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(nèi)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(zhì)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(jù)StratviewResearch預測，eVTOL行業(yè)對復合材料的需求將在未來六年內(nèi)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(zhì)量輕、強度高、剛度高、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)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(shù)據(jù)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(nèi)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(jù)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(nèi)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(jīng)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(jù)纖維數(shù)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(nèi)均價為72.5元/千克，碳纖維小絲束國內(nèi)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)條件下大幅提高碳纖維的單線產(chǎn)能，進而降低生產(chǎn)成本，也有望打開更多下游市場。
在生產(chǎn)成本之外，碳纖維復合材料在低空領域應用前，需要經(jīng)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(chǎn)過程進行評估和驗證，保證生產(chǎn)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(jù)不同品種，不同客戶，不同使用場景，對產(chǎn)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(chǎn)碳纖維而言，這種局面也提供了技術進步與產(chǎn)能擴張的時間窗口。（來源：21世紀經(jīng)濟報道）
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