近日，哈工大重慶研究院旗下翌翔無人機團隊自主研制的國內首架太陽能氫能無人機在重慶首飛。這款無人機不僅采用了太陽能、氫能混合動力系統(tǒng)，還采用了一體化成型輕質碳纖維機身，以實現(xiàn)跨晝夜超長航時飛行。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，在同等重量下拉伸強度可達到鋼、鋁合金、鈦合金的9倍以上，彈性模量可以達到鋼、鋁合金、鈦合金的4倍以上。
此前，碳纖維主要應用于航空航天、風電葉片、體育用品等領域，近年來逐步應用于低空飛行器的制造中：中大型工業(yè)用無人機碳纖維用量普遍較多，碳纖維復合材料也成為直升機、eVTOL等的機體主要結構材料。
據StratviewResearch預測，eVTOL行業(yè)對復合材料的需求將在未來六年內大幅增長，預計將從2024年的約110萬磅（約500噸）激增至2030年的2590萬磅（約11750噸）。
輕量化催生碳纖維復合材料需求
在低空航空器中，eVTOL、小無人機、部分輕型飛機由電機驅動，受電池重量影響有效載重減少。因此在選材時，增強減重、降能增程都是重要需求。
碳纖維復合材料的特性主要表現(xiàn)在力學性能、熱物理性能、熱燒灼性能、可設計性和耐沖擊性等幾方面，具有質量輕、強度高、剛度高、耐疲勞、熱膨脹系數小等優(yōu)異性能。從純材料密度角度，碳纖維可減重30%-50%左右，是不少行業(yè)輕量化的重點之一。
其應用于低空航空器的結構部件中，一方面使低空航空器在保持高性能的同時，實現(xiàn)輕量化、小型化和高穩(wěn)定性，同時能提高其耐久性；另一方面，采用碳纖維復合材料的低空航空器可在惡劣環(huán)境下長期使用，并且能夠執(zhí)行特殊任務。
尤其在eVTOL中，StratviewResearch數據顯示，復合材料使用量占所有材料使用量的比例超過70%。其中，90%以上的復合材料將是碳纖維，其余10%的復合材料以保護膜的形式使用玻璃纖維增強材料。
按此推算，碳纖維復合材料在eVTOL的材料中占63%以上。具體而言，碳纖維在主結構（包括機身、機翼、旋翼外殼等）、推進系統(tǒng)（如旋翼葉片、螺旋槳等）、內部結構（如墻隔板、座椅靠背等）以及動力系統(tǒng)（如電池架和電池盒）中均有應用。
據統(tǒng)計，將碳纖維復合材料用于打造eVTOL，能夠幫助機身整體重量減少30%-40%。在此基礎上，業(yè)界還在探索新的減重路徑。
如在近日，國內首架全碳纖維復合材料3D打印技術驗證機“同飛一號”試飛成功。同濟大學航空航天與力學學院院長李巖指出，使用3D打印碳纖維復合材料的無人機，可以實現(xiàn)更大的減重，從而提高無人機的載重、可操控性和續(xù)航能力。
成本與性能的再衡量
低空經濟有望成為碳纖維行業(yè)的新增長點。但碳纖維的成本相對較高，也給廠商增加了一道難題。
根據纖維數量，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩類：小絲束碳纖維（通常指24K以下的碳纖維）具有優(yōu)異的性能，但成本較高；大絲束碳纖維（24K及以上）成本較低，但性能相對較低。
拉長時間線看，碳纖維價格自去年一路下探，至今年年初觸底反彈，當前已企穩(wěn)。從9月7日至9月13日的價格看，碳纖維市場均價為85元/千克。其中，碳纖維大絲束國內均價為72.5元/千克，碳纖維小絲束國內均價為97.5元/千克。
“無人機體積越大，越可以使用大絲束碳纖維。”有石化行業(yè)人士告訴21世紀經濟報道記者，小型無人機通常使用3K、6K或12K的碳纖維，中型到大型無人機可能會使用12K、24K或更高規(guī)格的碳纖維，輕型飛機則可能使用24K、36K或更高規(guī)格的碳纖維。
對于碳纖維制造商而言，生產大絲束碳纖維的性價比也更高：相對于小絲束，大絲束碳纖維可以在相同的生產條件下大幅提高碳纖維的單線產能，進而降低生產成本，也有望打開更多下游市場。
在生產成本之外，碳纖維復合材料在低空領域應用前，需要經過適航認證，大量的材料測試也會導致成本提升。
前述石化行業(yè)人士告訴記者，材料認證的過程通常需要對材料本身以及其生產過程進行評估和驗證，保證生產的一致性、可靠性及穩(wěn)定性。“載人場景的認證標準比航空航天的標準高，需要通過航空體系認證、PCD適航認證等。”
吉林化纖曾在回答投資者提問時介紹道，碳纖維復合材料根據不同品種，不同客戶，不同使用場景，對產品的認證周期不一樣，一般為六個月以上。
從成本、認證周期看，碳纖維離大批量放量還要一段時間。對于國產碳纖維而言，這種局面也提供了技術進步與產能擴張的時間窗口。（來源：21世紀經濟報道）
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