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      ≡ 行業(yè)動(dòng)態(tài)
      
		
      一文了解低空航空器中使用的復(fù)合材料
      
		
      發(fā)布時(shí)間：2024-09-19
      
		
      
        
      

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      　　今年標(biāo)志著中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的起點(diǎn)
      ，它涵蓋了無(wú)人機(jī)
      、低空飛機(jī)、空中出租車等多種航空器
      ，預(yù)示著一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)正在形成。隨著低空經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)
      ，它為物流、農(nóng)業(yè)
      、緊急服務(wù)
      、旅游等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng)新性的改變
      ，同時(shí)也為復(fù)合材料的應(yīng)用提供了新的舞臺(tái)
      。
      


      

      

      　　復(fù)合材料因其輕質(zhì)
      、高強(qiáng)
      、耐蝕和可塑性等優(yōu)點(diǎn)
      ，成為制造低空航空器的理想材料。在這個(gè)追求效率
      、續(xù)航和環(huán)保的低空經(jīng)濟(jì)時(shí)代，復(fù)合材料的使用不僅影響著航空器的性能和安全
      ，也是推動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
      

       
      

      　　從碳纖維增強(qiáng)的無(wú)人機(jī)機(jī)翼到玻璃纖維制成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)
      ，復(fù)合材料的創(chuàng)新不斷為低空經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)提供動(dòng)力。低空經(jīng)濟(jì)與復(fù)合材料的緊密聯(lián)系在技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(fù)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(jī)遇
      。讓我們來(lái)深入了解一下低空航空器中使用的復(fù)合材料
      。
      


      

      

      　　1、碳纖維復(fù)合材料
      


      

      

      　　低空經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)不僅為物流
      、農(nóng)業(yè)
      、緊急救援、旅游等多個(gè)行業(yè)帶來(lái)了創(chuàng)新性的變革
      ，也為復(fù)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(qiáng)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(jì)效益
      ，成為傳統(tǒng)金屬材料的有效替代品
      。據(jù)中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)引用Stratview的數(shù)據(jù)
      ，空中汽車中超過(guò)90%的復(fù)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(jìn)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(guó)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(jì)方案中均采用了碳纖維復(fù)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(fù)合材料。這些應(yīng)用展示了碳纖維在低空經(jīng)濟(jì)中的重要作用
        ，同時(shí)也預(yù)示著對(duì)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(kāi)
        ，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(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇
        。預(yù)計(jì)單臺(tái)eVTOL對(duì)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(jí)提供了廣闊的空間
        。
      


      

      

      　　預(yù)計(jì)到2030年
        ，eVTOL的全球訂單量將達(dá)到8000架
        ，其中商務(wù)電動(dòng)飛機(jī)約1700架
        ，其余為eVTOL
        ，約為6300架
        。eVTOL的機(jī)身結(jié)構(gòu)大量采用碳纖維復(fù)合材料
      ，單臺(tái)eVTOL對(duì)碳纖維需求在 100-400kg 之間
      ，有望拉動(dòng)千噸級(jí)需求。這種材料的使用量占到了機(jī)身自重的70%以上
      ，其中超過(guò)90%的復(fù)合材料為碳纖維。按照碳纖維與樹(shù)脂7:3的比例計(jì)算
      ，單臺(tái)eVTOL對(duì)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(jì)將為碳纖維帶來(lái)600-2300噸的增量需求
      。
      


      

      

      　　2
      、玻璃纖維復(fù)合材料
      


      

      

      　　玻璃纖維增強(qiáng)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(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)美觀的外觀設(shè)計(jì)
      。因此
        ，GFRP已成為低空經(jīng)濟(jì)中的關(guān)鍵材料之一
        。
      


      

      

      　　在低空飛行器的生產(chǎn)過(guò)程中
        ，玻璃纖維布被廣泛用于機(jī)身
        、機(jī)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性
        。
      


      

      

