热点关注·碳纤维：产能过剩、价格承压背后暗藏哪些机会？

无人驾驶飞行器（UAV）已经开发和使用多年。还有其他术语可以描述这个市场，包括无人机，通常用于描述小型系统，以及无人机系统 (UAS)，通常被军事组织更频繁地使用。美国空军最近引入了 ORB 一词来描述自主或半自主的中小型有人和无人机系统。ORB 可以携带人员、货物和/或传感器，并可用于商业和军事应用。我们将重点关注无人机以及该市场的材料和航空结构需求。轻巧的所有航空航天系统都需要轻量化。结构越轻，运行效率越高，覆盖范围越长，承载的有效载荷越大，在空中停留的时间就越长。由于无人机是无人驾驶飞行，因此它们需要传感器、摄像头和电子设备。减轻结构的重量使其能够携带更多传感器、更多有效载荷和/或在空中停留更长时间。小型无人机主要依靠电池供电，而电池很重，因此需要进一步减轻结构其余部分的重量。今天，几乎所有的无人机结构都是由碳纤维复合材料制成的。这与有人驾驶的航空形成鲜明对比，后者目前的大部分结构除了碳纤维复合材料外，还由铝和钛制成。较新的商用载客系统使用约 50% 的碳纤维复合材料，这在未来平台上可能会进一步增加。复合材料为轻型飞行器提供了多种优势。碳纤维本身重量轻，密度约为每立方厘米 2 克 (g/cm 3 )。作为参考，水为 1 g/cm 3 ，铝为 2.7 g/cm 3 ，钛为 4.5 g/cm 3 。对于碳纤维复合材料，碳纤维嵌入基质材料中，该基质材料通常为环氧树脂或热塑性材料，这些材料的密度通常在 1 至 1.4 g/cm 3 之间。碳复合材料通常由35%至45%的碳纤维组成，因此复合材料的整体密度在1.3至1.6 g/cm 3的范围内。另一个重要的衡量标准是刚度重量比，也称为比刚度或比模量。刚度是衡量材料在施加载荷时的拉伸程度。对于给定的负载，较硬的材料比较硬的材料拉伸的量更小。比刚度越高，对于给定刚度关键结构应用而言，材料就越好。高比刚度材料通常用于航空航天。作为参考，钛的比刚度为 25，铝的比刚度为 26，碳复合材料的比刚度为 113 [维基 百科 - 比刚度]。对于航空航天应用，刚度非常重要。对于空气动力学，您希望结构保持相对刚性以保持其空气动力学形状。此外，刚度对于旋转叶片（例如转子、螺旋桨或发动机风扇叶片）以及经历加压循环的结构非常重要。与刚度重量比类似，航空航天结构设计也需要高强度重量比材料。这也称为比强度。强度是结构在断裂或失效之前可以承受的载荷量。比强度越高，材料对于给定结构载荷的性能就越好。正如所讨论的，碳纤维具有高刚度，但它会在少量伸长时断裂。由于塑性变形，金属在断裂之前往往会显着拉伸和变形。我们知道，金属结构在承受高载荷时往往会凹陷，并且可能需要很大的力才能撕裂和断裂金属。碳纤维复合材料不会永久变形，但会在一小部分伸长率后断裂。由于碳复合材料非常坚硬，因此需要承受很大的载荷才能断裂。对于航空航天，首选高比刚度和高比强度材料，两者的结合是材料选择的关键驱动因素。在负载下保持其形状的刚性材料比永久变形的材料更好，并且它们应该承受高飞行负载而不断裂。作为参考，铝的比强度为 115，钛的比强度为 76，碳复合材料的比强度为 785 [维基百 科 - 比强度]。如您所见，碳纤维复合材料具有较高的比刚度和强度，这使其成为航空航天应用的首选材料。图 1 很好地说明了这一点，其中针对特定刚度和特定强度绘制了各种材料。如图所示，碳纤维复合材料位于右上象限，显示出比强度和刚度的良好组合。图1 - 比刚度与比强度轻型结构的另一个方面是设计和组装。可以增加重量的设计的一个方面是紧固件的使用。用于紧固件连接组件的结构中的钻孔会显着增加重量，因为这些孔会削弱结构。连接点也会成为应力集中点，因此它们可以承受比周围结构更高的局部载荷，因此需要通过诸如灌注、成型和模塑工艺等技术来减少对紧固件的需求的更多材料结构。使用碳纤维增强材料的增材制造还可以生产传统上需要复杂附件的复杂几何部件。