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一文了解碳纖維在城市空中交通中的潛在應(yīng)用?
2020-6-16
來源:未知
點(diǎn)擊數(shù):  7664        作者:未知
  • 一文了解碳纖維在城市空中交通中的潛在應(yīng)用

    來源: 碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)|

     

    發(fā)表時(shí)間:2020-06-16

    點(diǎn)擊:473

    城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)有望成為下一重大的交通創(chuàng)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(huì)是UAM的核心,因?yàn)樗梢蕴峁└咝?、可靠和具有成本競爭力的運(yùn)輸工具。材料一直是當(dāng)今飛機(jī)效率的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力,對(duì)于新興的UAM市場來說,材料將更加重要。

    UAM重點(diǎn)是電動(dòng)飛機(jī),以提供清潔、綠色和高效的運(yùn)行,而輕質(zhì)材料是關(guān)鍵。減輕結(jié)構(gòu)的重量會(huì)增加載貨量或載客量,增加車輛的行駛里程,降低運(yùn)行所需的能量,從而改善UAM的整體碳足跡。復(fù)合材料損壞時(shí)也可以修復(fù),需要時(shí)可以回收利用。制造過程中產(chǎn)生的廢料可以重新利用,報(bào)廢結(jié)構(gòu)可以回收再利用。與傳統(tǒng)制造方法相比,增材制造技術(shù)還可以減少車輛的重量,使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的廢物少,能源少。

    輕便

    減輕UAM的重量是減少系統(tǒng)碳足跡的最佳方法之一。航空旅行的一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是每公斤重量每小時(shí)運(yùn)營費(fèi)用0.01美元(1%)。如果飛機(jī)每年飛行2000小時(shí),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(huì)導(dǎo)致較低的運(yùn)營成本、更多的貨物容量以及較低的推進(jìn)和提升系統(tǒng)成本。碳纖維復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度高,已成為航空航天系統(tǒng)的首選材料。增材制造技術(shù)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(shè)計(jì)以及使用填充碳纖維的熱塑性塑料來提高剛度來進(jìn)一步減輕重量。

    可修復(fù)

    復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損壞時(shí)可以修復(fù)。游船和游艇一般都是用復(fù)合材料建造的,幾十年來,為了使這些系統(tǒng)保持在最低限度的浪費(fèi),人們一直在進(jìn)行修補(bǔ)。修復(fù)工具包可以與系統(tǒng)一起進(jìn)行,以便可以在任何時(shí)候和任何地方對(duì)UAM損壞進(jìn)行維修。

    可回收

    當(dāng)部分損壞無法修復(fù)或關(guān)鍵部分無法修復(fù)時(shí),復(fù)合材料是可回收的。碳纖維可以從固化的復(fù)合材料中回收再用于其他產(chǎn)品。熱塑性復(fù)合材料通常可以通過加熱和改造材料來重復(fù)使用。樹脂系統(tǒng)可以被熱解回收碳纖維,熱解過程可以產(chǎn)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(fù)合材料作為一種安全可靠的材料,已在航空航天工業(yè)中應(yīng)用多年。事實(shí)上,碳纖維復(fù)合材料比金屬機(jī)身需要更少的維護(hù)、不腐蝕,并且更耐振動(dòng)疲勞。UAM聲學(xué)性能也是一個(gè)非常重要的考慮因素,無論是對(duì)乘客的舒適性,還是對(duì)其將要運(yùn)行的城市環(huán)境。與蜂窩芯材料相結(jié)合的復(fù)合材料可以被定制來抑制來自發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)設(shè)備的大部分噪音。復(fù)合材料還可以調(diào)諧為電磁頻率傳輸和吸收,這將成為通信和傳感器系統(tǒng)(將成為這些系統(tǒng)的一部分)的重要需求。

