空客研发基于数字化技术的绿色、多功能、可循环复合材料|复合材料_新浪财经

材料可持续循环发展的解决方案与数字化联系日益紧密。

空客正在将预浸带回收利用，将预浸带卷剩余末端放入挤压机，使其转化为三角形条状物，制成A350机翼盖板T型长桁填料，类似于图中所示填料/条状物，但采用挤压工艺而不是3D编织工艺。

空客负责监督HELACS项目，以展示碳纤维复合材料飞机零部件拆卸与回收。

空客正在其“先锋实验室”直升机中测试生物基复合材料。

TRL级别。

“迈向航空领域的循环经济……”，由ECOCOMPASS项目发布。

陈济桁

　　空客公司长期致力于为全球航空工业的可持续发展赋能，努力引领变革行业生态，实现航空航天工业的脱碳。近年来，空客公司在可持续发展方面进行创新投资，尤其将复合材料和可循环性作为发展重点，重点聚焦包括回收、生物基材料、数字化技术等，积极布局未来技术。

　　可持续性和新飞机开发

　　空客西班牙伊莱斯卡斯工厂是空客A350飞机复合材料部件生产地。A350飞机复合材料部件的制造是空客全面推进脱碳进程的第一步，实现脱碳的主要方式在于减轻飞机重量和降低油耗，空客目前正在通过最新一代A320系列飞机为这一进程做出贡献。面向未来发展需求，空客需要新材料和更高生产效率的工业系统，以便快速提升产能并为脱碳目标做出贡献。

　　空客目前有两个优先事项，分别是单通道窄体飞机市场新替代产品以及计划于2035年投入使用的ZEROe短程氢燃料电动飞机。空客在其2023年年度报告中明确指出，将对其下一代单通道飞机和首款氢动力客机架构做出重要决定。预计两款飞机都将使用大量复合材料，因此提高全新复合材料结构制造能力是关键。例如，首先必须满足效率要求——到2027年，A320/A321系列窄体飞机的产量将增加至每月75架。

　　复合材料的未来取决于循环性

　　空客公司设置了六位“快捷通道”负责人，其任务是制定关键技术发展路线图。六个设置“快捷通道”的领域分别为材料、电气化、自动化、机载互联、工业和人工智能。其中空客公司材料“快捷通道”负责人布兰卡·索斯特·奥克（Blanka Szost-Ouk）表示，让飞机持续轻量化发展是永恒的关键，复合材料是目前可以选用的最轻材料之一，但其端到端的循环性需要不断改进。

　　复合材料因其比铝合金更加轻质的特性，成为未来飞机制造过程中的首选材料，复合材料技术也是满足降低燃料消耗和二氧化碳排放需求的关键。然而，为了确保复合材料能够成为未来首选材料，必须为复合材料生命周期中的其他领域（即除服役使用之外的领域）开发解决方案。在这些领域，复合材料对环境的影响更大——例如材料生产、废料管理和报废（EOL）等。空客对此十分关注，认为可持续发展是必须遵循的业务要求。为此，研究人员正专注为这些领域开发最佳复合材料解决方案。

　　目前，空客正努力研发由低排放源制成的树脂和纤维。在西班牙伊莱斯卡斯工厂，空客使碳纤维增强热固性预浸料获得第二次生命，利用通常会被浪费的未固化材料制造其他零部件——如A350下翼盖板长桁填料。

　　空客关注循环经济，材料是重点，而复合材料领域则是重中之重，要求必须确保生产废料和EOL部件的可回收性。伊莱斯卡斯工厂和一家大型土木工程公司Comsa进行了合作，以机械方式回收固化的复合材料废料，用作混凝土材料的加固材料。

