復合材料助力 eVTOL 飛向天空

根據 Stratview Research 最近關于 eVTOLS 的報告，到 2028 年，eVTOL 的年產量將達到 5,000 多臺，屆時對復合材料的年需求量將達到約 740 萬公斤?？紤]到碳纖維和樹脂成本的可能變化，預計到 2028 年，eVTOL 行業對復合材料的年需求價值將達到 5.17 億美元。

圖 1：eVTOL 年產量及相應的復合材料需求量（2024-2028）

 

需要注意的是，根據披露的信息，Joby在認證競賽中至少領先一步，因為它已經獲得了FAA的合規證明，并且仍有 2025 年的商業化目標。另一方面，一些OEM仍然沒有與相關監管機構確認其認證基礎，這是獲得合規證明之前的步驟；然而，他們計劃在2024年開始商業化運營。但是，無論服務開始的時間是哪一年，eVTOL 行業對復合材料的需求數量在商業化最初的 2-3 年內將每年翻倍以上，這主要是由兩個因素造成的。

 

所有領先的 eVTOL OEM 都計劃在獲得監管機構的批準后，迅速擴大其生產規模，每年的增幅將超過 2 倍。

 

雖然還比較初步，但許多領先的OEM在各自的訂單簿中已經有了數百個預訂單。

 

另一個導致該行業對復合材料需求高的因素是其相對于運輸行業盟友的高滲透率。例如，復合材料在飛機中的先驅——波音 787 和空客 A350 XWB——都約重 50%為復合材料。對于輕型車輛，百分比通常 <15%，而對于eVTOL，即使是低范圍也高于其他行業的高范圍，即70%，對于某些項目，它可以高達>90%。

 

圖表下方展示了復合材料在 eVTOL 中的主要應用。

圖 2：復合材料在 eVTOL 中的主要應用

 

結構和推進系統合計將消耗這些飛機中約75-80%的復合材料，內部應用如地板板、梁等位居第二，約占12-14%。剩余份額將屬于航空電子設備和其他較小應用。

 

領先的 OEM 廠商提出的 eVTOL 制造成本分解也遵循類似的分布，這不足為奇。例如，根據垂直航空公司的估計，制造成本的 40% 將用于電池和推進系統，另外 30% 將用于結構和內飾。航空電子設備將占制造成本的約 20%，其余將是組裝成本。

航空航天質量，但尺寸和應用更接近汽車。

 

eVTOL 零件的制造/加工工藝并沒有太多驚喜，因為設計要求與現有航空標準大致相同，預期的性能參數也是相同的。

 

就像航空航天領域一樣，在制造機翼、機身等主要結構件時，與干法織物相比，預浸料材料將更多地使用，并結合真空袋成型工藝。然而，對于 eVTOL 部件而言，探索新制造方法的一個關鍵使能因素是部件尺寸比傳統飛機更小。由于最終部件的尺寸較小，與常規飛機相比，eVTOL 將更多地應用壓縮成型等快速工藝。更不用說，對于需要大批量生產的較小、較簡單的部件，如旋翼葉片，壓縮成型將是首選工藝。

 

對于需要高分辨率制造的較小且更復雜的零件，如支架，可以采用 3D 打印，因為它已經在 eVTOL 原型設計中找到了足夠的用途。

 

現在談到產量，根據不同領先 OEM 提出的各自制造目標，預計在商業化 5 年內，其年總產量將超過 6000 臺。這些是汽車行業更熟悉處理的產量，而不是航空航天。此外，作為一項應用，eVTOL 將幾乎從道路出租車中獲取其全部份額，而不是傳統飛機。因此，可以將 eVTOL 描述為航空航天和汽車之間的共同點，圖 3 展示了三者之間的高層次比較。

圖 3：eVTOL 與航空航天和汽車行業的接近性

 