    航空航天認(rèn)證

    碳纖維復(fù)合材料和蜂窩芯系統(tǒng)在航空航天飛行器中的應(yīng)用已有50多年的歷史,并得到了廣泛的認(rèn)可。新一代商用飛機(jī)是用50%重量的碳纖維復(fù)合材料制造的。碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)良的剛度和強(qiáng)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(qiáng)度、剛度和重量都是非常重要的。在航空航天領(lǐng)域使用復(fù)合材料的豐富經(jīng)驗(yàn)可用于新興的UAM市場。

    無噪音

    幾十年來,復(fù)合材料和蜂窩芯系統(tǒng)被用來抑制噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音。新型蜂窩芯系統(tǒng)進(jìn)一步降低了航空系統(tǒng)的噪聲,可用于抑制電力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的噪聲。復(fù)合材料剛度可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行修改和控制,以抑制振動(dòng),提供更平穩(wěn)和更安靜的乘坐。如果這些系統(tǒng)要在城市環(huán)境中廣泛運(yùn)行,一個(gè)安靜的UAM系統(tǒng)將是關(guān)鍵。

    電磁屏蔽

    天線和通信系統(tǒng)對(duì)UAM系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。天線罩是用來保護(hù)天線的,它們是由復(fù)合材料制成的,通過電磁透明提供對(duì)環(huán)境的保護(hù)。隨著UAM所需的傳感器和通信系統(tǒng)的日益增多,大量的電磁信號(hào)將進(jìn)入空域。復(fù)合天線罩可以調(diào)諧到選擇性頻率,這將允許UAM通信系統(tǒng)僅針對(duì)其需要的頻率,并過濾掉不需要的電磁信號(hào)。

    負(fù)擔(dān)得起

    隨著UAM市場的發(fā)展,生產(chǎn)的車輛數(shù)量將超過目前飛機(jī)和旋翼機(jī)的數(shù)量,并將開始接近汽車生產(chǎn)。汽車生產(chǎn)方法需要非常高的資本和工具成本,并且只對(duì)大批量生產(chǎn)平臺(tái)有經(jīng)濟(jì)意義。復(fù)合材料所需的資本設(shè)備和工具更少,這意味著它們可以用于小批量生產(chǎn),然后可以隨著更多的自動(dòng)化而擴(kuò)大規(guī)模。機(jī)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(shù)為該過程帶來了更多的自動(dòng)化。材料的更快固化和加工提供更高的生產(chǎn)率,同時(shí)仍然保持質(zhì)量和性能。復(fù)合材料的可擴(kuò)展性使其成為合適的材料,適合于更大批量的生產(chǎn)。

    可擴(kuò)展制造

    隨著UAM行業(yè)的發(fā)展和壯大,它將需要可擴(kuò)展的制造流程,而這些流程無法隨著市場而高效增長。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的小批量生產(chǎn)可以用最少的資金投入來進(jìn)行。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以用簡單、低成本的工具手工鋪設(shè),也可以用簡單的烘箱固化。

    自動(dòng)化

    隨著產(chǎn)量的增加,復(fù)合材料制造可以自動(dòng)化。對(duì)于當(dāng)今大多數(shù)航空制造業(yè)來說,使用機(jī)器人系統(tǒng)將材料放置在工具上,材料的組裝、檢驗(yàn)和后處理基本上可以自動(dòng)化。這使得每個(gè)零件的成本隨著生產(chǎn)量的增加而降低。如果可以用干纖維預(yù)制件制造大型集成結(jié)構(gòu),然后在一次操作中進(jìn)行灌注和固化,則可以使用灌注和壓縮成型。增材制造技術(shù)是一種完全自動(dòng)化的技術(shù),可以創(chuàng)造獨(dú)特和高效的結(jié)構(gòu)。

    分布式制造

    隨著市場的發(fā)展,復(fù)合材料有能力擴(kuò)大制造規(guī)模,也有利于分散制造,在這種制造方式下,車輛可以小批量生產(chǎn),但離車輛使用地點(diǎn)更近。由于不需要高昂的資本設(shè)備成本,企業(yè)可以創(chuàng)建一系列微型工廠,使它們能夠降低風(fēng)險(xiǎn),使工廠更接近市場需求,并創(chuàng)建靈活、負(fù)擔(dān)得起的敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)。

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