近日，哈工大重庆研究院旗下翌翔无人机团队自主研制的国内首架太阳能氢能无人机在重庆首飞。这款无人机不仅采用了太阳能、氢能混合动力系统，还采用了一体化成型轻质碳纤维机身，以实现跨昼夜超长航时飞行。
碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料，在同等重量下拉伸强度可达到钢、铝合金、钛合金的9倍以上，弹性模量可以达到钢、铝合金、钛合金的4倍以上。
此前，碳纤维主要应用于航空航天、风电叶片、体育用品等领域，近年来逐步应用于低空飞行器的制造中：中大型工业用无人机碳纤维用量普遍较多，碳纤维复合材料也成为直升机、eVTOL等的机体主要结构材料。
据StratviewResearch预测，eVTOL行业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）。
轻量化催生碳纤维复合材料需求
在低空航空器中，eVTOL、小无人机、部分轻型飞机由电机驱动，受电池重量影响有效载重减少。因此在选材时，增强减重、降能增程都是重要需求。
碳纤维复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能、热烧灼性能、可设计性和耐冲击性等几方面，具有质量轻、强度高、刚度高、耐疲劳、热膨胀系数小等优异性能。从纯材料密度角度，碳纤维可减重30%-50%左右，是不少行业轻量化的重点之一。
其应用于低空航空器的结构部件中，一方面使低空航空器在保持高性能的同时，实现轻量化、小型化和高稳定性，同时能提高其耐久性；另一方面，采用碳纤维复合材料的低空航空器可在恶劣环境下长期使用，并且能够执行特殊任务。
尤其在eVTOL中，StratviewResearch数据显示，复合材料使用量占所有材料使用量的比例超过70%。其中，90%以上的复合材料将是碳纤维，其余10%的复合材料以保护膜的形式使用玻璃纤维增强材料。
按此推算，碳纤维复合材料在eVTOL的材料中占63%以上。具体而言，碳纤维在主结构（包括机身、机翼、旋翼外壳等）、推进系统（如旋翼叶片、螺旋桨等）、内部结构（如墙隔板、座椅靠背等）以及动力系统（如电池架和电池盒）中均有应用。
据统计，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%。在此基础上，业界还在探索新的减重路径。
如在近日，国内首架全碳纤维复合材料3D打印技术验证机“同飞一号”试飞成功。同济大学航空航天与力学学院院长李岩指出，使用3D打印碳纤维复合材料的无人机，可以实现更大的减重，从而提高无人机的载重、可操控性和续航能力。
成本与性能的再衡量
低空经济有望成为碳纤维行业的新增长点。但碳纤维的成本相对较高，也给厂商增加了一道难题。
根据纤维数量，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两类：小丝束碳纤维（通常指24K以下的碳纤维）具有优异的性能，但成本较高；大丝束碳纤维（24K及以上）成本较低，但性能相对较低。
拉长时间线看，碳纤维价格自去年一路下探，至今年年初触底反弹，当前已企稳。从9月7日至9月13日的价格看，碳纤维市场均价为85元/千克。其中，碳纤维大丝束国内均价为72.5元/千克，碳纤维小丝束国内均价为97.5元/千克。
“无人机体积越大，越可以使用大丝束碳纤维。”有石化行业人士告诉21世纪经济报道记者，小型无人机通常使用3K、6K或12K的碳纤维，中型到大型无人机可能会使用12K、24K或更高规格的碳纤维，轻型飞机则可能使用24K、36K或更高规格的碳纤维。
对于碳纤维制造商而言，生产大丝束碳纤维的性价比也更高：相对于小丝束，大丝束碳纤维可以在相同的生产条件下大幅提高碳纤维的单线产能，进而降低生产成本，也有望打开更多下游市场。
在生产成本之外，碳纤维复合材料在低空领域应用前，需要经过适航认证，大量的材料测试也会导致成本提升。
前述石化行业人士告诉记者，材料认证的过程通常需要对材料本身以及其生产过程进行评估和验证，保证生产的一致性、可靠性及稳定性。“载人场景的认证标准比航空航天的标准高，需要通过航空体系认证、PCD适航认证等。”
吉林化纤曾在回答投资者提问时介绍道，碳纤维复合材料根据不同品种，不同客户，不同使用场景，对产品的认证周期不一样，一般为六个月以上。
从成本、认证周期看，碳纤维离大批量放量还要一段时间。对于国产碳纤维而言，这种局面也提供了技术进步与产能扩张的时间窗口。（来源：21世纪经济报道）
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