复合材料在低空万亿市场中的新机遇

eVTOL&复合材料

电动垂直起降（eVTOL）飞机并不代表复合材料应用于交通行业的第一次机会。复合材料在航空航天、汽车和船舶终端市场的成功已不是什么秘密， 但电动垂直起降行业对复合材料行业来说就像黄金一样重要的是其渗透程度。

例如，波音787飞机作为飞机使用复合材料的领军者，其50%的结构是由复合材料制成的。对于汽车行业，这一数字要低得多，复合材料在轻型汽车中占整车重量的8~12%。然而，对于eVTOL，无论制造商是谁，这一数字平均高达材料混合的70%。

由于大多数eVTOL将是电池供电，轻量化是必要的且不止一种方式（即，制造更轻的组件，也选择需要较少组件的设计）。除此之外，eVTOL还规定了严格的结构要求。正因为如此，复合材料是eVTOL制造商的一个显而易见的解决方案。

eVTOL项目中使用的复合材料中，约75~80%将用于结构部件和推进系统，其次是梁、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加起来，将占剩余的8~12%。

eVTOL中使用的复合材料90%以上将是碳纤维。约10%的复合材料将使用玻璃纤维增强保护膜的形式。

材料选择与认证挑战

然而，随着eVTOL市场的发展和生产量的增加，热塑性树脂系统可能会因其可回收性和成本效益而变得越来越有吸引力。虽然目前热塑性树脂主要被用于制造第一代eVTOL的较小部件，但预计随着技术的进步和生产规模的扩大，热塑性材料的应用将逐渐扩展到更广泛的领域。

到2030年，eVTOL行业对复合材料的需求预计将达到6.73亿美元，而2024年仅为3620万美元。东丽公司（位于美国加州摩根山）已经抓住了这一机遇，因为它已经与Joby Aviation（位于美国加州圣克鲁斯）和Lilium（位于德国韦斯林）建立了合作关系，这两家公司在认证竞争中处于领先地位。Hexcel公司（位于美国康涅狄格州斯坦福）和Solvay公司（位于美国佐治亚州Alpharetta）也是早期进入这一领域的公司，并且分别与Archer Aviation（位于美国加州圣何塞）和Vertical Aerospace签订了合同。

一个潜在的问题是原材料供应，尤其是碳纤维。AAM（城市空中交通）市场对复合材料的需求巨大，这不仅因为它们是实现eVTOL轻量化目标的关键，还因为它们在商业航空和汽车领域的广泛应用。随着eVTOL商业化的推进，原材料供应的紧张可能会成为一个问题。

安全、经济、便捷且适用于城市间和城市内的空中交通模式，对于希望摆脱地面拥堵的旅行者来说，具有极大的吸引力。然而，如果这些预期未能实现，市场的热度和期待也可能化为泡影。对于AAM的各方参与者来说，未来几年将是实现其宏伟目标的关键时期。我们期待在未来几年内，eVTOL能够开启一个全新的移动时代，并证明其价值超越了当前的兴奋与期待。

无人机的性能和效率在很大程度上取决于其是否具有轻质框架结构。在这方面，碳纤维是一个有价值的补充，因为它有助于创建既坚固又轻质的框架。这是由于纤维的组成，本质上是在聚合物基质中错综复杂排列的碳纤维束。由此产生的强度重量比使它们能够减轻重量，同时不损害部件的结构完整性。

在无人机臂和螺旋桨中实现最大的刚度和硬度

无人机的稳定性在很大程度上取决于其臂和螺旋桨的刚度和硬度。由碳纤维增强的聚合物基质提供了无与伦比的硬度，并增加了原本不存在的刚度程度。这种硬度可防止无人机飞行过程中过度弯曲，这就是为什么它增强了用户对飞行器的总体控制。在需要极高精度的地方，如无人机必须收集准确数据的测绘中，这种控制是不可或缺的。如果有太多的移动，这是不可能实现的。碳纤维融入无人机零部件制造凸显了其在实现稳定性、控制和空气动力效率方面的关键作用。此外，由于螺旋桨的螺距和形状在旋转过程中不会改变，空气动力性能得到了优化。这是因为振动频率降低，从而实现了无湍流飞行。

减震以增强稳定性

在处理无人机的振动方面，碳纤维表现出色。它的组成有助于吸收振动并随后将其以热量的形式消散。这可以防止振动疲劳的累积，而振动疲劳可能导致长期的磨损。因此，无人机的使用寿命不会因无意义的原因而缩短，并且可能超过预期寿命。此外，这对于必须在运行中保持一定稳定性的无人机零部件制造非常有利。进行有效载荷交付的无人机就是一个例子。由于碳纤维的高阻尼能力，有效载荷可以几乎无偏差地投放到正确位置。使碳纤维成为无人机的优质材料的另一个关键因素是它是一种隔振材料。这意味着即使无人机的某些部分产生振动，碳纤维也可以防止其传播到其他更关键的区域。在抵抗共振方面，它也非常有效。当无人机飞行时，由于周围的频率，其振动可能会增加。然而，当使用碳纤维而非传统材料时，这就不再是一个令人担忧的问题。

改善电绝缘和射频透明度

仅仅讨论碳纤维的结构优势并不能完全体现它在其他方面的卓越之处。其复杂的纤维束结构不仅赋予了它强度，还改善了其电绝缘和射频透明度特性。增强这些特性至关重要，因为大多数电子元件非常敏感，在导电时可能会受损。碳纤维框架尤其充当了绝缘屏障，将电子设备与外部条件（如雨水、电磁干扰和热浪）隔离开来。因此，您不必限制使用无人机的位置，因为它们可以在任何环境条件下使用。经常在沿海地区使用的碳纤维无人机就证明了这一点。碳纤维可防止盐水渗入电子设备，从而避免腐蚀，保持耐用性。