低空经济报：低空经济，让“新材料之王”大展拳脚

　　2024年中国·廊坊国际经济贸易洽谈会于6月16日至20日在廊坊市举办。在16日的洽谈会上，小鹏汇天旅航者X2在北京大兴国际机场临空经济区正式完成首飞。

　　旅航者X2全机身采用碳纤维材料打造，兼顾安全性和轻量化，外观为水滴状，具有良好启动性能。小鹏汇天在官方公众号上表示，首款量产产品正是分体式飞行汽车“陆地航母”将于今年四季度开启预订。

　　碳纤维是性能优异、用途广泛的国家战略性新材料，被誉为21世纪的“黑色黄金”。“轻质高强”是其最主要特色，其抗拉强度和比强度已经大大超过了钢铁，特别适用于各类运输类材料，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。

　　2024年2月27日，全球首条低空航线在深圳首飞。一架2吨重，载重400公斤的纯电E-VITOL五座飞行器从深圳蛇口邮轮母港起飞，抵达珠海九州湾码头。以往用时约2到3小时，而通过电动垂直起降航空器，仅需20分钟就可以完成深圳、珠海间的跨城之旅。

　　更强更轻，新材料之王获无人机青睐

　　在航空航天结构设计中，无人机是航空领域最主要的产品之一，是该领域中科技成果的代表，是体现国家整体科技水平的重要标准之一。现如今在航空领域发展中无人机是发展的热点之一，为了满足无人机低成本、航时长且机动性能高的特点，降低无人机结构重量是有效方法之一。

　　近年来，在飞机的研究中实现飞机轻量化成为了工程师们追求的重要标准之一，实现机翼的轻量化也是非常重要的一环。因为金属材料性能稳定且具有高强度、刚度高和耐冲击性能好的特点，在传统飞机结构中金属材料使用较为广泛，但相比于复合材料，常用的铝合金、钛合金和钢等金属材料的密度更大，导致使用金属材料的结构部件重量更大，在一定程度上限制了飞机的续航能力且增加了能源的消耗。

　　20世纪初，玻璃纤维复合材料首次应用于航空领域并显示出了纤维增强复合材料的巨大优势。随着复合材料的发展，纤维增强型复合材料逐渐被大量应用，

　　现在常用的纤维增强型复合材料的纤维有碳纤维、凯夫拉纤维和硼纤维等，常用的基体材料有聚酰亚胺和热塑性树脂等。随着纤维生产技术的成熟，碳纤维生产成本的降低，在实际应用中碳纤维复合材料占据了主要地位。

　　碳纤维复合材料在机翼中得到大量使用的原因是碳纤维密度小、强度高、材料可设计性等优点，能承受较大的载荷，碳纤维材料的可设计性，能让工程师们在进行结构设计时根据结构受力的实际情况进行局部结构设计，不仅能减少材料的使用而且能降低结构重量。

　　碳纤维复合材料在机翼中的应用主要是以层合板的形式为主，层合板是由多层纤维铺叠而成，性能优异，能够替代传统的金属材料。碳纤维复合材料在刚开始兴起时由于成本高、性能不稳定只应用在了非主承力结构件上，比如飞机舱门、整流罩等结构上。随着碳纤维生产技术的发展，成本大幅降低且工艺技术更加成熟稳定，碳纤维复合材料开始逐渐应用在主承力结构上，比如飞机的机翼、机身等结构部件上。

　　2012年，我国第一架全碳纤维复合材料结构、氢燃料电池动力的无人机“雷鸟”试飞成功，采用了层流翼型、上单翼、T型尾翼的气动布局，翼展10.5米，机长4.7米，续航时间4小时，其机翼是全碳纤维复合材料结构。

　　神奇结构，成就新材料之王非凡性能

　　碳纤维是将有机纤维在非活性气体中进行高温碳化，分离掉碳以外的元素后所得的纤维体材料，素有工业界“黑色黄金”美誉，它的强度是钢铁的5到8倍，但重量只有钢铁的1/4，具有高强、轻质、耐高温、耐腐蚀的特点，是减重增强的首选材料，被当作国民经济和国防安全的战略物资，称为“新材料之王”。

　　从新材料领域理解，新质生产力的“新”第一个是性能新，第二个是工艺新，第三个是应用领域新，而碳纤维就是新质生产力中材料领域的典型代表。

　　碳纤维增强聚合物复合材料目前广泛用于结构应用中，如航空航天、风力涡轮机叶片、运动设备和运输。其他商用纤维，如玻璃纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等，也用于不同的结构应用，但在低应变下，碳纤维的载荷的能力远优于这些结构材料，所以碳纤维在很多领域正逐步取代这些纤维，在高性能纤维中的占比不断增加。

　　碳纤维源于有机物的特性有利于其与有机聚合物结合制造复合材料，从而以适中的成本生产高强度、高刚度、耐腐蚀和重量轻的产品。碳纤维非凡的性能源于其内部高度取向的石墨微结构。

　　碳纤维的基本组成部分是六边形排列的sp2键碳原子的二维片材，类似于石墨烯。在碳纤维中，这些类石墨片层之间并不像天然石墨那样平行和规整地排列，而是相互缠绕、连接良好，并优先沿纤维轴排列。

　　碳纤维的基本结构是涡形的，该结构单元相互连接、折叠、扭曲和分裂，在碳纤维内形成各种类型的微域。简而言之，碳纤维是无定形碳和石墨碳的混合物。

　　碳纤维的微观结构图

　　碳纤维根据有机纤维原料的不同，可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维生产工艺难度低，品种多，价格适中，市场上90%以上的碳纤维是以PAN纤维为原料制成的PAN基碳纤维。沥青基碳纤维的导热性高，拉伸模量高，抗冲击性强，但制造工艺复杂，成本高，目前生产销售的规模较小。粘胶基碳纤维耐高温性高，但碳化率低，技术难度大，设备复杂，成本高，主要用于耐烧蚀和隔热材料。

　　2021年，我国首次成为全球最大的碳纤维生产国；2022年，国产碳纤维用量首次超越进口量。2023年五月，全球单体最大年产2.5万吨高性能碳纤维项目，在西宁全面投产。随着国产化碳纤维大规模生产，曾经被进口限制推高的价格应声回落，受限于成本的需求大量释放。