材料制造可以自動化。對于當今大多數航空制造業來說，使用機器人系統將材料放置在工具上，材料的組裝、檢驗和后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。如果可以用干纖維預制件制造大型集成結構，然后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。增材制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。