蜂窝芯材料常用于航空航天系统。结构刚度，特别是在弯曲时，会因厚度而增强。蜂窝芯材料是一种固有的轻质材料结构，因为它们主要由空气组成，用于在不增加太多重量的情况下增加厚度。蜂窝芯材的典型用途是将其夹在两个复合面板之间。这利用了复合材料的刚度和强度，同时以最小的增加重量增加了结构弯曲刚度。蜂窝芯材料由塑料和纸基系统或铝制成。蜂窝芯材料还可以提高结构的抗冲击能力，并有助于抑制来自发动机和推进系统的声音。可靠的碳纤维复合材料在航空航天领域的应用已有 50 多年的历史。30 多年来，它们一直被用作军用和商用飞机和旋翼机的主要结构。鉴于这段历史，碳复合结构的行为、响应和寿命是众所周知和理解的。它们已被美国联邦航空管理局 (FAA) 和欧盟航空安全局 (EASA) 批准使用。已经对碳复合材料进行了重要的材料和结构测试，并且设计指南已经完善。可靠的运行对于客运航空来说是防止人员伤亡的关键，但对于无人系统来说也非常重要。如果无人机在军事应用中失败，信息丢失可能会导致人员伤亡。如果无人机在商业应用中出现故障，如果它在人口稠密的地区坠落，也可能导致生命损失。复合材料可以提高无人机系统的电磁特性。由于这些系统是无人值守的，它们需要通过无线或卫星通信与地面站进行高效可靠的通信。可以调整复合材料以吸收某些电磁频率并通过其他频率。复合材料用于保护发射和接收天线的天线罩，并且可以设计天线罩材料和结构以实现高效通信，同时阻挡来自其他来源的信号。蜂窝芯材也常用于天线罩。碳复合材料是隐形技术的关键组成部分，因为它们能够“隐藏”无人机不被敌人发现。复合材料提供更多的特性来增强其可靠性。它们不会腐蚀，因此无需进行腐蚀检查和缓解。复合材料非常耐疲劳，因此与金属不同，它们不会随着时间的重复循环加载而形成裂纹。几十年来，复合材料结构一直是军事航空和太空行动的一部分，它们在极端恶劣的环境和热负荷下表现非常出色。复合结构可以使用成熟的修补方法进行修复，并且在使用寿命结束时，材料可以回收并在其他应用中重复使用。经济实惠碳复合材料可以提供比大多数金属更高的单位重量强度。每单位重量的前期成本高于大多数金属，但碳复合材料的总生命周期成本较低。生命周期成本包括建造无人机的成本、维护、检查和翻新成本、运营成本和报废成本。从重量和强度的角度来看，复合材料在飞机上小型和大型部件的高速生产方面与金属具有竞争力，这包括可能只有一次使用的易磨损飞机。有许多现有的和新兴的制造技术可以显着降低构建无人机的产品开发和制造成本。这些包括工具、自动化制造、直接加工和增材制造。典型的航空航天复合材料结构是预浸料。预浸料是预浸有树脂或环氧树脂的单向碳纤维片材。这些预浸料在室温下是柔韧的，并且随着温度的升高变得更加柔韧和柔韧。在升高的温度下，环氧树脂固化并变硬以形成结构的最终形状。由于预浸料在低于固化温度时的柔韧性，这些层可以堆叠并形成在彼此的顶部，然后层压板固化。也可以使用热塑性基体材料，这些材料也可以制成预浸料。不同之处在于热塑性材料不会固化，但它们会在从升高的温度冷却时结晶，从而使它们变硬。如果您重新加热热塑性复合材料，您可以重新成型或修复材料，而对于环氧基系统，一旦固化，它们将保持刚性。同样重要的是要注意环氧基预浸料在使用前需要保存在冰箱中，因为在室温下固化可能会很慢。环氧预浸料在冰箱中的保质期超过了不能使用的期限。热塑性材料没有此限制，因为它们可以在室温下储存直至使用。热塑性塑料通常比环氧树脂贵，但环氧基复合材料有额外的处理和储存成本。根据使用案例和制造方法，热塑性复合材料的总生产成本可能高于或低于环氧基系统。为了制造复合层压结构，人们需要一个工具表面来放置单独的预浸料层，并且加工工具可能很昂贵。钢制模具也会引起问题，因为钢的膨胀率比复合材料高得多，因此在加热到固化温度后，这种热膨胀不匹配会导致复合材料出现翘曲问题。