因此，汽車供應鏈中的關鍵參與者對這個行業表現出巨大興趣，并且已經與現有參與者建立了長期合作伙伴關系。保時捷與巴西航空工業公司 Eve Air Mobility 的合作、豐田與 Joby 的合作、利來姆與電裝的合作、阿徹航空與斯特蘭蒂斯（Stellantis）的合作等，只是汽車-eVTOL協同效應的一些例子。然而，汽車行業的興趣并不僅限于合作伙伴關系。像本田和現代這樣的關鍵汽車原始設備制造商（OEM）也推出了自己的 eVTOL 項目。

 

eVTOL 與汽車產業之間的重疊利益可能會在未來的時間里開辟更多跨產業的機會。

材料選擇清單：可回收性、量產兼容性及認證便利性

作為航天工業的“首選”材料，eVTOL 中使用的復合材料中超過 90%將是碳纖維，與環氧樹脂混合。從設計角度來看，這是因為碳纖維是所有商用纖維中比剛度最高的，并且它能完美滿足所有機械要求，如輕量化、高強度重量比、抗沖擊性等。另一方面，從戰略角度來看，這是因為幾乎所有 eVTOL 原始設備制造商都計劃盡可能順利地通過認證過程，而不會對經過驗證的材料進行太多實驗。

 

相同的方法也可以在基體層面看到，再次，超過 95%的領先玩家都旨在使用富含熱固性材料的模型，因為監管機構對熱固性材料更熟悉，這將稍微簡化他們的認證過程。根據 Stratview Research 的數據，到2030年，eVTOL行業對復合材料的整體需求中，熱塑性材料的需求份額可能仍然是個位數。
許多航空航天和復合材料行業的專家在與 Stratview Research 進行最近的一對一采訪時也提到，只要他們能夠將年產量保持在幾千架飛機以內，堅持使用熱固性材料而不是熱塑性材料是沒問題的。但一旦產量擴大（根據原始設備制造商的說法，這將在未來五年內發生），原始設備制造商要么必須推出新的以熱塑性材料為主的新型號，要么必須將其現有的以熱固性材料為主的原型修改為以熱塑性材料為主的原型。在兩種情況下，他們都必須再次敲響監管機構的大門。

 

目前，在可見的 eVTOL 原始設備制造商中，德克薩斯州的Jaunt Air Mobility是唯一一家正在開發以熱塑性材料為主的新型號的公司，事實上，在其公司網站上，Jaunt Air 將“99%可回收”列為其 eVTOL 的一項規格。

 

對于 eVTOL 而言，可回收性變得更加重要，因為其產品周期并不長（15-20 年）。如果行業在未來 5-10 年內持續生產數千架 eVTOL，并且它們在服務期約 20 年后都開始過時，行業將面臨大量復合材料需要處理的問題。

低空飛行器中的復合材料應用及市場前景洞察

碳纖維復合材料：輕量化先鋒與性能革新者

 

在低空飛行器領域，碳纖維復合材料堪稱 “明星材料”。其具有無與倫比的比強度，抗拉強度可達鋼材的 5 倍，而密度僅為 1.5 - 2.0g/cm³（鋼材密度約 7.8g/cm³），這一特性使其成為減輕飛行器重量的理想之選。

以波音 787 為例，其機身 50% 使用碳纖維，成功減重 20%，燃油效率大幅提升 15% 。在低空飛行器中，碳纖維復合材料的身影隨處可見。在 2024 年珠海航展亮相的貨運無人機白鯨航線 W5000，除機頭外，其余機身部分全部采用威海寶威新材料科技有限公司生產的 T700 級碳纖維復合材料，有效降低機體重量達 40%。大疆 Mavic 3 無人機的槳葉厚度僅 0.5mm，憑借碳纖維復合材料的高強度，抗風能力達 12 級。小鵬匯天 X2 飛行汽車的電池艙采用碳纖維復合材料，耐沖擊強度超 200MPa。

