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将纳米材料“注入”未来飞机

据新华社消息空客(北京)工程技术中心与中国国家纳米科学中心近日在北京宣布共同设立“复合材料实验室”,标志这一航空业巨头将与在全球纳米研究具有重要地位的中国顶尖科研机构联手,展开纳米功能复合材料在航空领域的前沿探索与工程应用研发。 

  “空客与中国科学家的在纳米材料上展开合作,把产业的需求与最尖端的技术研发结合起来,这是我们都期待着的未来。”空客(北京)工程技术中心总经理程龙说。

  共同目标:从科研到工程

  从纸飞机、木头飞机、金属飞机再到复合材料飞机,人类的飞行梦越飞越高。空中客车公司和中国顶尖科研机构的科学家决定携手探索未来——将纳米材料“注入”飞机,探寻让飞行变得更轻量、更安全、更高效的新可能。 

  “交通运输工具的轻量化和安全性是永恒的主题,关乎节能环保和乘客人身安全。复合材料以及进一步的智能材料,是解决这些问题的重要途径。”中国科学院院士、清华大学教授范守善说。 

  纳米科技是上世纪90年代初开始引发全球极大关注的新兴科技,甚至被认为能够将人们认识、改变微观世界的能力提高到前所未有的高度。 

  纳米,是从国际通用名称音译而来的长度度量单位。一根发丝的直径大约是0.05毫米,如果把它剖成25亿根,那么每根的直径就是1纳米。当体量小却能量大的纳米材料带着传统材料不具备的物理、化学等“奇异”特性进入飞机,未来的飞机和我们的飞行将会怎样? 

  “材料如果要成为‘可用的材料’,必须有行业介入。科研必须产业结合去创造出新一代材料。”范守善说。

  航空:“纳米”的新天地

  从微观世界的纳米材料研究到庞大飞机机体上的现实应用,纳米与航空业的连接注定不会是一步之遥,但前景是可见的。空客与中国科研人员决定,一道探索纳米材料与航空的“跨界”未来。 

  在人类百余年的航空发展史中,航空动力与材料的进步始终是拉动行业进步的重要力量。比如,在上世纪60年代开始研究的碳纤维复合材料已经成为当今新一代飞机的标志性特征。 

  “大量碳纤维复合材料的加入让新一代飞机的重量更轻,机舱湿度和压力环境更宜人,实现经济性和舒适性的跃升。”纳米科学中心研究室主任张忠说,比如在空客最新宽体客机A350XWB上,碳纤维复合材料占到飞机重量的52-53%,体积则超过80%。 

  张忠说,通过纳米颗粒可有效提高碳纤维和高分子材料的界面性能,从而对整个结构的性能有非常明显的提高。这些碳纤维的直径在7至8微米,但其界面在亚微米或纳米尺度。 

  “通过纳米改性,高分子材料的机体可以有效地提高它的界面性能,从而带来复合材料性能的提高。”张忠说。 

  目前,其团队的研究方向包括:通过纳米技术提高复合材料韧性,提高碳纤维复合材料导电的特性,通过复合材料制备具有“自愈合”等能力的智能材料,通过纳米材料制备出探测传感器来开展飞机结构的“健康检测”。 

  科研人员将让纳米材料的“神奇”特性在航空业大展身手。比如,复合材料在运行和加工过程中都可能会形成一些纤维和界面破坏的缺陷,有可能对飞机的运行安全带来巨大的隐患,而纳米颗粒则可以有效地阻止这些缺陷的形成和扩大。

  “我们还在探索具备自修复能力的智能材料,将修复材料制备在微胶囊中。飞机出现破损划痕后,微胶囊的材料可以自修复整个复合材料的体系,机体的力学性能和其他性能将得到提高。”张忠说。

  迈向未来:航空的新可能

  航空业是以安全性为生命线的行业,任何材料和技术被应用于航空业都意味着要迈进一个门槛非常之高也更值得期待的未来。 

  “从新材料问世到符合航空业认可并应用的安全、长寿命、高可靠性材料,我们要经历非常艰苦、长期的奋斗过程。它背后可能是一代人,甚至几代人的付出,才有了航空业的进步。”范守善说。 

  纳米材料作为一个更新、更年轻的领域,在民航业尚没有得到应用,这也意味着这个领域的探索不仅将带来航空材料的创新,甚至引发航空业的某些革命性变化。 

  程龙表示,空客此次与中国科研院所的合作是其在全球首次展开纳米材料领域的合作,将展开“立足长远”和“着手当下”两条主线。 

  “在长期发展的主线上,我们并不追求在短期或者几年内快速地应用于某个具体产品上,而是把航空业的需求提给科学家们进行探索性研发。”程龙说。 

  另一条主线则追求快速落实到产品的应用——将科研机构半成熟或有一定进展的技术与空客的行业资源、研发能力结合,实现技术到工程的快速应用。 

  “纳米材料实现在航空业的真正应用,将有一个很长的过程。但是今天就必须开始做,因为我们有一个共识——这代表未来。”范守善说。