纤维增强复材凭借轻质、高强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强和成型工艺性好等核心优点,已成为支撑低空经济等国家战略新兴产业发展的核心基础材料。会议期间,专家就纤维及基体材料在低空经济领域的应用研究进行了分享。 芳纶是全球三大高性能纤维材料之一。具有高强度、高模量、低密度的优异性能,其密度仅是其1/5,但拉伸强度却是其5~6倍,韧性是钢丝的2倍;并具有优异的热稳定性、尺寸稳定性、耐化学性、绝缘性、抗疲劳性以及560℃以下不分解,不熔融等性能,是目前业内公认的具有极高战略价值的高性能纤维材料。 专家指出,对位芳纶在飞行器外壳中应用的主要优势有轻量化、绝缘性和高空跌落防护性。芳纶复合材料可以解决飞行器续航、抗冲击等安全问题: 一方面,对位芳纶密度只有碳纤维的70%,玻纤的50%,对于小型无人机而言,每减少1kg重量就可以提升约10%左右的续航能力。另一方面,芳纶纤维的绝缘性使其在高压电池领域及电力系统作业场景提供绝对安全;又因其透波性好,广泛应用于飞机雷达罩等,增加飞行器的遥控作业范围。此外,芳纶纤维的抗拉等性能可以提升飞行器壳体在高空跌落场景中的抗冲击性能,大大减少零件的损坏概率,降低后期维护成本。 但芳纶复合材料的应用仍面临一些挑战:一是成本较高。对位芳纶价格约为玻璃纤维的10~20倍,限制了其大规模应用。对此可考虑与其他低成本纤维(如聚丙烯纤维、玻纤)复合,在保证性能的同时降低成本。二是对位芳纶纤维表面与树脂结合力较差。对此,可采用去油,上浆处理,增加纤维表面与树脂之间结合力,提高复合材料性能。 中蓝晨光化工研究设计院有限公司高级工程师陈怿咨聚焦杂环芳纶、PBO高性能纤维,介绍其轻质高强、耐温阻燃、高抗冲、优透波、宽温域稳定等核心优势。重点阐述了两类纤维在无人机、浮空器(飞艇)等低空经济核心装备的应用:可实现装备显著减重、提升续航与载荷、增强抗冲击与结构耐用性,推动低空飞行器轻量化、长航时、高可靠升级。 近20年来,陶瓷复材在空天领域机体上的用量大幅增加,材料性能优势凸显。但北京航空航天大学天目山实验室高性能航空材料与先进制造中心研究员曾庆丰提出,该应用仍面临以下挑战:复材特征结构刻画不够精准,性能寿命测试周期长成本高,供应链响应商业化程度低,数据库知识库积累不足、迁移性差,生产智能化程度低、经验性强,工程变更复杂且成本昂贵,创新设计周期长、迭代缓慢,研发过程协同性不足,优化设计工具离散不闭环。一套解决方案从设计到制造历时往往超过一年,且难以多方案并行研制,试错成本高、效率低。当前软件极少涉及航宇陶瓷复材跨尺度性能预测和工艺仿真,仿真软件在该细分领域为国际空白。针对此,曾庆丰团队为陶瓷复材产业链提供了从初步设计到制造生产的一体化解决方案,显著缩短设计-开发-制备-验证周期,加速产品工程应用。 随着载人电动垂直起降飞行器、重载作业无人机等低空飞行器逐步走向商业化应用,市场对碳纤维复合材料结构件的量产能力和成本控制等提出了更高要求。廊坊市飞泽复合材料科技有限公司研发总监吴雄芳结合工程实践经验,剖析了适用于低空飞行器碳纤维零部件的常用量产工艺,包括构件制备、一体化模压、共固化成型等,并从生产效率、制造成本、产品性能等维度对比各类工艺的优缺点,分享了飞泽公司在低空飞行器批量化生产解决方案上的探索与实践案例,并重点介绍无人机板件的快速模压工艺,提高了量产效率,有利于降低制造成本,解决了传统热压罐工艺制造的飞机板件非贴模面精度不够带来的装配难题。 