【行业资讯】碳纤维复合材料在低空经济中的应用

低空经济：新兴经济领域的蓬勃发展

在当今经济发展的大格局中，低空经济作为一个新兴领域，正以迅猛的态势崛起，成为推动经济增长的新引擎。低空经济，主要涵盖了在 1000 米以下低空领域，可根据情况延伸至不超过 3000 米，基于通用航空运输、通用航空器研发制造、低空旅游等产业所形成的经济模式。近年来，随着政策的逐步放开和技术的飞速进步，低空经济迎来了前所未有的发展机遇。

政策层面，国家出台了一系列鼓励低空经济发展的政策，不断推进低空领域的开放与管理改革，为低空经济的发展创造了良好的政策环境。在技术领域，航空技术、材料科学等相关学科的突破，为低空经济的腾飞提供了坚实的技术支撑。特别是碳纤维复合材料的出现，为低空经济的发展注入了强大的动力。

碳纤维复合材料：卓越性能铸就行业优势

（一）优异的力学性能

1、高强度：碳纤维复合材料的高强度特性令人瞩目，其抗拉强度可达钢材的 7 - 9 倍。在低空飞行器的制造中，这一特性尤为关键。以无人机为例，采用碳纤维复合材料制作机翼和机身结构，不仅能保证结构强度，还能大幅减轻飞行器重量，提升飞行性能。一款常见的工业级无人机，使用碳纤维复合材料制作机翼后，在承受相同飞行载荷的情况下，重量相较于传统金属材料机翼减轻了约 30% - 40%，同时机翼的抗疲劳性能显著提升，有效延长了无人机的使用寿命。

2、高模量：碳纤维复合材料的弹性模量也十分出色，比钢材高出数倍。这意味着在受力时，它的变形量更小，能够更好地保持结构的稳定性。在直升机的旋翼系统中，这一特性得到了充分体现。直升机旋翼在高速旋转时，需要承受巨大的离心力和空气动力载荷。采用碳纤维复合材料制造的旋翼，能够在高速旋转时保持稳定的形状和性能，有效提高直升机的飞行安全性和操控性。

（二）显著的轻量化优势

碳纤维复合材料的密度极低，仅为钢材的 1/4 左右。对于低空飞行器而言，轻量化是提高飞行效率、降低能耗的关键因素。以电动垂直起降飞行器（eVTOL）为例，由于其主要依靠电力驱动，电池的重量对飞行器的有效载重和续航里程影响巨大。在 eVTOL 的设计中，大量采用碳纤维复合材料，能够显著减轻机身重量，从而增加有效载重和续航里程。据相关研究数据表明，将碳纤维复合材料用于打造 eVTOL，能够帮助机身整体重量减少 30% - 40%。这不仅使得 eVTOL 在载人运输、物流配送等领域具有更大的应用潜力，还能降低其运营成本，提高经济效益。

（三）出色的耐腐蚀性和耐疲劳性

1、耐腐蚀性：在复杂的低空环境中，飞行器常常面临各种腐蚀性物质的侵蚀，如潮湿的空气、工业废气等。碳纤维复合材料具有出色的耐腐蚀性，能够在恶劣的环境中保持稳定的性能。例如，在沿海地区使用的无人机，由于长期处于高湿度、高盐分的环境中，传统金属材料制作的无人机机身容易受到腐蚀，导致结构强度下降。而采用碳纤维复合材料制作的无人机机身，能够有效抵抗盐雾腐蚀，保证无人机在恶劣环境下的正常运行，大大降低了维护成本和更换频率。

2、耐疲劳性：低空飞行器在频繁的起降和飞行过程中，结构部件会承受反复的交变载荷。碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性能，能够承受数百万次甚至更多次的交变载荷而不发生疲劳破坏。这一特性使得碳纤维复合材料在无人机、直升机等低空飞行器的关键结构部件，如起落架、机翼连接部位等得到广泛应用。以某款频繁执行航拍任务的无人机为例，其起落架采用碳纤维复合材料制造，经过长时间的频繁起降测试，起落架结构依然保持完好，未出现明显的疲劳损伤迹象，有效保障了无人机的飞行安全。

