中國粉體網(wǎng)訊  “有本事你飛過去��！”堵車時路怒族的調(diào)侃，正在成為可能。

今年2月27日，全球首條低空航線在深圳首飛。一架2噸重，載重400公斤的純電E-VITOL五座飛行器從深圳蛇口郵輪母港起飛，抵達珠海九州灣碼頭。以往用時約2到3小時，而通過電動垂直起降航空器，僅需20分鐘就可以完成深圳、珠海間的跨城之旅。

去年底，召開的中央經(jīng)濟工作會議中提出，打造低空經(jīng)濟等若干戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。這其中，作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，低空經(jīng)濟眼下成為“新賽道”。

主流觀點認為：低空經(jīng)濟是以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關領域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)。具體的航空器又包括了直升機、無人機、熱氣球等，這其中，無人機的制造與應用又是低空經(jīng)濟的重要組成部分。

（圖源：pixabay）

更強更輕，新材料之王獲無人機青睞

在航空航天結(jié)構設計中，無人機是航空領域最主要的產(chǎn)品之一，是該領域中科技成果的代表，是體現(xiàn)國家整體科技水平的重要標準之一�，F(xiàn)如今在航空領域發(fā)展中無人機是發(fā)展的熱點之一，為了滿足無人機低成本、航時長且機動性能高的特點，降低無人機結(jié)構重量是有效方法之一。

近年來，在飛機的研究中實現(xiàn)飛機輕量化成為了工程師們追求的重要標準之一，實現(xiàn)機翼的輕量化也是非常重要的一環(huán)。因為金屬材料性能穩(wěn)定且具有高強度、剛度高和耐沖擊性能好的特點，在傳統(tǒng)飛機結(jié)構中金屬材料使用較為廣泛，但相比于復合材料，常用的鋁合金、鈦合金和鋼等金屬材料的密度更大，導致使用金屬材料的結(jié)構部件重量更大，在一定程度上限制了飛機的續(xù)航能力且增加了能源的消耗。

20世紀初，玻璃纖維復合材料首次應用于航空領域并顯示出了纖維增強復合材料的巨大優(yōu)勢。隨著復合材料的發(fā)展，纖維增強型復合材料逐漸被大量應用，
現(xiàn)在常用的纖維增強型復合材料的纖維有碳纖維、凱夫拉纖維和硼纖維等，常用的基體材料有聚酰亞胺和熱塑性樹脂等。隨著纖維生產(chǎn)技術的成熟，碳纖維生產(chǎn)成本的降低，在實際應用中碳纖維復合材料占據(jù)了主要地位。

（圖源：pixabay）

碳纖維復合材料在機翼中得到大量使用的原因是碳纖維密度小、強度高、材料可設計性等優(yōu)點，能承受較大的載荷，碳纖維材料的可設計性，能讓工程師們在進行結(jié)構設計時根據(jù)結(jié)構受力的實際情況進行局部結(jié)構設計，不僅能減少材料的使用而且能降低結(jié)構重量。

碳纖維復合材料在機翼中的應用主要是以層合板的形式為主，層合板是由多層纖維鋪疊而成，性能優(yōu)異，能夠替代傳統(tǒng)的金屬材料。碳纖維復合材料在剛開始興起時由于成本高、性能不穩(wěn)定只應用在了非主承力結(jié)構件上，比如飛機艙門、整流罩等結(jié)構上。隨著碳纖維生產(chǎn)技術的發(fā)展，成本大幅降低且工藝技術更加成熟穩(wěn)定，碳纖維復合材料開始逐漸應用在主承力結(jié)構上，比如飛機的機翼、機身等結(jié)構部件上。

2012年，我國第一架全碳纖維復合材料結(jié)構、氫燃料電池動力的無人機“雷鳥”試飛成功，采用了層流翼型、上單翼、T型尾翼的氣動布局，翼展10.5米，機長4.7米，續(xù)航時間4小時，其機翼是全碳纖維復合材料結(jié)構。

神奇結(jié)構，成就新材料之王非凡性能

碳纖維是將有機纖維在非活性氣體中進行高溫碳化，分離掉碳以外的元素后所得的纖維體材料，素有工業(yè)界“黑色黃金”美譽，它的強度是鋼鐵的5到8倍，但重量只有鋼鐵的1/4，具有高強、輕質(zhì)、耐高溫、耐腐蝕的特點，是減重增強的首選材料，被當作國民經(jīng)濟和國防安全的戰(zhàn)略物資，稱為“新材料之王”。

從新材料領域理解，新質(zhì)生產(chǎn)力的“新”第一個是性能新，第二個是工藝新，第三個是應用領域新，而碳纖維就是新質(zhì)生產(chǎn)力中材料領域的典型代表。

威海光威碳纖維

碳纖維增強聚合物復合材料目前廣泛用于結(jié)構應用中，如航空航天、風力渦輪機葉片、運動設備和運輸。其他商用纖維，如玻璃纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等，也用于不同的結(jié)構應用，但在低應變下，碳纖維的載荷的能力遠優(yōu)于這些結(jié)構材料，所以碳纖維在很多領域正逐步取代這些纖維，在高性能纖維中的占比不斷增加。

碳纖維源于有機物的特性有利于其與有機聚合物結(jié)合制造復合材料，從而以適中的成本生產(chǎn)高強度、高剛度、耐腐蝕和重量輕的產(chǎn)品。碳纖維非凡的性能源于其內(nèi)部高度取向的石墨微結(jié)構。

碳纖維的基本組成部分是六邊形排列的sp2鍵碳原子的二維片材，類似于石墨烯。在碳纖維中，這些類石墨片層之間并不像天然石墨那樣平行和規(guī)整地排列，而是相互纏繞、連接良好，并優(yōu)先沿纖維軸排列。

碳纖維的基本結(jié)構是渦形的，該結(jié)構單元相互連接、折疊、扭曲和分裂，在碳纖維內(nèi)形成各種類型的微域。簡而言之，碳纖維是無定形碳和石墨碳的混合物。

碳纖維的微觀結(jié)構圖

碳纖維根據(jù)有機纖維原料的不同，可以分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝難度低，品種多，價格適中，市場上90%以上的碳纖維是以PAN纖維為原料制成的PAN基碳纖維。瀝青基碳纖維的導熱性高，拉伸模量高，抗沖擊性強，但制造工藝復雜，成本高，目前生產(chǎn)銷售的規(guī)模較小。粘膠基碳纖維耐高溫性高，但碳化率低，技術難度大，設備復雜，成本高，主要用于耐燒蝕和隔熱材料。

（圖源：威海光威）

2021年，我國首次成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國；2022年，國產(chǎn)碳纖維用量首次超越進口量。2023年五月，全球單體最大年產(chǎn)2.5萬噸高性能碳纖維項目，在西寧全面投產(chǎn)。隨著國產(chǎn)化碳纖維大規(guī)模生產(chǎn)，曾經(jīng)被進口限制推高的價格應聲回落，受限于成本的需求大量釋放。

參考來源：

[1]文齊昱，聚丙烯基活性碳纖維的制備工藝與結(jié)構性能研究，東華大學

[2]姜子敬等，碳纖維增強復合材料的乘用車輕量化應用，吉利汽車研究院

[3]寧銀磊，纖維增強復合材料機翼結(jié)構設計及優(yōu)化，西安石油大學

[4]央視新聞、光明網(wǎng)、財聯(lián)社、滄州日報等

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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