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未来的飞机:石墨烯航空航天应用愿景和案例

  • 来源:Versarien,DT新材料编译
  • 阅读量:489
  • 时间:2020-09-17 13:42:27

 

  早在2018年3月,英国航天工程研究所(Aerospace Technology Institute, AIT)发表了一份“GRAPHENE Explotation Material Application in Aerospace”的报告,展示了其与曼彻斯特大学关于石墨烯在航空航天应用的研究成果。

 

目前,ATI资助的石墨烯研究项目有7项,总资助金额为140万英镑,如下所示:

 

  1. CTES-低成本,高性能复合材料类模具项目-15万英镑

  2. 纳米增强航空航天内饰材料项目(NEAT)-15万英镑

  3. 石墨烯复合材料防雷击评价项目-30万英镑

  4. 电磁磁通成像扫描仪项目(EMFIS)-38万英镑

  5. 石墨烯增强航空胶粘剂项目-30万英镑

  6. HPI影响分类系统(HP1ICS)-15万英镑

  7. 喷墨印刷石墨烯复合材料项目-15万英镑

 

2020年4月,欧洲石墨烯旗舰计划委员会启动两个石墨烯航空航天项目

 

  1. 460万欧元-石墨烯热电防冰系统(与空客和Sonaca合作)

  2. 480万欧元-下一代航空航天过滤技术(与Lufthansa Technik公司合作)

 

正文 · 目录

1.        轻量化

2.        添加剂制造

3.        阻燃

4.        机场基础设施

5.          防雷击

6.        防冰系统和传感器

7.        电气化

 

1. 轻量化

关键词:石墨烯基复合材料、内饰、尾翼

 

  据统计,飞机重量每减少1%,可以每年节省数十亿美元的燃油消耗。超高纵横比、高刚度和表面改性的可能性使石墨烯为飞机轻量化设计打开一扇新的大门。在过去的10年中,石墨烯被杂化到碳纤维复合材料中,已经证明有利于纤维与树脂体系之间的界面结合,同时可以进一步提高机械性能。

 

  Aernnova公司,Grupo Antolin Ingenieria公司和空客合作开发了石墨烯基复合材料尾翼,研究发现随着石墨烯的加入,复合材料表现出更高的力学和热学性能,从而使尾边变薄,降低其重量,同时保持其安全性。

 

2. 添加剂制造

关键词:PAEK纳米复合材料、石墨烯功能化、六方氮化硼

 

  ATI在2018年发布的报告中指出,添加剂制造技术和石墨烯是复合材料行业潜在的革命性技术。

 

  目前,Qioptiq公司领导的开发多功能PAEK纳米复合材料的项目(F4PAEK)已经建立,其中石墨烯供应商2D Tech Ltd.也参与了项目。

 

  石墨烯功能化专家Haydale Ltd.公司和PAEK供应商Victrex Manufacturing Ltd公司合作,为20000多架飞机提供PAEK产品,他们还在考虑其他二维材料,比如六方氮化硼(hBN)在PAEK复合材料中的应用。

 

3. 阻燃

关键词:热塑性塑料、玻璃钢复合材料、内饰部件

 

  碳纤维和玻璃纤维可以增强各种热塑性和热固性基体聚合物,广泛应用于机翼、甲板、舱 室、推进系统、轴承、冷却系统等飞机部位,然而,聚合物中树脂是有机的,易燃且燃烧过程中释放有毒气体。

 

  目前,Versarien公司正在研究石墨烯在热塑性塑料和玻璃钢复合材料中的应用,目的是开发应用于航空航天舱内部件的阻燃材料,相关材料已经获得美国联邦航空管理局(FAA)火灾测试实验室的认证。

 

4. 机场基础设施

关键词:石墨烯增强沥青、路面建造、路面修复

 

  研究表面,在沥青中加入3-6%重量比的石墨烯纳米片,可以将弯曲强度提升130%,而且铺装速度更快,可以减少15-40%的铺装时间。

 

  这项技术由Iterchimica公司开发,联合石墨烯供应商Directa Plus和米兰的Bicocca大学共同开展相关研究测试。石墨烯增强沥青的预期全寿命成本比传统沥青低,这是因为其使用寿命更长,维护成本更低。

 

  目前,这项技术正在罗马的Fiumicino机场测试,该机场是意大利最大机场,每年有有4000万人次的客运量,跑道供波音777和空客A380等重型客机使用,测试周期1年,到2020年底结束。

 

5. 防雷击

关键词:石墨烯表面涂层、多壁碳纳米管增强预浸料、电子系统外壳

 

  航空航天用碳纤维复合材料的显著缺点是导电性差, 因此,CFRP组件容易受到雷击的破坏。

 

  石墨烯可以添加到表面涂层(底层或底漆)中,以具有防雷击、除冰、抗电磁干扰、紫外和腐蚀等多功能。

  

  Haydale公司开发了了一系列功能化石墨烯和多壁碳纳米管增强预浸料用于防雷击,可用作结构部件以及航空电子系统的外壳。该材料是空客,BAE Systems公司, GE Aviation公司和Element Materials Technology Warwick等公司的合作项目中开发的。在海上风力涡轮发电中也有很大的应用前景。

 

6. 防冰系统和传感器

关键词:石墨烯基热电防冰系统、风洞实验、表面涂料

 

  电热防冰系统已经在商用飞机上得到了应用。这项系统的防冰涂层含有大量石墨和炭黑颗粒的聚合物,可以为有效除冰提供足够电导率。

 

  目前, GF Spearhead项目正在为空客开发石墨烯电热防冰系统,项目参与方包括石墨烯供应商Versarien和Nanesa公司,以及零部件供应商Sonaca公司,这项系统将在风洞实验中进行严格测试。

 

  类似的还有GRAPHICING项目,该项目由欧洲委员会(EC)支持。瑞典国防和安全制造商SAAB、澳大利亚国家科学机构CSIRO和Signet International Holdings公司也有相关研究项目。

 

7. 电气化

关键词:化学气相沉积、航空航天发动机系统布线

 

  铜线是电子设备通信电缆和电路最常用的元件之一。

  但是铜本身的性质(比如表面的天然氧化物层)限制了其在轻质电缆和耐热电子电路的应用。

 

  近期,Versarien公司宣布与曼彻斯特大学石墨烯工程创新中心(GEIC)合作,采用化学气相沉积的方法,直接在铜导线表面生长石墨烯,预计可以去除25μm直径电线上100nm厚的氧化物层,使铜线重量减少1%,同时提高其导