今年標志著中國低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的起點，它涵蓋了無人機、低空飛機、空中出租車等多種航空器，預(yù)示著一個巨大的產(chǎn)業(yè)正在形成。隨著低空經(jīng)濟的快速增長，它為物流、農(nóng)業(yè)、緊急服務(wù)、旅游等多個領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新性的改變，同時也為復合材料的應(yīng)用提供了新的舞臺。
復合材料因其輕質(zhì)、高強、耐蝕和可塑性等優(yōu)點，成為制造低空航空器的理想材料。在這個追求效率、續(xù)航和環(huán)保的低空經(jīng)濟時代，復合材料的使用不僅影響著航空器的性能和安全，也是推動整個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
從碳纖維增強的無人機機翼到玻璃纖維制成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，復合材料的創(chuàng)新不斷為低空經(jīng)濟的增長提供動力。低空經(jīng)濟與復合材料的緊密聯(lián)系在技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級中得到體現(xiàn)。隨著全球?qū)Φ涂疹I(lǐng)域的政策逐漸放寬，以及新材料和工藝的不斷涌現(xiàn)，復合材料在低空航空器領(lǐng)域的應(yīng)用正面臨前所未有的機遇。讓我們來深入了解一下低空航空器中使用的復合材料。
1、碳纖維復合材料
低空經(jīng)濟的快速增長不僅為物流、農(nóng)業(yè)、緊急救援、旅游等多個行業(yè)帶來了創(chuàng)新性的變革，也為復合材料，尤其是碳纖維的使用提供了巨大的發(fā)展空間。
碳纖維因其輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕等特性，成為低空飛行器制造的理想材料。它不僅能夠減輕飛行器的重量，還能提升性能和經(jīng)濟效益，成為傳統(tǒng)金屬材料的有效替代品。據(jù)中國復合材料工業(yè)協(xié)會引用Stratview的數(shù)據(jù)，空中汽車中超過90%的復合材料為碳纖維，剩余約10%為玻璃纖維。在eVTOL飛行器中，碳纖維被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件和推進系統(tǒng)，占比約75-80%，而內(nèi)部應(yīng)用如橫梁、座椅結(jié)構(gòu)等占12-14%，電池系統(tǒng)、航空電子設(shè)備等占8-12%。
國內(nèi)領(lǐng)先的eVTOL制造商，如億航智能、小鵬匯天、峰飛航空等，在其設(shè)計方案中均采用了碳纖維復合材料。例如，小鵬匯天的旅航者X2的旋翼槳葉和起落架也使用了碳纖維復合材料。這些應(yīng)用展示了碳纖維在低空經(jīng)濟中的重要作用，同時也預(yù)示著對碳纖維的大量需求。
隨著全球?qū)Φ涂疹I(lǐng)域的政策逐步放開，以及新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，碳纖維在低空飛行器中的應(yīng)用正迎來前所未有的發(fā)展機遇。預(yù)計單臺eVTOL對碳纖維的需求量在100-400kg之間，這為碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)的發(fā)展和升級提供了廣闊的空間。
預(yù)計到2030年，eVTOL的全球訂單量將達到8000架，其中商務(wù)電動飛機約1700架，其余為eVTOL，約為6300架。eVTOL的機身結(jié)構(gòu)大量采用碳纖維復合材料，單臺eVTOL對碳纖維需求在 100-400kg 之間，有望拉動千噸級需求。這種材料的使用量占到了機身自重的70%以上，其中超過90%的復合材料為碳纖維。按照碳纖維與樹脂7:3的比例計算，單臺eVTOL對碳纖維的需求量大約在97-363公斤之間。因此，隨著eVTOL產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)計將為碳纖維帶來600-2300噸的增量需求。
2、玻璃纖維復合材料
玻璃纖維增強塑料（GFRP）以其耐腐蝕、耐高低溫、耐輻射、阻燃和抗老化的特性，在低空飛行器如無人機的制造中發(fā)揮著重要作用。這種材料的應(yīng)用有助于減輕飛行器重量，增加有效載荷，節(jié)省能源，并實現(xiàn)美觀的外觀設(shè)計。因此，GFRP已成為低空經(jīng)濟中的關(guān)鍵材料之一。
在低空飛行器的生產(chǎn)過程中，玻璃纖維布被廣泛用于機身、機翼、尾翼等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的制造。其輕質(zhì)特性有助于提高飛行器的巡航效率，并提供更強的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。
