中國(guó)粉體網(wǎng)訊 “有本事你飛過(guò)去啊,！”堵車(chē)時(shí)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(dá)珠海九州灣碼頭,。以往用時(shí)約2到3小時(shí)，而通過(guò)電動(dòng)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(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中提出,，打造低空經(jīng)濟(jì)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(jì)眼下成為“新賽道”。
主流觀點(diǎn)認(rèn)為：低空經(jīng)濟(jì)是以各種有人駕駛和無(wú)人駕駛航空器的各類(lèi)低空飛行活動(dòng)為牽引,，輻射帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài),。具體的航空器又包括了直升機(jī)、無(wú)人機(jī),、熱氣球等,，這其中，無(wú)人機(jī)的制造與應(yīng)用又是低空經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,。
（圖源：pixabay）
更強(qiáng)更輕,，新材料之王獲無(wú)人機(jī)青睞
在航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,，無(wú)人機(jī)是航空領(lǐng)域最主要的產(chǎn)品之一，是該領(lǐng)域中科技成果的代表,，是體現(xiàn)國(guó)家整體科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一�,，F(xiàn)如今在航空領(lǐng)域發(fā)展中無(wú)人機(jī)是發(fā)展的熱點(diǎn)之一，為了滿足無(wú)人機(jī)低成本,、航時(shí)長(zhǎng)且機(jī)動(dòng)性能高的特點(diǎn),，降低無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)重量是有效方法之一。
近年來(lái),，在飛機(jī)的研究中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輕量化成為了工程師們追求的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的輕量化也是非常重要的一環(huán)。因?yàn)榻饘俨牧闲阅芊�(wěn)定且具有高強(qiáng)度,、剛度高和耐沖擊性能好的特點(diǎn),，在傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中金屬材料使用較為廣泛，但相比于復(fù)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(dǎo)致使用金屬材料的結(jié)構(gòu)部件重量更大,，在一定程度上限制了飛機(jī)的續(xù)航能力且增加了能源的消耗,。
20世紀(jì)初，玻璃纖維復(fù)合材料首次應(yīng)用于航空領(lǐng)域并顯示出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的巨大優(yōu)勢(shì),。隨著復(fù)合材料的發(fā)展,，纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料逐漸被大量應(yīng)用，
現(xiàn)在常用的纖維增強(qiáng)型復(fù)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(shù)脂等。隨著纖維生產(chǎn)技術(shù)的成熟,，碳纖維生產(chǎn)成本的降低,，在實(shí)際應(yīng)用中碳纖維復(fù)合材料占據(jù)了主要地位。
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碳纖維復(fù)合材料在機(jī)翼中得到大量使用的原因是碳纖維密度小,、強(qiáng)度高,、材料可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，能承受較大的載荷,，碳纖維材料的可設(shè)計(jì)性,，能讓工程師們?cè)谶M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際情況進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能減少材料的使用而且能降低結(jié)構(gòu)重量,。
碳纖維復(fù)合材料在機(jī)翼中的應(yīng)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(fù)合材料在剛開(kāi)始興起時(shí)由于成本高,、性能不穩(wěn)定只應(yīng)用在了非主承力結(jié)構(gòu)件上，比如飛機(jī)艙門(mén),、整流罩等結(jié)構(gòu)上,。隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，成本大幅降低且工藝技術(shù)更加成熟穩(wěn)定,，碳纖維復(fù)合材料開(kāi)始逐漸應(yīng)用在主承力結(jié)構(gòu)上,，比如飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)部件上,。
2012年,，我國(guó)第一架全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),、氫燃料電池動(dòng)力的無(wú)人機(jī)“雷鳥(niǎo)”試飛成功,，采用了層流翼型、上單翼,、T型尾翼的氣動(dòng)布局,，翼展10.5米，機(jī)長(zhǎng)4.7米,，續(xù)航時(shí)間4小時(shí),，其機(jī)翼是全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
神奇結(jié)構(gòu),，成就新材料之王非凡性能
碳纖維是將有機(jī)纖維在非活性氣體中進(jìn)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(yù),，它的強(qiáng)度是鋼鐵的5到8倍,，但重量只有鋼鐵的1/4，具有高強(qiáng),、輕質(zhì),、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn),，是減重增強(qiáng)的首選材料,，被當(dāng)作國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的戰(zhàn)略物資，稱(chēng)為“新材料之王”,。
從新材料領(lǐng)域理解,，新質(zhì)生產(chǎn)力的“新”第一個(gè)是性能新，第二個(gè)是工藝新,，第三個(gè)是應(yīng)用領(lǐng)域新,，而碳纖維就是新質(zhì)生產(chǎn)力中材料領(lǐng)域的典型代表。
威海光威碳纖維
碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料目前廣泛用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用中,，如航空航天,、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片,、運(yùn)動(dòng)設(shè)備和運(yùn)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(gòu)應(yīng)用，但在低應(yīng)變下,，碳纖維的載荷的能力遠(yuǎn)優(yōu)于這些結(jié)構(gòu)材料,，所以碳纖維在很多領(lǐng)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(jī)物的特性有利于其與有機(jī)聚合物結(jié)合制造復(fù)合材料,，從而以適中的成本生產(chǎn)高強(qiáng)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(gòu)。
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(lèi)似于石墨烯,。在碳纖維中，這些類(lèi)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(gòu)是渦形的,，該結(jié)構(gòu)單元相互連接、折疊,、扭曲和分裂,，在碳纖維內(nèi)形成各種類(lèi)型的微域。簡(jiǎn)而言之,，碳纖維是無(wú)定形碳和石墨碳的混合物,。
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)圖
碳纖維根據(jù)有機(jī)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(jià)格適中,，市場(chǎng)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(dǎo)熱性高，拉伸模量高,，抗沖擊性強(qiáng),，但制造工藝復(fù)雜，成本高,，目前生產(chǎn)銷(xiāo)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(shù)難度大,，設(shè)備復(fù)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(guó)首次成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó),；2022年,，國(guó)產(chǎn)碳纖維用量首次超越進(jìn)口量。2023年五月,，全球單體最大年產(chǎn)2.5萬(wàn)噸高性能碳纖維項(xiàng)目,，在西寧全面投產(chǎn),。隨著國(guó)產(chǎn)化碳纖維大規(guī)模生產(chǎn),，曾經(jīng)被進(jìn)口限制推高的價(jià)格應(yīng)聲回落，受限于成本的需求大量釋放,。
參考來(lái)源：
[1]文齊昱,，聚丙烯基活性碳纖維的制備工藝與結(jié)構(gòu)性能研究，東華大學(xué)
[2]姜子敬等,，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的乘用車(chē)輕量化應(yīng)用,，吉利汽車(chē)研究院
[3]寧銀磊，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化,，西安石油大學(xué)
[4]央視新聞,、光明網(wǎng)、財(cái)聯(lián)社,、滄州日?qǐng)?bào)等
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