在全球航空业碳减排的时代大潮中，英国FlyZero项目发布先进材料研究报告，确立了下一步关键材料领域的三项关键战略建议和十个核心材料挑战。
FlyZero项目是由英国政府支持、英国航空航天技术研究所牵头，整合英国工业界与学术界力量，致力于零碳排放商业飞行，旨在于2030年前完成零碳排放飞机研制工作并投入商业运营。
该项目于2020年正式启动，在第1年内首先开展战略研究，探讨零碳排放飞机概念的研制难点和市场潜力，并于2022年3月发布一系列研究报告，确定未来零碳排放飞机的商业可行性和工业化路线图，同时对英国工业能力以及市场和经济方面进行评估。
其中，《先进材料报告》汇集了2021年以来FlyZero项目的相关研究成果，并确立了下一步的研究重点，提出关键材料领域的三项战略建议和十项挑战。这项报告紧贴英国零碳排放商业飞行研究实践，反映了当前英国民机材料研究的最新成果及未来部署，是发展绿色航空不可多得的参考。
材料领域的战略建议
因为绿色液态氢是最可行的零碳排放燃料，有可能扩展到使用燃料电池、燃气轮机和混合动力系统的大型飞机，因此该报告重点围绕氢燃料提出三项战略建议。
一是英国需建立新的氢环境材料测试设施。截至目前，英国没有设施能够满足在一定温度、氢气环境、所需规模中进行力学测试的要求，急需建立新的材料测试设施，鉴定现有的和新的材料和涂层，同时还需要制定新的测试标准以满足商业航空航天的要求。
二是英国需为用于氢环境的材料研发筹备资金。氢是最小的原子，可以迅速扩散到大多数工程材料中，并对其力学性能造成重大负面影响。在开发专门用于氢环境的先进材料之前，需要对氢的相互作用进行更多的研究。英国需为现有材料和新材料建立数据库，从而实现更有效的创新。
三是英国需专注材料的可持续发展。航空航天业可能面临可持续发展方面越来越大的监管压力，具体表现为在研发生产过程中需确保产品可回收，采用低碳材料，并使用节能、节省材料、低污染的加工和生产技术。
材料领域的核心挑战
结合材料技术的关键领域发展情况，FlyZero项目研讨会确定了现有飞机系统所用材料中存在的十项核心挑战，如表1所示。这些挑战既是推动氢动力飞机发展的关键因素，也是引领零碳排放商业飞行材料创新的方向。
表1 英国FlyZero项目确定的材料领域10项核心挑战
1、氢燃料系统和储氢罐
储氢罐的轻量化是液氢动力飞机发展的关键驱动力，可通过几种材料技术实现轻量化。一是设计新型低密度铝锂合金；二是使用已广泛用于高压储氢罐的碳纤维增强复合材料。然而，当温度在室温和低温之间循环时，现有牌号的材料会产生微裂纹。对于需要内衬/涂层来防止氢气逸出的储氢罐，需开发新的树脂配方和设计抗微裂纹的复合系统来增强其稳定性。对于使用金属基复合材料以及多种材料混合的储氢罐，需要进一步研究其实现轻量化的方案。
截至目前，英国至少有两家公司为航空航天行业开发液态氢储存材料。空客公司使用ZEROe演示器研究液氢动力商业飞行，并在布里斯托尔进行燃料系统设计。吉凯恩航空（GKN）公司正领导一个名为H2GEAR的项目，为英国开发支线客机的液氢推进系统。英国在复合材料及其部件的制造方面具有很强的研究能力，但国内缺少能开发新型铝合金的公司。目前，仅由位于范堡罗的TISICS公司研究铝合金基复合材料储氢罐。
英国FlyZero项目的中型概念飞机，其中绿色部分为氢气罐。
英国FlyZero项目的支线飞机概念图。
在固态储氢方面，FlyZero项目评估了一系列材料对固态氢存储的适用性，这些材料有能力捕获泄露或蒸发的氢气以提高安全性，然而储存氢的重量也仅为系统总质量的15%，因此，固态储氢系统不太可能与液态储氢竞争。
目前固态储氢材料只是一个活跃的研究领域，英国暂时还没有可商用的固态储氢材料。