碳纤维复合材料在低空经济中的应用实例

（一）无人机领域

1、机身结构：在各类无人机中，碳纤维复合材料被广泛应用于机身结构的制造。无论是消费级无人机，还是工业级无人机，都能看到碳纤维复合材料的身影。消费级无人机的机身采用碳纤维复合材料，不仅能够减轻重量，提高飞行灵活性，还能提升外观质感。工业级无人机在执行测绘、巡检、农业植保等任务时，需要具备更高的强度和稳定性。碳纤维复合材料制作的机身，能够满足工业级无人机在复杂环境下长时间作业的需求。例如，在电力巡检无人机中，碳纤维复合材料机身能够抵抗高空强风、雷电等恶劣天气的影响，确保无人机稳定飞行，准确完成电力线路的巡检任务。

2、旋翼和机翼：碳纤维复合材料在无人机的旋翼和机翼制造中也发挥着重要作用。旋翼和机翼作为无人机产生升力和控制飞行姿态的关键部件，对材料的性能要求极高。碳纤维复合材料的高强度、高模量和轻量化特性，使得制造出的旋翼和机翼具有更好的气动性能和结构稳定性。在一些专业的航拍无人机中，采用碳纤维复合材料制作的旋翼，能够在高速旋转时保持平稳，减少震动，从而拍摄出更加清晰、稳定的画面。在长航时无人机中，碳纤维复合材料机翼的应用，能够有效降低机翼重量，提高升阻比，延长无人机的续航时间。

3、其他部件：除了机身、旋翼和机翼，无人机的许多其他部件也采用了碳纤维复合材料。例如，无人机的舵面、发动机部件等。碳纤维复合材料制作的舵面，响应速度快，控制精度高，能够有效提升无人机的操控性能。在无人机发动机部件中，使用碳纤维复合材料能够减轻发动机重量，提高发动机的功率重量比，从而提升无人机的动力性能。

（二）eVTOL 飞行器领域

1、机身结构：eVTOL 飞行器作为低空经济的核心产品，对材料的性能要求极为苛刻。在主流的 eVTOL 设计方案中，超过 90% 都采用了以碳纤维为主的复合材料，机身结构更是几乎全部采用碳纤维复合材料。以小鹏汇天的旅航者 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。碳纤维复合材料机身不仅减轻了飞行器的重量，还提高了机身的强度和刚度，确保在飞行过程中能够承受各种复杂的载荷。同时，碳纤维复合材料的耐腐蚀性和耐疲劳性，也使得 eVTOL 飞行器的机身结构更加可靠，使用寿命更长。

2、推进系统：在 eVTOL 飞行器的推进系统中，碳纤维复合材料同样有着广泛的应用。旋翼桨叶作为推进系统的关键部件，大多选用了航空业目前最先进的碳纤维环氧树脂基复合材料。这种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。在一些 eVTOL 飞行器的螺旋桨设计中，也采用了碳纤维复合材料，能够有效提高螺旋桨的效率，降低噪音。

3、内部结构和其他部件：除了机身结构和推进系统，eVTOL 飞行器的内部结构，如横梁、座椅结构等，以及电池系统、航空电子设备等小型应用部件，也大量使用了碳纤维复合材料。碳纤维复合材料制作的横梁和座椅结构，在保证强度的同时，减轻了重量，提高了飞行器的内部空间利用率。在电池系统中，使用碳纤维复合材料制作电池盒，能够起到良好的保护作用，同时减轻电池系统的重量，提高 eVTOL 飞行器的能源利用效率。航空电子设备采用碳纤维复合材料外壳，能够有效屏蔽电磁干扰，提高设备的稳定性和可靠性。

未来研究方向展望

（一）降低成本

1、原材料成本控制：碳纤维的生产原材料主要是聚丙烯腈（PAN）纤维等，目前其成本相对较高。未来的研究方向之一是开发新的原材料来源或改进生产工艺，以降低原材料成本。例如，探索利用可再生资源制备碳纤维前驱体的方法，或者优化 PAN 纤维的生产流程，提高生产效率，降低原材料的消耗。

