让人脑洞大开的新材料和新工艺

杜婷

材料作为航空业发展的基石，在航空百年的发展历程中充当了重要角色。时至今日，随着人类对于飞行速度、舒适度要求的日益提高以及运营商对于飞机效率要求的日益苛刻，制造商不断尝试使用新材料和新工艺来提高飞机性能，以更好地满足各方的要求。

从竹纤维到蜘蛛丝

尽管与传统金属材料相比，复合材料具有明显的优势，但在“绿色航空”的大背景下，这种材料却有其天生的弱点——在生产过程中，复合材料在经过固化后很难再次分解和回收利用。因此，碳纤维复合材料的废料往往只能通过填埋的方式进行处理，对环境造成了一定的影响。

为了解决这一问题，法国多家企业正在联合进行一项名为“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未来可用于替代玻璃、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。

多项试验数据表明，竹纤维比传统的玻璃纤维质量更轻，却拥有旗鼓相当的应力水平，这使得它可以成为“客舱内部具有简单几何形状的非承力或次承力结构”等部位的理想替代品。为了降低生产和使用成本，在BAMCO项目中，研制团队将这种基于生物材料的复合材料与传统制造工艺相结合，这将对材料的批量化生产起到关键作用。目前，已有一些欧洲的客舱和部件制造商对这种新材料表现出浓厚的兴趣。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。

与此同时，空客正在与德国AMSilk公司合作，共同研发一种利用合成蛛丝纤维制成的新型复合材料，并计划于今年发布由这种新材料制成的产品。

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。

目前，阿迪达斯的部分运动鞋中已经应用了这种材料，它具有更轻的质量和更好的避震性。受此启发，空客正在与AMSilk公司一起加速推进这种新材料的研发工作。如果进展顺利，空客将成为全球首家使用这种“生物钢”的航空企业。

波音在新材料的研发上也不甘落后。目前，波音正与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”（micorlattice）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，很难想象这是一种金属材料。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。

除了新材料研发之外，NASA的研究团队还“异想天开”地试图利用复合材料自身的结构和分子的排列组合来提高机翼效率。

空气动力学研究表明，机翼的形状对飞行效率有巨大的影响。从理论上来说，机翼设计的好坏取决于多种因素，如飞机的重量、飛行速度、飞行姿态等。从这个角度来说，刚性机翼并不是效率最高的机翼。为此，NASA的自适应数字复合航空结构技术团队利用碳纤维复合材料，设计了在飞行过程中可以改变形状的机翼，以求降低飞行阻力。

在这项研究中，NASA与美国麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学圣克鲁斯分校、加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校合作，使用新的复合材料来制造一种能够主动改变形状的超轻型机翼。

在NASA的这项研究中，机翼由碳纤维复合材料构件单元组合而成。这些构件单元被组装成晶格结构或以重复结构排列，构件的排列方式决定了机翼的弯曲方式。借助制动器和飞行控制系统，机翼能在不同的飞行状态下变成最合适的形态。NASA表示，这种更加智能的机翼最显著的特点是可以通过减少由诸如襟翼、方向舵和副翼等刚性控制表面所带来的阻力，从而提高飞机的空气动力学效率。

可回收，更环保

如上文所述，尽管复合材料具有很多优点，但其环保性却是一个不得不重视的问题，尤其是要解决在生产、维修和报废过程中产生的废料如何回收利用的问题。目前，波音已经开始了这方面的探索。

2018年，波音和碳纤维回收专业厂商ELG碳纤维公司签署了一项为期5年的协议。根据协议，波音将其下属多家工厂在生产过程中产生的复合材料废弃物提供给ELG碳纤维公司，并由ELG转化为二次产品。

在这项合作协议中，已固化和未固化的碳纤维废料来自11家波音复合材料制造厂，其中包括位于华盛顿州埃弗雷特的777X复合材料机翼制造中心、位于查尔斯顿的波音南卡罗莱纳工厂、位于澳大利亚的复合材料加工厂以及另外8家参与商用飞机、旋翼飞行器和其他产品制造的波音工厂。