技術創新持續推動碳纖維復合材料的發展。

中復神鷹開發的T1100級碳纖維，拉伸模量達 320±10GPa，達到國際先進水平。同時，成本也在逐漸下降，2023 年中國碳纖維均價降至 118.44 元 /kg，較 2019 年下降 35% 。

在 eVTOL 飛行器中，碳纖維更是廣泛應用于結構部件和推進系統，占比約 75 - 80%，內部應用如橫梁、座椅結構等占 12 - 14%，電池系統、航空電子設備等占 8 - 12%。

據中國復合材料工業協會引用 Stratview 的數據，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。預計單臺 eVTOL 對碳纖維的需求量在100 - 400kg 之間，隨著eVTOL產業的快速發展，有望拉動千噸級需求。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，預計將為碳纖維帶來 600 - 2300 噸的增量需求 。

玻璃纖維復合材料：低成本高可靠性擔當

玻璃纖維復合材料以其出色的性價比在低空飛行器制造中占據重要地位。其成本僅為碳纖維的 1/5 左右（約 30 元 /kg），是一種經濟實惠的選擇 。同時，它具有良好的介電性能，介電常數低至 4.5（5GHz 頻段），非常適合用于雷達罩等對信號傳輸要求高的部件 。

 

在無人機制造中，蜂巢航宇 HC - 540 機身由高強度玻璃纖維及泡沫夾層模壓而成，機翼及尾翼可拆卸，折疊后方便運輸?？v橫股份 CW - 15 無人機的雷達整流罩也采用了玻璃纖維復合材料 。在一些輕型飛機的內飾件中，如峰飛航空 V1500M 的客艙隔板，也會使用玻璃纖維復合材料 。

玻璃纖維增強塑料（GFRP）還具有耐腐蝕、耐高低溫、耐輻射、阻燃和抗老化等特性，有助于減輕飛行器重量，增加有效載荷，節省能源，并實現美觀的外觀設計。在低空飛行器的生產過程中，玻璃纖維布被廣泛用于機身、機翼、尾翼等關鍵結構部件的制造。據中商產業研究院發布的《2024 - 2029 年中國玻璃纖維市場調查及投資建議報告》顯示，2023 年中國玻璃纖維產量達756萬噸，同比增長10.07%，這也從側面反映出其在包括低空飛行器制造等眾多領域的廣泛應用 。

芳綸蜂窩復合材料：減重與性能提升的秘密武器

芳綸蜂窩復合材料憑借獨特的結構和性能優勢，在低空飛行器中發揮著不可替代的作用。其以仿生天然蜂巢的六邊形結構設計，具有驚人的比剛度，面內剪切模量達 500MPa，而密度僅 48kg/m³ 。同時，它還具備良好的耐腐蝕性，在鹽霧環境中 2000 小時無性能衰減 。

在機翼夾層結構方面，峰飛V2000CG機翼采用芳綸蜂窩 + 碳纖維蒙皮，減重效果顯著，達 35% 。時的科技E20 eVTOL的客艙地板采用芳綸蜂窩復合材料，承載強度達 15kN/m² 。此外，芳綸蜂窩復合材料還能滿足 FAA 60 秒耐火標準（火焰溫度 1100℃），可作為防火隔層使用 。

中航復材開發的超薄蜂窩芯材，壁厚僅 0.02mm，壓縮強度提升40%，進一步推動了芳綸蜂窩復合材料在低空飛行器領域的應用 。在 eVTOL 這類低空經濟的主要飛行器中，芳綸紙作為關鍵的機身結構材料，尤其是作為碳纖維蜂窩夾心層的使用，已被全球領先的 eVTOL 制造商，如 Joby、Archer、億航和峰飛等廣泛采用 。在無人機領域，Nomex 蜂窩材料（芳綸紙）也被用于機體外殼、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計 。

高性能熱塑性復合材料：滿足多元需求的新興力量

 