　　该领域的另一项举措是“洁净天空2”计划中的HELACS（飞机复合材料结构报废成本有效且可持续管理的整体流程）项目，该项目从2021年1月持续到2023年12月。空客公司担任该项目的管理者，与由Aitiip技术中心（西班牙萨拉戈萨）牵头的团队合作，其中包括特鲁埃尔机场（西班牙特鲁埃尔）、Centexbel研究中心（比利时根特）和英国碳纤维回收公司Gen 2 Carbon。该项目展示了拆解和回收碳纤维复合材料飞机部件工业化且满足环境安全要求的方法。拆解技术包括水射流切割和自主机器人(19.870, 0.47, 2.42%)系统，而复合材料部件的回收主要基于热解以回收碳纤维并生产新材料。

　　多功能性、导电性和导热性

　　发展多功能化的复合材料也是空客布局未来战略的关键趋势。从金属机身逐步过渡到A350的复合材料机身，必须通过不同的解决方案应对雷击保护（LSP）。因此，某些复合材料零部件不仅提供了轻量化结构，还作为LSP系统组成部分设计导电性。空客正在基于新材料、设计和不同技术为下一代飞机开发增强型的轻量化解决方案。

　　复合材料的多功能性对于下一代飞机来说更为重要，因为未来的飞机将更加电气化，以符合国际航空运输协会、航空运输行动小组和国际民航组织制定的到2050年实现二氧化碳净零排放的航空业重要目标。空客已经制定了能源路线图，该路线图利用了空客众多活动和产品之间的协同作用，包括三个正在开展同步研究攻关的主要方向：SAF（可持续航空燃料）的渐进式开发与应用、模块化混合电动推力以及ZEROe飞机，后两者主要利用液态氢作为推进燃料。空客致力于支持这一路线，尽可能地将所需功能与复合材料可以提供的轻量化特性相结合。

　　在研发工作中，优先考虑复合材料两种功能：导电性和导热性，这些功能对于下一代飞机LSP和其他防止电磁危害的电气功能至关重要。此外，空客正在尝试寻找更多使用多功能复合材料的机会，例如，用于未来飞机的防冰功能实现等。

　　另一个优先事项是提高复合材料的热导率。空客正在研究其他燃料系统，如需要热管理的氢燃料系统。在低温液态氢潜在应用前景下，燃料电池需要大量热量输出，因此轻质复合材料中热导率功能是关键，空客正针对未来产品开展相关研究。此外，机载互联功能需求十分迫切，需要大量电线电缆、电力输出来支持数据驱动系统，而这些系统在传输越来越多的电力时会产生热量。因此，热导率问题还包括整个飞机的总体热量管理。

　　尽管多功能性可以成为未来电动和低碳排放飞机的重要推动因素，但从一开始就将新材料解决方案与机体结构减重建立联系非常重要，因为机体结构的总体要求是比现状更轻质。此前，空客曾使用过一些可持续性设计，但并不能总体实现减重，这种设计会增加运营飞机客户每次飞行的成本。因此，必须始终保持这种可持续性与减重效益的平衡——不仅要轻量化，还要能够循环利用。新材料，包括多功能复合材料，需要符合从端到端生命周期方面的关键目标——从原材料生产到EOL建立全流程管控的发展策略。

复合材料可持续性和数字化

　　寻找平衡可持续循环材料解决方案与数字化技术结合越来越紧密。例如，复合材料行业正在追求材料数字化，涉及收集和处理数字格式的数据，以实现更高效的存储、访问、可持续应用和分析，使行业能够以主动、可预测的方式使用信息，从而从原始创新到EOL阶段，改进产品全寿命周期。

　　材料可持续性是空客主要业务中交叉并与数字化相关的几条横向发展路线之一。可持续性/循环性与数字化之间存在着密切联系。例如，数据连续性是追踪零部件材料历史的关键。此外，通过数字化的解决方案，行业能够更快地实现基础创新。

　　日本碳纤维生产商东丽公司已在其名古屋研究中心建立了数字化能力，并在飞机新型阻燃预浸料产品研发过程中使用了相关方法。东丽目前正在使用“材料信息学”来缩短新材料交付周期，并将把这种方法应用于飞机和其他行业新型预浸料的导热性和导电性功能开发中。聚合物供应商沙特基础工业公司也正在使用这种方法，利用基于物理的计算平台，将开发聚合物产品的周期由数年减少为数月。效仿材料行业，空客也正在推行类似的举措。未来，在每个发展领域，数字化都是关键推动因素。空客正在全公司推动数字化，不仅是为了实现可持续循环发展，也是为了比过去更快找到解决方案。

