低空航空器中使用的复合材料
2024-11-28 14:44:34
作者：材料PLUS 来源：材料PLUS
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2024年标志着中国低空经济产业的起点，它涵盖了无人机、低空飞机、空中出租车等多种航空器，预示着一个巨大的产业正在形成。随着低空经济的快速增长，它为物流、农业、紧急服务、旅游等多个领域带来了创新性的改变，同时也为复合材料的应用提供了新的舞台。
复合材料因其轻质、高强、耐蚀和可塑性等优点，成为制造低空航空器的理想材料。在这个追求效率、续航和环保的低空经济时代，复合材料的使用不仅影响着航空器的性能和安全，也是推动整个行业发展的关键。从碳纤维增强的无人机机翼到玻璃纤维制成的轻质结构，复合材料的创新不断为低空经济的增长提供动力。低空经济与复合材料的紧密联系在技术进步和产业升级中得到体现。随着全球对低空领域的政策逐渐放宽，以及新材料和工艺的不断涌现，复合材料在低空航空器领域的应用正面临前所未有的机遇。低空经济的快速增长不仅为物流、农业、紧急救援、旅游等多个行业带来了创新性的变革，也为复合材料，尤其是碳纤维的使用提供了巨大的发展空间。碳纤维因其轻质、高强度、耐腐蚀等特性，成为低空飞行器制造的理想材料。它不仅能够减轻飞行器的重量，还能提升性能和经济效益，成为传统金属材料的有效替代品。据中国复合材料工业协会引用Stratview的数据，空中汽车中超过90%的复合材料为碳纤维，剩余约10%为玻璃纤维。在eVTOL飞行器中，碳纤维被广泛应用于结构部件和推进系统，占比约75-80%，而内部应用如横梁、座椅结构等占12-14%，电池系统、航空电子设备等占8-12%。国内领先的eVTOL制造商，如亿航智能、小鹏汇天、峰飞航空等，在其设计方案中均采用了碳纤维复合材料。例如，小鹏汇天的旅航者X2的旋翼桨叶和起落架也使用了碳纤维复合材料。这些应用展示了碳纤维在低空经济中的重要作用，同时也预示着对碳纤维的大量需求。随着全球对低空领域的政策逐步放开，以及新材料、新工艺的不断涌现，碳纤维在低空飞行器中的应用正迎来前所未有的发展机遇。预计单台eVTOL对碳纤维的需求量在100-400kg之间，这为碳纤维产业链相关企业的发展和升级提供了广阔的空间。预计到2030年，eVTOL的全球订单量将达到8000架，其中商务电动飞机约1700架，其余为eVTOL，约为6300架。eVTOL的机身结构大量采用碳纤维复合材料，单台eVTOL对碳纤维需求在 100-400kg 之间，有望拉动千吨级需求。这种材料的使用量占到了机身自重的70%以上，其中超过90%的复合材料为碳纤维。按照碳纤维与树脂7:3的比例计算，单台eVTOL对碳纤维的需求量大约在97-363公斤之间。因此，随着eVTOL产业的快速发展，预计将为碳纤维带来600-2300吨的增量需求。玻璃纤维增强塑料（GFRP）以其耐腐蚀、耐高低温、耐辐射、阻燃和抗老化的特性，在低空飞行器如无人机的制造中发挥着重要作用。这种材料的应用有助于减轻飞行器重量，增加有效载荷，节省能源，并实现美观的外观设计。因此，GFRP已成为低空经济中的关键材料之一。在低空飞行器的生产过程中，玻璃纤维布被广泛用于机身、机翼、尾翼等关键结构部件的制造。其轻质特性有助于提高飞行器的巡航效率，并提供更强的结构强度和稳定性。对于需要优异透波性能的部件，例如雷达罩和整流罩，通常采用玻璃纤维复合材料。例如，高空长航时无人机和美国空军的RQ-4“全球鹰”无人机，其机翼、尾翼、发动机舱和后机身使用碳纤维复合材料，而雷达罩和整流罩则选用玻璃纤维复合材料，以确保信号的清晰传输。中国商飞生产的ARJ21支线客机使用了大约2%的复合材料，其中包括在方向舵和翼梢小翼上使用的碳纤维/环氧树脂复合材料，以及在翼身整流罩和机头雷达罩上使用的玻璃纤维/环氧树脂复合材料。在航空航天领域，玻璃纤维的应用不仅限于提升结构性能，它在飞机的外观设计中也扮演着重要角色。
