【低空經濟】碳纖維復合材料在低空經濟領域的應用 | 附企業盤點

在低空經濟領域,無論是載人飛行器如eVTOL(電動垂直起降飛行器)還是無人機(消費級、工業級),對材料的性能要求,不僅需要具備輕量化、高強度的特性,還要滿足復雜環境下的使用需求。碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維,具有密度低、比強度大、比模量高等特性。其抗拉強度可達鋼的7-9倍,彈性模量高出鋼的數倍。此外,碳纖維還具有出色的耐腐蝕性和耐疲勞性,能夠在惡劣環境中保持穩定的性能。這些特性使得碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)成為低空飛行器制造的首選材料,對提升低空飛行器性能、降低能耗等方面具有重要意義。

 

表:不同無人機材料的力學性能對比

無人機領域

當前,低空經濟領域的小型無人機可分為表演用無人機、偵察用無人機、農用無人機、氣象無人機、測繪無人機等。無人機結構件的很多部位都采用碳纖維復合材料制造,包括機身、旋翼、機翼、舵面、發動機部件等,以降低整機重量和提升整體性能,例如飛行穩定性、動力性能及操控性能等。

 

圖:碳纖維復合材料在無人機上的應用場景

eVTOL飛行器領域

eVTOL飛行器作為低空經濟的核心產品,其碳纖維復合材料使用量占比達75%以上,遠超傳統大飛機。單臺eVTOL飛行器對碳纖維的需求量在100公斤至400公斤之間,其中,約75-80%用于eVTOL的結構部件和推進系統,其次為橫梁、座椅結構等內部應用占 12-14%,電池系統、航空電子設備和其他小型應用占8-12%。Stratview Research的數據顯示,eVTOL飛行器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),增長幅度約22.5倍。

 

從億航智能、小鵬匯天、峰飛航空等國內頭部整機制造商的設計方案來看,eVTOL 航空器機身結構均采用了碳纖維復合材料。

 

圖:部分 eVTOL 設計方案碳纖維復合材料的應用

小鵬匯天的旅航者X2為例,整機機身采用了全碳纖維結構設計,能夠搭載兩名乘客,并擁有最大200公斤的載重能力。旋翼槳葉選用了航空業目前最先進的碳纖維環氧樹脂基復合材料,具有高剛度與低質量的特性,不僅縮短了電機驅動旋翼的控制響應時間,提升了飛行品質,還極大地增強了旋翼槳葉的氣動彈性穩定性。此外,該槳葉采用了碳纖維鋪層結構,即使遭遇硬物碰撞,也僅會導致表面和槳緣的劃傷,而不會影響飛行的安全性。旅航者X2的起落架材料主要為碳纖維和玻璃纖維,其中,碳纖維復合材料主要用于保證起降所需要的強度。

 

圖:由HRC協助小鵬匯天打造的“旅航者X2”飛行汽車

HRC亨睿碳纖維

全稱為中國恒瑞有限公司(HRC),是一家全球領先的復合材料綜合解決方案提供商,專注于高性能碳纖維復合材料零部件的研發、工程設計和量產。當前,HRC已深度參與小鵬匯天飛行汽車旅航者x2等低空飛行器明星項目。

恒神股份

4月8日,恒神股份取得碳纖維復合材料無人機多墻式機翼專利授權證書(授權公告號CN108190000B),其特征在于:所述多墻式機翼為碳纖維復合材料一體成型,機翼包括翼尖、機翼盒段、至少一根肋、金屬接頭、角片和封嚴板,肋與機翼盒段通過角片連接,機翼尾緣通過封嚴板封嚴,金屬接頭為翼身連接接口。該發明通過多墻式結構設計,RTM一體成型,實現了無人機機翼輕量化、低成本制造以及快速制造等要求。

中復神鷹

已與國內多家知名飛行汽車(飛行器)企業進行深入測試評價與試驗,部分產品成功應用并通過適航認證。此外,公司還持續擴大產能,西寧2.5萬噸碳纖維基地的全面投產使其總產能規模達到2.85萬噸,位居世界前列。

光威復材

不僅擁有系列化的碳纖維產品體系,還具備從碳纖維、樹脂體系、預浸料到復合材料制件的成熟配套能力,為無人機、電動垂直起降飛行器(eVTOL)等提供關鍵的碳纖維結構材料配套。

中簡科技

打破了國外對高端碳纖維的封鎖和限制,公司ZT7系列碳纖維產品已經率先穩定批量在航空、航天領域應用多年,以ZT9H為代表的新一代碳纖維在不同應用領域進行了多個場景的驗證。

上海石化

國石化的控股子公司,是中國主要的煉油化工一體化企業之一,也是國內重要的成品油、中間石化產品、合成樹脂和合成纖維、碳纖維復合材料的生產基地。

 

 

圖:上海石化展廳內展示的兩款碳纖維無人機

金發科技

碳纖維增強高性能尼龍材(SP6**-CG系列材料、Vicnyl PPA系列)料與碳纖維增強熱固復合材料等輕量化、高強度材料,已批量應用于消費級、工業級無人機。

南京聚隆

子公司聚隆復材專注于無人機零部件的設計、生產制造及裝配,已成功中標多個無人機項目,如零重力飛機工業(合肥)有限公司的無人機項目,涉及機體結構設計、制造、裝配、測試總包服務等。此外,聚隆復材還致力于碳纖維復合材料制件的設計、研發與生產,為低空經濟領域提供高質量、高性能的材料支持。

 

 

圖:零重力傾轉旋翼eVTOL飛行器ZG-T6

 

圖:南京聚隆的碳纖維復合材料無人機零部件

中研股份

公司以募集資金出資人民幣3000萬元設立全資子公司中研復材(上海)科技開發有限責任公司,此次設立的子公司是為了實施“上海碳纖維聚醚醚酮復合材料研發中心項目”募投項目。

普利特

普利特的改性尼龍品類主要有PA6,PA66,PA56及PA合金,并有再生尼龍產品。在今年的CHINAPLAS國際橡塑展展出了其自主研發的碳纖維增強尼龍復合材料無人機螺旋槳葉片。

 

圖:普利特的PA CF40復合材料無人機螺旋槳葉片

雷孚斯

開發了PPA CF及PA6 CF等碳纖維增強尼龍復合材料,具有高強度、高剛性、耐高溫高濕、低摩擦系數、韌性好、尺寸穩定性好、耐翹曲等優勢,用于無人機槳葉等部件。

 

圖:雷孚斯的PPA CF復合材料無人機槳葉

君華特塑

研發的CF/PEEK復合材料應用于民用無人機螺旋槳葉的制造,具有減重降噪、強度高、飛行穩定性好等優勢,動態平衡更好,靜音降噪效果更顯著、使用壽命更長。

 

圖:君華特塑CF/PEEK復合材料無人機槳葉