　　推进可持续复合材料TRL

　　空客如何评估这些新的复合材料解决方案？在机身研发中，空客遵循航空业使用的典型技术成熟度（TRL）评价准则，逐步展示并验证技术的成熟度。通常空客从TRL 2或3 开始介入研发，面对更低TRL解决方案时，则主要依靠科学界和外部研究力量向空客展示可行性和应用前景。空客定义明确的标准或绩效指标，并根据这些标准评判技术的发展。

　　目前，空客的相关产品从一开始就建立了严格循环标准，甚至在TRL 3之前就进行了考虑。空客正在执行生命周期评估（LCA）或环境评估，以确保开发的产品符合可持续发展承诺和目标。

　　除广义上的可持续性，研究范围还涵盖健康与安全。在树脂方面，空客正在监测并已经预测到未来一些可能符合欧盟法规的物质合规要求，计划从源头清除安全隐患。

　　最后，根据既定标准来衡量发展情况，包括循环性和功能性。复合材料在轻量化方面具备优势，但仍需在成本方面进一步建立加强竞争力。

　　复合材料的可回收性也越来越重要。LCA的评估不仅评估将要开发的新技术，而且还要有专项任务开发更多循环复合材料解决方案，包括回收和EOL解决方案以及生物基复合材料，空客近年来在该领域已经投入了大量的精力。

合格的生物基复合材料

　　生物基复合材料的历史问题在于无法满足目前飞机所需的高性能要求。而复合材料的发展不会因为对环境损害更大而牺牲轻量化要求。空客对材料使用有规格限制，开发的任何材料都必须符合相关要求。相比现有的化石基复合材料，生物基复合材料替代品对环境的影响更小，但若想安全应用，仍须经过同样的考核验证路径。在研发与验证过程中，运用人工智能或量子计算等工具将成为铺路石。

　　2024年6月，空客在直升机上测试一种生物基碳纤维，作为替代现有碳纤维复合材料的直接解决方案。这种材料源于木材废料，因为来自生物质，而不是目前的化石基PAN前体，生产过程中的二氧化碳排放量显著降低，空客的目标是使其拥有与化石基

　　碳纤维相同性能。目前，这种碳纤维已在直升机飞行实验室中装机飞行，空客正在证明可以从生物源获得树脂和纤维，并证明其性能可用性。

　　如果考虑生物基材料，例如，来自蓖麻植物的PA11，其性能与化石基聚合物相比要弱一些，因此必须开发替代品。但这种类型的解决方案可借助数字化技术，将加快未来几年找到解决方案的能力。空客在这一领域非常活跃，不仅进行实验工作，还利用最新的创新技术支持计算。

　　供应链向前发展

　　随着实现这些可持续发展目标的努力不断加大，作为最终用户，空客非常依赖材料供应商。空客需要与他们更紧密地合作，推动材料供应商对聚合物和材料配方更加开放，因为可持续发展的要求使得材料供应商实际上必须改变现有材料的化学成分。空客正在推动整个供应链中达成合作。即使在采购方面，空客也努力支持和指导复合材料供应商，如果供应商能向空客展示材料可追溯性和循环性，空客会优先考虑符合要求的材料。为了找到航空工业需要的解决方案，供应链需要共同努力。

　　空客必须降低生产过程中的碳足迹，不仅是零部件，还有树脂和碳纤维。这是一个巨大的挑战，但对于降低LCA的影响、增加未来飞机中复合

　　材料的使用以及实现空客的脱碳目标至关重要。

　　（左上）数字技术是航空航天业实现脱碳目标的关键。（中）空客正在探索天然纤维和生物树脂作为其未来材料计划的一部分。（左下）轻质复合材料A350下翼面板在西班牙伊列斯卡斯工厂制造并送往英国布劳顿工厂。