因此，复合材料行业开发了易于加工、具有与复合材料相似的热膨胀、并且在反复加热和冷却循环下能保持良好性能的复合工具材料。与机加工钢模具相比，复合模具的投资回报率要高得多，因此这对小批量生产更具吸引力。层压板通常采用手糊工艺制成。预浸料层被切割，然后放置并堆叠在工具表面上。手糊提供了很大的灵活性，并且在原型设计阶段非常有用，但对于生产操作可能非常低效。在过去的二十年中，自动化叠层设备已被开发并广泛用于航空航天生产。自动铺带 (ATL) 和自动纤维铺放 (AFP) 机器已由多家设备制造商开发。这些本质上是将胶带或纤维束铺在工具表面上的机器人系统。这些机器比手糊系统快得多，需要的人力少得多，而且可重复性更高。计算机软件可用于将层压板配置的计算机辅助设计 (CAD) 文件转换为机器编程，以运行 AFP/ATL 机器，这与当今用于加工零件的计算机辅助加工 (CAM) 软件非常相似。其他自动化系统可用于拉挤复合梁、纤维缠绕、热成型、层板切割和纤维贴片放置。所有这些系统都通过以可靠和可重复的方式显着降低劳动力成本和提高制造产量来降低复合结构制造的总体成本。直接加工方法是利用复合材料的材料特性同时降低零件生产成本的另一种方法。这些方法之一是将树脂灌注到干燥的层压板或织物上。在这里，不是用树脂预浸渍纤维板，而是将纤维结构放置在工具中，然后将树脂注入结构中。可以使用带有少量塑料的纤维带和织物，这样它们就可以粘在相邻的层上，以便在注入树脂之前将结构固定在一起。然后将模具闭合到纤维预制件上，树脂要么通过树脂传递模塑 (RTM) 工艺在压力下注入模具，要么使用真空辅助树脂传递模塑 (VARTM) 工艺拉入模具。RTM 和 VARTM 都是在升高的温度下完成的，以帮助树脂流入预成型件。一旦树脂完全浸渍预成型件，它就会固化以硬化结构。该工艺也可用于热塑性基质材料，其中热塑性材料在冷却时会变硬，但如果需要，可以重新加热以重新形成。直接浸渍加工方法可以通过消除整个过程中的一些步骤来显着降低成本。与铺设预浸料层压板相比，干纤维预制件的制造成本通常更低。预制件还可以结合编织、织物或缝合，在结构中创建更多的三维纤维结构。灌注和固化过程可以在一个步骤中进行，从而节省时间和成本。短切纤维也可以包含在用于注塑成型的热塑性材料中。可以使用适合大批量、低成本生产的传统注塑塑料和设备。在热塑性塑料中加入短切纤维可以为注塑件提供额外的刚度和强度，这可以降低部件的整体重量以满足结构要求。注塑模具的成本可能很高，而且纤维会增加模具的磨损，因此这仅适用于大批量应用。对于许多大批量的无人机应用，纤维增强塑料的注塑成型是有意义的。这里也可以使用包覆成型来在结构的外部提供不同的材料。增材制造是另一种可以降低无人机系统整体结构成本的技术。增材制造涉及逐层构建结构的制造工艺。人们可以声称复合材料是原始的增材制造工艺，其中层与手糊一起使用以创建结构。多年来已经开发了多种增材制造技术和方法，公司正在积极探索和实施该技术。AFP/ATL 工艺显然是复合层压结构的增材制造方法。使用更复杂的机器人系统继续改进这些过程，以使用连续纤维创建复杂的三维几何形状。此外，短切纤维正在被纳入现有的增材制造方法中，以创建复合结构。熔融沉积建模 (FDM) 和选择性激光烧结 (SLS) 都能够结合短切碳纤维来制造比仅使用塑料的部件更硬、更坚固、重量更轻的部件。这些方法特别适用于支架、管道和把手，无需工具即可创建复杂形状的能力提供了显着的成本优势。Conclusions无人机行业将继续发展并为商业和军事组织以及消费者提供价值。这些车辆可以帮助我们保持安全，以更有效的方式运送我们需要和使用的货物，并保护在国内外捍卫我们自由的人。轻质、可靠且价格合理的材料将有助于推动该行业向前发展。碳复合材料、蜂窝芯结构、增材制造和介电调谐材料是当今该行业的关键部分，未来将继续增强这些车辆的功能和效率。来源：美国赫氏，碳纤维生产技术编辑整理来源：碳纤维生产技术