2、氢气涡轮机
采用氢作为零碳排放航空燃料，需要对燃氢的燃气轮机热端材料和涂层进行选材优化。镍基高温合金是构成航空燃气轮机热端（包括燃烧室和涡轮）的主要材料。现有镍基材料对氢气具有敏感性，可能需要开发新的耐氢合金，特别是用于没有涂层的部件，同时也需考虑其他高温合金或陶瓷基复合材料。
英国罗罗技术中心在镍基高温合金开发方面有着悠久的历史，并且致力于研究氢对这些材料的潜在作用，并减轻它的影响。
现代燃气轮机利用一系列涂层来保护底层材料免受腐蚀和氧化的影响，从而提高性能并延长维修间隔时间。与镍基高温合金一样，这些涂层已经针对煤油的燃烧进行了数十年的优化。煤油燃烧会产生水蒸气，而氢气燃烧产生的水蒸气含量是煤油的250%以上，涂层所处环境发生了巨大变化，需要对所有现有涂层（包括环境屏障涂层、热障涂层、耐磨涂层等）重新鉴定并开发新的涂层系统。
英国材料矿物研究所表面分部、热喷涂和表面工程协会以及涂料供应商通过结合材料、表面工程、腐蚀和界面知识，使英国在液氢燃气轮机涂层领域位居世界前列。
3、燃料电池
质子交换膜燃料电池有作为支线飞机动力的潜力，也可作为所有飞机的辅助动力装置。这两个领域的研究重点都受到了汽车行业的影。目前，燃料电池的核心材料没有显著的挑战，但也存在一些有意义的问题。
电池可以用作带有燃料电池或燃气轮机的混合动力系统的一部分，提供峰值功率以帮助起飞。在提高电池功率方面，锂硫电池和锂离子电池（使用新型阳极材料以提高性能）目前比较有发展潜力。
2017年以来，法拉第研究所在支持英国电池研究方面发挥了重要作用，但目前尚无类似组织来支持燃料电池的研发。英国在用于质子交换膜燃料电池的催化剂涂层膜和膜电极组件方面世界领先，目前庄信万丰公司为汽车行业开发和制造这些产品。
Electro Flight公司的电力推进用电池模块。
4、电力电子、机器和设备
在航空航天的电气化方面，材料需要满足更高功率密度和更高效率的要求。永磁电机中的硬磁材料和软磁材料在机器的设计和使用中发挥着至关重要的作用。硬磁材料中的钕铁硼磁铁是最常使用的稀土磁铁，广泛应用于新能源汽车及飞机的控制系统、燃油系统等。与钕铁硼磁铁相比，钐钴永磁体功率密度较低，但具有更高的热稳定性，适用于电子通讯、电子干扰与对抗等国防装备领域。稀土铁氮永磁材料，如氮化铁和钐铁氮是正在研发的第四代稀土永磁材料，尚未进入商业化生产阶段。软磁材料中的铁钴软磁合金是高功率密度电机的首选软磁材料，可用于航空发电机和电动机等，但目前对此类合金的研究文献较少。
环境和社会可持续性以及供应安全与磁性材料特别相关，稀土硬磁材料可能会受到供应链问题的影响。英国一些大学及工业组织正从事硬磁材料和软磁材料开发创新的回收技术。总部位于埃尔斯米尔港的Less Common Metals公司在稀土硬磁材料的制造、回收和供应方面处于世界领先地位。
当前的半导体器件技术基于硅，虽然这项技术已经成熟，但有明显的性能限制，无法用于高压（>1kW） 电力系统和电动传动系统。硅器件的最高工作温度、开关速度、电流和电压额定值以及与硅的电动传动系统相关的能量损失导致了电动传动系统的尺寸相对庞大，效率较低，还需要配置复杂的冷却系统。
硅的替代品，特别是宽带隙和超宽带隙材料具有许多优越的性能，有可能在效率、复杂性、体积和重量方面取得改进。碳化硅和氮化镓是具有高性能宽带隙的半导体，目前已经用于某些较低电压和较低功率的领域。碳化硅材料和器件技术在高压、大功率航空航天电力系统（包括电力传动系统）方面具有潜力。氮化镓更适合甚高频系统。氧化镓、金刚石等超宽禁带半导体理论上也具有应用潜力，但仍处于探索和概念论证阶段。