      　　對(duì)于需要優(yōu)異透波性能的部件
        ，例如雷達(dá)罩和整流罩
        ，通常采用玻璃纖維復(fù)合材料。例如
        ，高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)和美國(guó)空軍的RQ-4“全球鷹”無(wú)人機(jī)，其機(jī)翼
        、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和后機(jī)身使用碳纖維復(fù)合材料
        ，而雷達(dá)罩和整流罩則選用玻璃纖維復(fù)合材料，以確保信號(hào)的清晰傳輸
      。
      


      

      

      　　中國(guó)商飛生產(chǎn)的ARJ21支線客機(jī)使用了大約2%的復(fù)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(shù)脂復(fù)合材料
      ，以及在翼身整流罩和機(jī)頭雷達(dá)罩上使用的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)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(jī)的外觀設(shè)計(jì)中也扮演著重要角色
      。
      


      

      

      　　例如
      ，玻璃纖維布可以用于制造飛機(jī)的整流罩和窗戶
      ，這不僅提升了飛機(jī)的外觀美感
      ，還增強(qiáng)了乘坐的舒適度
      。同樣
      ，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中
      ，玻璃纖維布也可用于構(gòu)建太陽(yáng)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(fù)合材料
      


      

      

      　　采用仿生天然蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的芳綸紙蜂窩芯材
      ，因其優(yōu)異的比強(qiáng)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(guò)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(yùn)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(jī)、導(dǎo)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(jī)身結(jié)構(gòu)材料，在eVTOL這類低空經(jīng)濟(jì)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(wú)人機(jī)領(lǐng)域
      ，Nomex蜂窩材料（芳綸紙）的應(yīng)用同樣廣泛
      ，它被用于機(jī)體外殼
      、機(jī)翼蒙皮和前緣等部位
      。例如
      ，法國(guó)制造的奧科爾多用途無(wú)人機(jī)豺2樣機(jī)就采用了玻璃纖維/碳纖維/芳綸纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。
      


      

      

      　　泰和新材在上海復(fù)材展上展示的無(wú)人機(jī)起落架和管材結(jié)構(gòu)件
      ，就是由芳綸復(fù)合材料制成，這些部件通過(guò)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(diǎn)
      。
      


      

      

      　　防護(hù)性能
      

      

      　　芳綸纖維在無(wú)人機(jī)的防護(hù)部件和防彈裝甲中的應(yīng)用，顯著提升了無(wú)人機(jī)在惡劣環(huán)境下的生存性
      ，并保護(hù)了關(guān)鍵部件不受損害
      。
      


      

      

      　　4
      、其他夾芯復(fù)合材料
      


      

      

      　　低空飛行器
      ，例如無(wú)人機(jī)
      ，在制造過(guò)程中除了使用碳纖維
      、玻璃纖維和芳綸纖維等增強(qiáng)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(jī)翼、尾翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)空腔的工藝優(yōu)勢(shì)
      ，在無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。
      


      

      

      　　以美國(guó)波音公司開(kāi)發(fā)的X-45A無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)為例
      ，其機(jī)身采用了低溫固化預(yù)浸料
      ，而機(jī)翼則采用了泡沫樹(shù)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(jì)低速無(wú)人機(jī)時(shí)
      ，對(duì)于強(qiáng)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(jī)翼安定面等
      ，通常采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)
      。對(duì)于形狀復(fù)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(duì)于需要較高強(qiáng)度的夾層結(jié)構(gòu)
      ，可能會(huì)選擇木質(zhì)夾層
      。對(duì)于那些同時(shí)需要高輕度和高剛度的部件
      ，如機(jī)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(qiáng)度
      、扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度要求
      ，選擇合適的增強(qiáng)纖維
      、基體材料、纖維含量及層合板
      ，以及設(shè)計(jì)不同的鋪設(shè)角度、層數(shù)和鋪層順序
        ，并通過(guò)不同的加熱溫度和加壓壓力進(jìn)行固化。（來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)）
      

       
      

      

      

       －－－－－－
      

      

      

      

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