传统复材成型工艺主要分为热压罐、真空袋压和VARI,单件生产节拍较慢,适用于样件及小批量产品制造,单套模具年产300~400套件;对于大批量制造,尤其是年产1000件以上的无人机板件,综合考虑成本、性能指标等要求下,能否大批量制造备受关切。飞泽复材基于公司在汽车领域板件制造丰富的量产经验和对航空结构件需求深入分析,引入了翼身融合体无人机板件的快速模压技术。 复合材料结构件的成本中,材料成本占25%~30%;制造成本占70%~75%。复合材料结构件低成本大规模快捷技术与装备是世界各国竞逐的热点。受限于成型工艺与自动化装备落后,国内复合材料构件仍以手工/半机械化预浸料铺贴+热压罐成型为主。云路复合材料(上海)有限公司设计总监施炯明介绍了高性能、低成本飞行平台设计与制造。三维编织结构的纤维之间彼此互锁,整体结构中纤维连续无间断且直线度较高,并且三维编织纤维结构具有在整个结构中均匀分布载荷的承载机制,因此更适用于制造具有复杂承载要求的航空结构件,包括耳片接头、多通管接头、异型高载荷结构件、高性能复合材料杆件、管件、一体化旋翼、螺旋桨、飞机直升机起落架、传动轴、大曲率飞机进气道等。云路的三维编织智能装备具有全自动、高精密、高智能、可复合、一次成型、大尺寸、高稳定等技术优势,可适应碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、高硅氧纤维、SiC纤维、氧化铝纤维、PP等多种高性能纤维预制体的编织技术要求,用于不同尺寸规格、不同性能要求的三维编织复合材料产品的研制和批量生产。 随着低空飞行器的推广应用,材料全生命周期管理越来越受关注。材料老化研究及回收技术创新成为本次会议的热点话题。 广州合成材料研究院有限公司复合材料检测室及老化机理室主任计静琦分析了低空领域工况下材料的可靠性与寿命挑战。低空飞行器在生产基地、陆上、空中及近海暴露于多种环境,面临室内、户外、昼夜温差大、强机械载荷、高盐雾腐蚀等多重因素耦合作用,材料老化问题显著。全链条下需要评估的寿命包括储存寿命、服役寿命和残余寿命。 在温变、腐蚀、振动、冲击、紫外等多重老化因素作用下,无人机各硬件老化进程呈现分层特征。橡胶、密封、减震类部件对恶劣环境最敏感,老化速度最快;结构件、连接线路与传动部件损耗次之;飞控、传感类精密电子件老化速率相对平缓。计静琦介绍了针对低空经济复合材料力学性能测试定制化服务方案及材料老化失效研究。 中国科学院过程工程研究所高级工程师、北京国科聚智新材科技有限公司创始人周志茂指出,新兴产业的蓬勃发展带动了纤维复材需求的高速增长,同时也预示着即将到来的大规模产品退役潮,以及随之而来的严峻废弃物处置挑战。当前行业面临的核心痛点是复合材料的回收再利用率不足5%,远低于传统材料水平。 传统回收技术陷入“回收即降级”的困境,无法在“材料性能保留、经济成本控制、环境友好性”三者间达成平衡。无论是物理手段还是化学手段,现有工艺均无法在保留材料核心性能的同时实现低成本、清洁化的高值化循环,成为制约行业可持续发展的关键技术瓶颈。行业迫切需要颠覆性的创新技术,实现复合材料各组分的高效分离与高值化再生,构建真正的闭环循环经济体系。 周志茂介绍了其团队开发的核心技术——催化溶剂分解。该技术利用创新性的改性质子酸催化剂,在温和的化学环境中精准识别并断裂热固性树脂的交联网络结构。这一过程如同“分子剪刀”,在有效解聚树脂基体的同时,完全不损伤增强纤维的物理性能,是实现复合材料闭环回收的关键突破。
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