英国在功率半导体科学、工程和制造方面具有一定的能力，整个行业由学术界和独立研究机构、初创企业、中小型企业以及在英国有研发基地的外国公司组成，还拥有多个硅铸造厂。在英国政府投资的支持下，它们有可能生产硅半导体器件的替代品。
目前，现代飞机上的电力系统电压不高，难以应用轻质高效的动力系统。如果不显著提高电压，即使采用强制低温冷却和新型半导体，也无法支持高于10 MW的配电系统。不过，超导材料可能带来新的解决方案。稀土钡铜氧化物和二硼化镁等材料在液氢温度（-253℃）下具有超导性，可制成超导动力系统组件，包括超导机器、超导电力网络电缆和超导母线。在低于1 kV时，超导材料的输送电流的效率极高。因此，可以在不显著增加电压的情况下开发20 MW以上的超导动力系统。
英国低温和超导动力系统可以采用英国原子能管理局（UKAEA）的STEP核聚变计划的研究成果。这两个行业利用相同的供应链生产超导磁体、大电流引线、接头、低温支撑部件和超导电缆。英国已经发展了新兴的超导工业，总部位于剑桥的Epoch Wires公司可以制造长度超过30km的二硼化镁第二代高温超导线材。
5、空气动力学结构
为研究零碳排放商业飞行的可行性，为技术探索和学习提供平台，英国研发了三型FlyZero飞机概念。FlyZero团队确定了下一步将研究用于减轻重量、改进空气动力学性能和优化结构的先进材料，以减少非二氧化碳排放（即氮氧化物和水蒸气）、氢燃料燃烧和服务期间的运营成本，同时寻求降低零件制造成本。
多功能复合材料是一个重要研究领域，例如，储能、数据传输、热量管理、结构健康监测、辐射透明结构。石墨烯等纳米材料可制成具有内置传感、除冰和雷击保护三种功能的器件。改性碳纤维复合材料可用于集成电池和超级电容器的动力单元。
伦敦上空的FlyZero概念飞机图。
英国有几所大学、研究技术机构和公司在研究多功能复合材料。例如，先进制造研究中心是欧盟“地平线2020”智能运输行业材料项目的合作伙伴，着眼于各种新型复合材料概念，如自感应、自除冰、自固化、自修复和自保护，以提高消费者安全性、组件寿命和性能，同时降低维护和制造成本。
新材料的认证成本较高，会影响工业化应用的进程。例如，非标准叠层、纤维转向和混合工艺（例如包覆成型）等，都在走向工业化应用。认证成本很大一部分与测试有关，为减少测试成本，业界开发了一系列虚拟测试方案。这些虚拟测试方案需要依赖更底层的单位或子组件测试数据，还需要增加过程监测、无损检测和结构健康监测数据。英国是多家原始设备制造商的所在地，他们正在开发更快、更有效的认证方法。例如，为期5年的CerTest项目，由布里斯托大学领导，巴斯大学、埃克塞特大学和南安普顿大学参与，空客、BAE系统公司、罗罗、吉凯恩航空航天公司、艾伦图灵研究所、CFMS和国家复合材料公司共同提供支持。
在绿色航空的发展过程中，新材料、新工艺一直是推动技术进步的重要推手，以美国、欧盟为代表的航空强国和各大民机制造商都在这方面花费了大量的精力。
英国作为第一个承诺到2050年实现净零排放的主要经济体，在过去10年中，碳减排量比任何其他发达国家都要多。作为英国国家层面最大的民机研制项目，FlyZero项目吸纳了工业界、学术界、研究机构广泛参与，采用了先进的设计技术及虚拟验证技术来缩减研发周期和成本，这对于促进航空领域绿色材料的快速成熟具有重要的推动意义，有望给整个航空领域带来巨大进步。
中国民航局印发的《“十四五”民航绿色发展专项规划》，也高度关注民机的绿色发展，而材料是绿色发展的基础。因此，借鉴英国先进材料领域的发展思路和项目布局，加大对民机前沿材料技术研究的经费投入，积极开展关键领域的预先研究和技术攻关，在新一轮航空技术革命中占据先机，是决策者需要提前思考的重大议题。