例如，玻璃纤维布可以用于制造飞机的整流罩和窗户，这不仅提升了飞机的外观美感，还增强了乘坐的舒适度。同样，在卫星设计中，玻璃纤维布也可用于构建太阳能电池板和天线的外表面结构，从而提升卫星的外观和功能可靠性。采用仿生天然蜂巢的六边形结构设计的芳纶纸蜂窝芯材，因其优异的比强度、比刚度和结构稳定性而备受推崇。此外，这种材料还具备良好的隔音、隔热和阻燃性能，在燃烧过程中产生的烟雾和毒性都非常低，这些特性使其在航空航天和高速运输工具的高端应用中占据了一席之地。尽管芳纶纸蜂窝芯材的成本较高，但它常被选作飞机、导弹、卫星等高端装备的关键轻质材料，特别是在需要宽频透波性能和大刚性次受力结构部件的制造中。芳纶纸作为关键的机身结构材料，在eVTOL这类低空经济的主要飞行器中发挥着至关重要的作用，尤其是作为碳纤维蜂窝夹心层的使用，这一技术已经被全球领先的eVTOL制造商，如Joby、Archer、亿航和峰飞等广泛采用。在无人机领域，Nomex蜂窝材料（芳纶纸）的应用同样广泛，它被用于机体外壳、机翼蒙皮和前缘等部位。例如，法国制造的奥科尔多用途无人机豺2样机就采用了玻璃纤维/碳纤维/芳纶纤维复合材料的设计。泰和新材在上海复材展上展示的无人机起落架和管材结构件，就是由芳纶复合材料制成，这些部件通过芳纶预浸料的搓管工艺制备，主要用于低空飞行器，具有轻量化和高韧性的特点。芳纶纤维在无人机的防护部件和防弹装甲中的应用，显著提升了无人机在恶劣环境下的生存性，并保护了关键部件不受损害。低空飞行器，例如无人机，在制造过程中除了使用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等增强材料外，还广泛采用了蜂窝、胶膜、泡沫塑料和泡沫胶等夹层结构材料。在夹芯材料的选择上，常用的有蜂窝夹芯（如纸蜂窝、Nomex蜂窝等）、木质夹芯（如桦木、桐木、松木、椴木等）以及泡沫塑料夹芯（如聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯泡沫塑料）。泡沫夹层结构因其防水、漂浮的特性以及能够整体填充机翼、尾翼内部结构空腔的工艺优势，在无人机机体结构中得到了广泛应用。以美国波音公司开发的X-45A无人战斗机为例，其机身采用了低温固化预浸料，而机翼则采用了泡沫树脂夹芯（FMC）技术，显著降低了制造成本，比传统方法减少了一半。在设计低速无人机时，对于强度要求不高、形状规则、大曲面且易于铺放的部件，如前翼安定面、垂尾安定面、机翼安定面等，通常采用蜂窝夹层结构。对于形状复杂、小曲面的部件，如升降舵面、方向舵面、副翼舵面等，则倾向于使用泡沫夹层结构。而对于需要较高强度的夹层结构，可能会选择木质夹层。对于那些同时需要高轻度和高刚度的部件，如机身蒙皮、T型梁、L型梁等，则通常采用层压板结构。这些部件的制造需要预成型，并根据所需的面内刚度、弯曲强度、扭转刚度和强度要求，选择合适的增强纤维、基体材料、纤维含量及层合板，以及设计不同的铺设角度、层数和铺层顺序，并通过不同的加热温度和加压压力进行固化。
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