Новый класс материалов, который может изменить конструкцию самолетов
Легкие и высокопрочные материалы неизменно играют ключевую роль в создании экономичных и высокопроизводительных самолетов. Сегодня био-композиты, изготовленные из сырья биологического происхождения, дают инженерам новое понимание того, как улучшить экологические характеристики самолетов будущего.
Какие био-композиты могут помочь нам улучшить экологические характеристики?
В это трудно поверить, но всего пять десятилетий назад до 70% самолетов были сделаны из одного материала: алюминия. Легкий, недорогой и широкодоступный алюминий использовался в конструкции множества деталей и узлов самолетов, от фюзеляжа до основных частей двигателя. С тех пор конструкция самолетов значительно улучшилась благодаря использованию совремнных материалов, от металлов (титан, сталь, новые сплавы) до композитов (углеродное и стекловолокно, полиэфирные и эпоксидные смолы).
Сегодня появляется новый класс высокоэффективных материалов – био-композитов, который предлагает новые возможности для улучшения экологических характеристик самолетов, а инженеры стремятся раскрыть их потенциал с прицелом на будущее.
Био-композиты: легкие и пригодные для вторичной переработки
Композитные материалы биологического происхождения, как и современные композиты, состоят из матрицы (смолы) и волокна, однако при этом имеют биологическое происхождение. Они все чаще используются в промышленности благодаря своим многочисленным преимуществам: они легкие, гибкие, экономичные и пригодные для вторичной переработки.
Сырье для био-композитов получают из возобновляемых природных ресурсов: биомассы, растений, сельскохозяйственных культур, микроорганизмов, животных, минералов и биологических отходов. Для превращения этого сырья в био-композиты, которые можно использовать отдельно или в дополнение к стандартным материалам, таким как углеродное и / или стекловолокно, требуется их химическое и / или механическое преобразование.
Сегодня био-композиты могут состоять из одного или нескольких из следующих компонентов:
- Натуральные волокна: эти волокна могут быть получены из животных, растений или минералов. Они не требуют процесса карбонизации (т. е. Преобразования органического вещества в углерод или углеродсодержащий остаток)
- Углеродные волокна биомассы: биомасса (т.е. водоросли, целлюлоза, лигнин) используется для создания исходного материала и сырья для дальнейшего преобразования в волокна и смолы
- Био-смолы: смолы - это высоковязкие вещества, которые превращаются в полимеры (т. е. материалы). Био-смолы имеют биологическое происхождение и получаются в основном из растительных масел, биомассы или био-отходов
В аэрокосмической промышленности био-композиты могут применяться в следующих областях:
- Кабина и грузовой отсек: для этих применений требуются улучшенные показатели FST (воспламеняемость, плотность дыма и токсичность) и тепловыделения
- Первичные и вторичные конструкции: эти связано с высокими структурными нагрузками и, следовательно, требует улучшенных механических характеристик и долговечности
- Вспомогательные материалы
Рассмотрим на сырье для био-композитов:
Отходы сахарного тростника, также известные как «жмых», представляют собой сухой мясистый материал, который остается после извлечения сока из стеблей сахарного тростника. Поскольку сахарный тростник широко доступен и является высокоэффективным преобразователем солнечной энергии, он способен производить большие объемы биомассы.
Отходы сахарного тростника - отличный источник целлюлозных волокон, которые можно использовать в качестве «наполнителя» в био-композитах. Его также можно использовать в фурановых смолах на биологической основе, которые получают путем химической конверсии или био-переработки. Биополимеры фурана в сочетании с подходящими натуральными или переработанными волокнами (например, переработанным углеродным волокном) могут использоваться для внутренней отделки самолетов.
Водоросли - это простые фотосинтезирующие организмы, от микроскопических видов до крупных водорослей, способные связывать CO2 из атмосферы и передавать его биомассе.
Водоросли, как и другая биомасса, могут использоваться в качестве углеродного сырья для воспроизведения мономеров, используемых для производства современных прекурсоров углеродного волокна или смол в стандартных композитах. Таким образом, этот подход может позволить био-композитам иметь те же механические свойства, что и существующие композиты применения в авиации.
Базальтовые волокна состоят из вулканических пород. Неопасные, обладающие превосходной ударопрочностью и огнестойкостью, базальтовые волокна имеют механические свойства, аналогичные стеклянным волокнам, но с преимуществом более простого производственного процесса из-за их менее сложного состава.
Волокна, полученные непосредственно из горных пород, могут использоваться для различных целей, включая стабилизацию напечатанной на 3D-принтере конструкции лунной станции, создание теплоизоляции, улучшение систем фильтрации и обеспечение тканями костюмов космонавтов.
Бамбук - легкий, быстрорастущий и очень эластичный - это натуральный композитный материал, состоящий из целлюлозных волокон, встроенных в лигниновую матрицу.
Натуральные бамбуковые волокна в сочетании со смолами на биологической основе или стандартными смолами могут обладают массой преимуществ. К ним относятся снижение воздействия на окружающую среду и улучшение механических характеристик.
Безусловно, применение био-композитов – дело будущего, но уже сегодня компания INEOS Composites вносит свой вклад в улучшение экологической обстановки в мире, предлагая широкий ассортимент смол на полиэтилентерефталата, для создания которых используются ненужные пластиковые бутылки от напитков.