對于需要優(yōu)異透波性能的部件，例如雷達罩和整流罩，通常采用玻璃纖維復合材料。例如，高空長航時無人機和美國空軍的RQ-4“全球鷹”無人機，其機翼、尾翼、發(fā)動機艙和后機身使用碳纖維復合材料，而雷達罩和整流罩則選用玻璃纖維復合材料，以確保信號的清晰傳輸。
中國商飛生產(chǎn)的ARJ21支線客機使用了大約2%的復合材料，其中包括在方向舵和翼梢小翼上使用的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，以及在翼身整流罩和機頭雷達罩上使用的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。在航空航天領(lǐng)域，玻璃纖維的應(yīng)用不僅限于提升結(jié)構(gòu)性能，它在飛機的外觀設(shè)計中也扮演著重要角色。
例如，玻璃纖維布可以用于制造飛機的整流罩和窗戶，這不僅提升了飛機的外觀美感，還增強了乘坐的舒適度。同樣，在衛(wèi)星設(shè)計中，玻璃纖維布也可用于構(gòu)建太陽能電池板和天線的外表面結(jié)構(gòu)，從而提升衛(wèi)星的外觀和功能可靠性。
3、芳綸纖維復合材料
采用仿生天然蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)設(shè)計的芳綸紙蜂窩芯材，因其優(yōu)異的比強度、比剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而備受推崇。此外，這種材料還具備良好的隔音、隔熱和阻燃性能，在燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧和毒性都非常低，這些特性使其在航空航天和高速運輸工具的高端應(yīng)用中占據(jù)了一席之地。
盡管芳綸紙蜂窩芯材的成本較高，但它常被選作飛機、導彈、衛(wèi)星等高端裝備的關(guān)鍵輕質(zhì)材料，特別是在需要寬頻透波性能和大剛性次受力結(jié)構(gòu)部件的制造中。
輕量化效益
芳綸紙作為關(guān)鍵的機身結(jié)構(gòu)材料，在eVTOL這類低空經(jīng)濟的主要飛行器中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是作為碳纖維蜂窩夾心層的使用，這一技術(shù)已經(jīng)被全球領(lǐng)先的eVTOL制造商，如Joby、Archer、億航和峰飛等廣泛采用。
在無人機領(lǐng)域，Nomex蜂窩材料（芳綸紙）的應(yīng)用同樣廣泛，它被用于機體外殼、機翼蒙皮和前緣等部位。例如，法國制造的奧科爾多用途無人機豺2樣機就采用了玻璃纖維/碳纖維/芳綸纖維復合材料的設(shè)計。
泰和新材在上海復材展上展示的無人機起落架和管材結(jié)構(gòu)件，就是由芳綸復合材料制成，這些部件通過芳綸預(yù)浸料的搓管工藝制備，主要用于低空飛行器，具有輕量化和高韌性的特點。
防護性能
芳綸纖維在無人機的防護部件和防彈裝甲中的應(yīng)用，顯著提升了無人機在惡劣環(huán)境下的生存性，并保護了關(guān)鍵部件不受損害。
4、其他夾芯復合材料
低空飛行器，例如無人機，在制造過程中除了使用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等增強材料外，還廣泛采用了蜂窩、膠膜、泡沫塑料和泡沫膠等夾層結(jié)構(gòu)材料。
在夾芯材料的選擇上，常用的有蜂窩夾芯（如紙蜂窩、Nomex蜂窩等）、木質(zhì)夾芯（如樺木、桐木、松木、椴木等）以及泡沫塑料夾芯（如聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯泡沫塑料）。
泡沫夾層結(jié)構(gòu)因其防水、漂浮的特性以及能夠整體填充機翼、尾翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)空腔的工藝優(yōu)勢，在無人機機體結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。
以美國波音公司開發(fā)的X-45A無人戰(zhàn)斗機為例，其機身采用了低溫固化預(yù)浸料，而機翼則采用了泡沫樹脂夾芯（FMC）技術(shù)，顯著降低了制造成本，比傳統(tǒng)方法減少了一半。
在設(shè)計低速無人機時，對于強度要求不高、形狀規(guī)則、大曲面且易于鋪放的部件，如前翼安定面、垂尾安定面、機翼安定面等，通常采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。對于形狀復雜、小曲面的部件，如升降舵面、方向舵面、副翼舵面等，則傾向于使用泡沫夾層結(jié)構(gòu)。而對于需要較高強度的夾層結(jié)構(gòu)，可能會選擇木質(zhì)夾層。對于那些同時需要高輕度和高剛度的部件，如機身蒙皮、T型梁、L型梁等，則通常采用層壓板結(jié)構(gòu)。這些部件的制造需要預(yù)成型，并根據(jù)所需的面內(nèi)剛度、彎曲強度、扭轉(zhuǎn)剛度和強度要求，選擇合適的增強纖維、基體材料、纖維含量及層合板，以及設(shè)計不同的鋪設(shè)角度、層數(shù)和鋪層順序，并通過不同的加熱溫度和加壓壓力進行固化。（來源：互聯(lián)網(wǎng)）
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