以 PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚醚酮）和 PPA（聚鄰苯二甲酰胺）為代表的高性能熱塑性復合材料，正逐漸在低空飛行器領域嶄露頭角。它們能夠滿足飛行器在輕量化、高強度和耐環境性能等多方面的嚴格要求 。

 

PEEK 具有高強度、耐疲勞性和抗沖擊性能，常用于高載荷結構件，如連接接頭、承重支架等。在旋翼連接件或傳動部件中，PEEK 能夠耐受高頻振動和極端溫度波動 。PPS 則具有耐高溫（200°C 以上）且抗化學腐蝕的特性，常用于機翼蒙皮、發動機罩、排氣管隔熱罩等部件。其還具備阻燃（UL94 V - 0 級）以及優異的電磁屏蔽性能，可用于飛控計算機外殼、電池盒等電子設備外殼 。PPA 兼具輕量化和抗濕熱變形能力，適用于傳感器外殼等部件 。在燃油系統中，PPS/PPA 可用于制造燃油泵殼體、油管接頭，因其能抗燃油腐蝕且密封性好 。這些高性能熱塑性復合材料的應用，顯著提升了低空飛行器在安全性、續航能力和環境適應性方面的表現，同時滿足了嚴格的輕量化需求 。

陶瓷基復合材料：極端環境下的熱防護保障

陶瓷基復合材料具備極限性能，堪稱低空飛行器在高溫環境下的 “熱防護鎧甲”。它可在 1650℃長期工作，而鎳基合金僅能在 1100℃工作 。其抗燒蝕性也十分出色，質量燒蝕率＜0.1mm/s（石英纖維的 1/10） 。

在低空飛行器的發動機熱端部件中，如 Joby Aviation 渦軸發動機噴管使用SiC/SiC復合材料 。昂際航電開發的 C/C - SiC 剎車盤，采用陶瓷基復合材料，摩擦系數穩定性提升 50% 。在電池熱防護方面，沃飛長空 AE200 電池艙隔熱層使用陶瓷基復合材料，可使表面溫度＜80℃（內部電芯溫度） 。

全球 CMC（陶瓷基復合材料）市場規模預計從 2022 年 30.9 億美元增至 2030 年 75.96 億美元，預估年復合增長率（CAGR）為 11.9%，這顯示出陶瓷基復合材料在包括低空飛行器在內的航空航天等領域廣闊的市場前景 。隨著低空飛行器對高性能、高可靠性的追求，以及在一些特殊應用場景中對耐高溫、抗燒蝕性能的嚴格要求，陶瓷基復合材料有望得到更廣泛的應用 。

市場預測與前景展望

據Grand View Research數據，2023 - 2030 年航空航天復合材料市場將以8.7%的CAGR增長，其中亞太地區占比將達42% 。在低空飛行器細分領域，尤其是eVTOL，市場增長更為迅猛。Stratview Research 預測，eVTOL行業對復合材料的需求將從2024年的約 499 噸增長至 2030 年的 11748 噸，增長幅度近 20 倍 。

 

隨著全球對低空領域的政策逐步放開，以及新材料、新工藝的不斷涌現，復合材料在低空飛行器中的應用將迎來前所未有的發展機遇。從當前趨勢看，未來用于運人、運貨、搶險救災、農林植保等不同用途的低空飛行器數量將極大增長。例如，在物流領域，貨運無人機的大規模應用將對碳纖維等復合材料產生持續且大量的需求；在城市空中交通方面，eVTOL 的普及將帶動其機身、機翼等部件所用復合材料市場的蓬勃發展 。

 

然而，行業發展也面臨諸多挑戰。如碳纖維等復合材料的回收難題，目前全球碳纖維回收率不足 10%，巴斯夫新化學法回收成本仍高達 80 元 /kg 。同時，中國 eVTOL 適航審定尚未出臺復合材料專用檢測標準 。但隨著技術的不斷進步和行業標準的逐步完善，這些問題有望得到解決，進一步推動復合材料在低空飛行器領域的廣泛應用和市場規模的持續擴大 。

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