波音表示，在正式签署合作协议前，公司已经与ELG碳纤维公司进行了为期18个月的项目试点，提供了约38万磅的复合材料废料。随着新飞机交付数量的不断增加，未来势必会产生更多对环境造成污染的复合材料废料。根据波音的规划，如果与ELG碳纤维公司合作进展顺利，到2025年，公司所有工厂所产生的固体废料进入垃圾填埋场的数量将减少20%。

对此，ELG碳纤维公司表示，公司已经与波音一起进行了大量的前期调研，以评估波音公司提供的碳纤维废料的材料特性。双方用各种聚合物（环氧树脂、PP、PA6、PA66和PPS）和工艺（液体压缩成型、预浸料压缩成型、热塑性压缩成型）评估了材料的各项机械性能——拉伸、压缩、弯曲、剪切。目前，双方第一步的目标是希望将波音提供的废料整合到ELG公司制造的碳纤维非织造产品以及用于热塑性塑料复合的短切碳纤维。

根据协议，在这份五年合同的初始阶段，ELG将把波音工厂的废料通过船舶运到ELG的英国工厂。随着飞机交付速度的加快，预计到今年年底，ELG公司从事该项目的员工将从启动时的39人增加至73人。双方希望，碳纤维回收可以像今天的金属材料一样司空见惯，尽管起步会比较艰难。

更高效、更经济

根据IATA发布的市场预测报告，2018年，全球航空公司共运送旅客43亿人次，到2037年，这一数字将增长至82亿人次。为了满足航空运输快速发展的需求，未来20年，飞机制造商至少需要交付36700架新飞机。

为了满足产能提升的需求，一些创新的生产工艺应运而生。其中，非热压罐工艺进入热固性复合材料主承力结构制造领域引发了复合材料制造体系的一场变革。由于热压罐的使用成本昂贵，同时还会限制生产效率，因此，摆脱热压罐的掣肘是复合材料生产过程中降本增效的关键。

2015年，NASA开始了第一次尝试。其对一种翼身混合体飞机的非圆柱形复合材料压力舱验证件进行了测试，该验证件采用了波音的非热压罐制造工艺。同年4月，俄罗斯航空复合材料公司交付了MC-21干线客机第一套非热压罐工艺制造的复合材料中央翼盒，该机的机翼蒙皮也由非热压罐制造，这是大型民用客机第一次采用这一技术。

在有了制造工艺的支撑后，热塑性材料开始逐步替代热固性材料，在航空器承力部件中被更多地采用。

空客表示，在A350项目之前，公司已经将热塑性材料应用在超过1500种零部件上。此外，在欧盟的框架计划下，空客还在加快大型热塑性复合材料主承力结构方面的研究。庞巴迪公司则公开了一项新型热塑性复合材料托架技术，适用于飞机机翼、中央翼盒以及油箱的液压和燃油托架，使用这种新材料生产的零部件可比金屬材料零部件减重至少40%。

随着技术成熟、成本降低，更多复合材料结构件制造商将从经济性和周期短的角度，选择非热压罐材料与工艺，这在复合材料结构件设计、制造流程，以及原材料和制造装备供应链中掀起了一场新的变革，越来越多的企业参与到这场技术变革中。

总部位于美国的Tri-Mack塑料制造公司提供了一种“混合”热塑性复合材料部件，其中具有单向纤维增强的热塑性复合材料（用于提供强度和刚度）与注塑成型工艺相结合，以实现设计灵活性。坚硬的单向碳纤维会阻碍部件生产成各种复杂的形状，而注塑成型为该部件带来了额外的功能，克服了坚硬的单向碳纤维带来的工艺性差的挑战。Tri-Mack公司表示，整个工艺过程完全实现了自动化，比制造性能相同的热固性复合材料部件周期更短。

此外，还有一些制造商另辟蹊径，通过开发复合材料纤维的3D“编织”技术来提高生产效率。

法国制造商Saint-Gobain开发了一种用于复合材料纤维的3D“编织”技术，可以将热塑性树脂纤维与增强碳纤维编织结合在一起。当部件固化时，热塑性树脂成为材料的基体，碳纤维也嵌入其中。目前，公务机制造商达索公司已经在一款“猎鹰”公务机上采用了由这种工艺生产的零部件。根据Saint-Gobain公司的规划，未来这种工艺还将推广到雷达天线罩、螺旋桨桨毂和排气整流罩等部件的制造中。