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碳纤维复合材料在低空经济领域的应用

发布时间:2024-08-28

在低空经济领域,无论是载人飞行器如电动垂直起降飞行器eVTOL)还是无人机(消费级、工业级),对材料的性能要求,不仅需要具备轻量化、高强度的特性,还要满足复杂环境下的使用需求。碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维,具有密度低、比强度大、比模量高等特性。其抗拉强度可达钢的7~9倍,弹性模量高出钢的数倍。此外,碳纤维还具有出色的耐腐蚀性和耐疲劳性,能够在恶劣环境中保持稳定的性能。这些特性使得碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)成为低空飞行器制造的首选材料,对提升低空飞行器性能、降低能耗等方面具有重要意义。


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表:不同无人机材料的力学性能对比



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无人机领域


当前,低空经济领域的小型无人机可分为表演用无人机、侦察用无人机、农用无人机、气象无人机、测绘无人机等。无人机结构件的很多部位都采用碳纤维复合材料制造,包括机身、旋翼、机翼、舵面、发动机部件等,以降低整机重量和提升整体性能,例如飞行稳定性、动力性能及操控性能等。

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图 碳纤维复合材料在无人机上的应用场景


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eVTOL飞行器领域



eVTOL飞行器作为低空经济的核心产品,其碳纤维复合材料使用量占比达75%以上,远超传统大飞机。单台eVTOL飞行器对碳纤维的需求量在100公斤至400公斤之间,其中,约75~80%用于eVTOL的结构部件和推进系统,其次为横梁、座椅结构等内部应用占 12~14%,电池系统、航空电子设备和其他小型应用占8~12%。Stratview Research的数据显示,eVTOL飞行器对复合材料的需求将在未来六年内大幅增长,预计将从2024年的约110万磅(约500吨)激增至2030年的2590万磅(约11750吨),增长幅度约22.5倍。


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从亿航智能、小鹏汇天、峰飞航空等国内头部整机制造商的设计方案来看,eVTOL 航空器机身结构均采用了碳纤维复合材料。

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图 部分 eVTOL 设计方案碳纤维复合材料的应用


小鹏汇天的旅航者X2为例,整机机身采用了全碳纤维结构设计,能够搭载两名乘客,并拥有最大200公斤的载重能力。旋翼桨叶选用了航空业目前最先进的碳纤维环氧树脂基复合材料,具有高刚度与低质量的特性,不仅缩短了电机驱动旋翼的控制响应时间,提升了飞行品质,还极大地增强了旋翼桨叶的气动弹性稳定性。此外,该桨叶采用了碳纤维铺层结构,即使遭遇硬物碰撞,也仅会导致表面和桨缘的划伤,而不会影响飞行的安全性。旅航者X2的起落架材料主要为碳纤维和玻璃纤维,其中,碳纤维复合材料主要用于保证起降所需要的强度。

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图 由HRC协助小鹏汇天打造的“旅航者X2”飞行汽车





HRC亨睿碳纤维


全称为中国恒瑞有限公司(HRC),是一家全球领先的复合材料综合解决方案提供商,专注于高性能碳纤维复合材料零部件的研发、工程设计和量产。当前,HRC已深度参与小鹏汇天飞行汽车旅航者x2等低空飞行器明星项目。





恒神股份


4月8日,恒神股份取得碳纤维复合材料无人机多墙式机翼专利授权证书(授权公告号CN108190000B),其特征在于:所述多墙式机翼为碳纤维复合材料一体成型,机翼包括翼尖、机翼盒段、至少一根肋、金属接头、角片和封严板,肋与机翼盒段通过角片连接,机翼尾缘通过封严板封严,金属接头为翼身连接接口。该发明通过多墙式结构设计,RTM一体成型,实现了无人机机翼轻量化、低成本制造以及快速制造等要求。





中复神鹰


已与国内多家知名飞行汽车(飞行器)企业进行深入测试评价与试验,部分产品成功应用并通过适航认证。此外,公司还持续扩大产能,西宁2.5万吨/年碳纤维基地的全面投产使其总产能规模达到2.85万吨/年,位居世界前列。





光威复材


不仅拥有系列化的碳纤维产品体系,还具备从碳纤维、树脂体系、预浸料到复合材料制件的成熟配套能力,为无人机、电动垂直起降飞行器(eVTOL)等提供关键的碳纤维结构材料配套。





中简科技


打破了国外对高端碳纤维的封锁和限制,公司ZT7系列碳纤维产品已经率先稳定批量在航空、航天领域应用多年,以ZT9H为代表的新一代碳纤维在不同应用领域进行了多个场景的验证。





上海石化


中国石化的控股子公司,是中国主要的炼油化工一体化企业之一,也是国内重要的成品油、中间石化产品、合成树脂和合成纤维、碳纤维复合材料的生产基地。

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图 上海石化展厅内展示的两款碳纤维无人机





金发科技


碳纤维增强高性能尼龙材(SP6**-CG系列材料、Vicnyl PPA系列)料与碳纤维增强热固复合材料等轻量化、高强度材料,已批量应用于消费级、工业级无人机。





南京聚隆


子公司聚隆复材专注于无人机零部件的设计、生产制造及装配,已成功中标多个无人机项目,如零重力飞机工业(合肥)有限公司的无人机项目,涉及机体结构设计、制造、装配、测试总包服务等。此外,聚隆复材还致力于碳纤维复合材料制件的设计、研发与生产,为低空经济领域提供高质量、高性能的材料支持。

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图 零重力倾转旋翼eVTOL飞行器ZG-T6


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图 南京聚隆的碳纤维复合材料无人机零部件






中研股份


公司以募集资金出资人民币3000万元设立全资子公司中研复材(上海)科技开发有限责任公司,此次设立的子公司是为了实施“上海碳纤维聚醚醚酮复合材料研发中心项目”募投项目






普利特


普利特的改性尼龙品类主要有PA6,PA66,PA56及PA合金,并有再生尼龙产品。在今年的CHINAPLAS国际橡塑展展出了其自主研发的碳纤维增强尼龙复合材料无人机螺旋桨叶片。
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图 普利特的PA CF40复合材料无人机螺旋桨叶片





雷孚斯


开发了PPA CF及PA6 CF等碳纤维增强尼龙复合材料,具有高强度、高刚性、耐高温高湿、低摩擦系数、韧性好、尺寸稳定性好、耐翘曲等优势,用于无人机桨叶等部件。


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图 雷孚斯的PPA CF复合材料无人机桨叶





君华特塑


研发的CF/PEEK复合材料应用于无人机螺旋桨叶的制造,具有减重降噪、强度高、飞行稳定性好等优势,动态平衡更好,静音降噪效果更显著、使用寿命更长。


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图 君华特塑CF/PEEK复合材料无人机桨叶


主办单位

江苏省复合材料学会

承办单位

江苏大秦国际展览有限公司

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电话:张经理 18626150377

邮箱:zhangming@daqin-expo.com

地址:苏州吴中经济开发区越溪街道南官渡路8号1幢1512室

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