2、生产工艺优化：碳纤维复合材料的生产工艺复杂，包括纤维制备、树脂基体合成、复合材料成型等多个环节，每个环节都存在成本降低的空间。在纤维制备方面，研发更高效的碳化和石墨化工艺，提高碳纤维的成品率和质量稳定性。在复合材料成型工艺上，推广自动化、数字化的成型技术，如自动铺丝、3D 打印等，减少人工成本，提高生产效率，降低废品率。

3、回收再利用技术研发：随着碳纤维复合材料的广泛应用，其回收再利用问题日益受到关注。研究有效的回收技术，将废弃的碳纤维复合材料进行回收处理，重新提取出碳纤维或制备成低附加值的复合材料产品，不仅可以降低对新原材料的需求，还能减少环境污染，实现资源的循环利用。例如，开发热解、溶解等回收工艺，将碳纤维从废弃的复合材料中分离出来，经过处理后重新用于生产一些对性能要求相对较低的产品。

（二）提高性能

1、增强材料性能：进一步提高碳纤维复合材料的强度、模量、韧性等性能指标，以满足低空飞行器在更复杂工况下的使用需求。通过优化碳纤维的微观结构，如控制石墨微晶的尺寸和排列方式，提高碳纤维的本征性能。同时，研发新型的树脂基体或增强相，与碳纤维形成更优的复合材料体系，提升复合材料的综合性能。例如，采用纳米粒子增强树脂基体，改善复合材料的界面性能，提高其抗冲击性能和疲劳性能。

2、拓展功能特性：除了基本的力学性能，赋予碳纤维复合材料更多的功能特性，如自修复、隐身、智能感知等。在自修复方面，研究在复合材料中引入自修复微胶囊或智能材料，当材料出现损伤时，能够自动进行修复，提高材料的使用寿命和可靠性。在隐身功能方面，通过对碳纤维表面进行特殊处理或添加吸波材料，使碳纤维复合材料具有吸收或散射雷达波的能力，满足一些特殊用途低空飞行器的隐身需求。在智能感知方面，将传感器等智能元件集成到碳纤维复合材料中，实现对飞行器结构状态的实时监测和预警。

（三）创新应用

1、新型飞行器设计：结合碳纤维复合材料的特性，开展新型低空飞行器的设计研发。例如，设计具有独特气动外形和结构布局的飞行器，充分发挥碳纤维复合材料轻量化和可设计性强的优势，提高飞行器的性能和效率。探索开发可变形、可折叠的飞行器结构，利用碳纤维复合材料的柔韧性和高强度，实现飞行器在不同飞行阶段或使用场景下的形态变化，拓展飞行器的应用范围。

2、与其他技术融合：推动碳纤维复合材料与新能源、人工智能、物联网等技术的深度融合。在与新能源融合方面，研究将碳纤维复合材料应用于新型电池电极材料或电池外壳，提高电池的性能和安全性。在与人工智能融合方面，利用碳纤维复合材料的智能感知特性，结合人工智能算法，实现对飞行器结构健康状态的智能诊断和预测性维护。在与物联网融合方面，通过在碳纤维复合材料部件中嵌入物联网模块，实现对飞行器的远程监控和管理，提高飞行器的运营效率和安全性。

结语

碳纤维复合材料凭借其卓越的性能优势，在当前的低空经济领域已经展现出了巨大的应用价值，成为推动低空经济发展的重要力量。从无人机到 eVTOL 飞行器，碳纤维复合材料在各类低空飞行器的制造中都发挥着关键作用，有效提升了飞行器的性能、降低了能耗、延长了使用寿命。

展望未来，随着对碳纤维复合材料研究的不断深入，在降低成本、提高性能和创新应用等方面取得更多突破，碳纤维复合材料必将在低空经济中迎来更广阔的应用前景。它将进一步推动低空经济产业的发展壮大，为人们的生活和经济发展带来更多的便利和机遇。无论是在城市空中交通、物流配送，还是在应急救援、低空旅游等领域，碳纤维复合材料都有望发挥更大的作用，助力低空经济成为经济发展的新引擎。我们期待着碳纤维复合材料在低空经济的蓝天下，继续绽放光彩，创造更多的奇迹。