隨著低空經(jīng)濟上升為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，其涵蓋的無人機、電動垂直起降飛行器(eVTOL)等領(lǐng)域迎來快速發(fā)展期。作為支撐低空裝備性能提升的核心材料，復(fù)合材料在機身結(jié)構(gòu)減重、推進系統(tǒng)優(yōu)化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮著不可替代的作用。為深入探索復(fù)合材料在低空經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景，本刊采訪了南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授梁紅波。

*本文刊登于《中國石油和化工》雜志7月刊*

　　記者：在全球航空產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型的背景下，低空經(jīng)濟作為新興領(lǐng)域正受到廣泛關(guān)注。能否請您從專業(yè)角度闡釋低空經(jīng)濟的定義及發(fā)展現(xiàn)狀?

　　梁紅波：低空經(jīng)濟是以各類有人駕駛和無人駕駛航空器的低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)。其顯著特征表現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)鏈條長、輻射面廣、成長性和帶動性強。具體而言，低空經(jīng)濟主要包括垂直起降型飛機和無人駕駛航空器兩大類，涵蓋直升機、無人機和電動垂直起降飛行器等。

　　從產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)來看，全球無人機市場投資規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢，由2013年的8.21億美元增長至2022年的179.15億美元。中國低空經(jīng)濟行業(yè)亦展現(xiàn)出強勁發(fā)展動能，2023年行業(yè)規(guī)模已突破5000億元。這一蓬勃發(fā)展的市場態(tài)勢，為復(fù)合材料在低空飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了廣闊空間。

圖為南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授梁紅波

　　記者：在低空飛行器的具體構(gòu)造中，復(fù)合材料的應(yīng)用場景主要涉及哪些關(guān)鍵部位?不同應(yīng)用場景對材料性能有何特殊要求?

　　梁紅波：復(fù)合材料在低空飛行器中的應(yīng)用已覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵部件。具體而言，機身和機翼作為飛行器的主體承力結(jié)構(gòu)，是復(fù)合材料的主要應(yīng)用部位;旋翼和槳葉對材料的耐疲勞性與抗沖擊性能要求嚴苛，成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域;在推進系統(tǒng)中，復(fù)合材料用于電機、螺旋槳等部件，以提升動力傳輸效率;內(nèi)部結(jié)構(gòu)如橫梁、座椅系統(tǒng)等應(yīng)用復(fù)合材料，可在保證安全性的同時優(yōu)化乘坐舒適性;此外，電池系統(tǒng)的支架與殼體、無人機發(fā)動機部件及起落架等，均依賴復(fù)合材料實現(xiàn)性能升級。以電動垂直起降飛行器為例，從動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子葉片到機身結(jié)構(gòu)的吊艙組件，復(fù)合材料實現(xiàn)了全系統(tǒng)賦能。

　　記者：當前，復(fù)合材料技術(shù)在低空飛行器領(lǐng)域取得了哪些突破性進展?能否請您結(jié)合具體技術(shù)路徑展開說明。

　　梁紅波：近年來，復(fù)合材料技術(shù)在多個維度實現(xiàn)了關(guān)鍵突破。其中包括：

　　連續(xù)增材制造技術(shù)：該技術(shù)突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料制造的模具依賴瓶頸，可直接成型復(fù)雜碳纖維結(jié)構(gòu)件。美國國家航空航天局與空軍已累計投入超過1.6億美元用于相關(guān)技術(shù)研發(fā)，我國亦將其連續(xù)列入2022、2023年國家重點研發(fā)計劃。該技術(shù)可實現(xiàn)多軸大曲率蜂窩結(jié)構(gòu)3D打印，一體化打印蒙皮和蜂窩夾芯，無需膠黏，還可3D打印復(fù)合材料芯材，應(yīng)用于發(fā)動機短艙等部位。

　　中低溫快速固化樹脂技術(shù)：通過潛伏性固化劑的分子設(shè)計，實現(xiàn)了室溫環(huán)境下的長期儲存穩(wěn)定性與中低溫條件下的快速固化響應(yīng)。傳統(tǒng)固化溫度高，能耗大，通過樹脂基體改性(如引入柔性鏈段、脂環(huán)族環(huán)氧、聚氨酯、丙烯酸酯等)、固化劑與催化體系優(yōu)化(潛伏性固化劑、促進劑復(fù)合)、固化工藝創(chuàng)新(能量輔助固化、梯度固化工藝)實現(xiàn)中低溫快速固化，同時調(diào)控性能平衡。

　　輻射固化技術(shù)：電子束固化工藝展現(xiàn)出顯著的生產(chǎn)效率優(yōu)勢，傳統(tǒng)熱固化工藝需耗時一周的固體火箭發(fā)動機殼體成型，采用10Mev電子加速器可將固化時間縮短至8小時。法國宇航局采用該技術(shù)成型固體火箭發(fā)動機殼體，美國軍方已將該技術(shù)應(yīng)用于光纖制導(dǎo)遠程導(dǎo)彈殼體、F/A-18E/F戰(zhàn)斗機后機身等關(guān)鍵部件，大幅降低制造成本。不過，電子束固化復(fù)合材料的剪切強度會有所降低，主要是界面作用力存在缺陷，影響長久使用安全性，目前主要在一些特定領(lǐng)域應(yīng)用。

　　光固化技術(shù)：國內(nèi)外開發(fā)了自由基光固化玻璃纖維增強復(fù)合材料體系，以及LED光引發(fā)前線聚合法快速制備復(fù)合材料技術(shù)，包括高活性陽離子前線聚合(CFP)體系和自由基誘導(dǎo)陽離子前線聚合(RICFP)體系，可室溫快速制備碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。該技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性好，儲存穩(wěn)定性好，制備的復(fù)合材料抗彎曲和耐沖擊性能優(yōu)于傳統(tǒng)熱固化復(fù)合材料。

　　記者：在復(fù)合材料推廣應(yīng)用于低空飛行器的過程中，目前面臨哪些主要技術(shù)瓶頸與產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)?

　　梁紅波：目前復(fù)合材料應(yīng)用面臨的主要問題與挑戰(zhàn)，主要集中在以下方面：

　　工藝技術(shù)層面，傳統(tǒng)制造工藝如開模、裁剪、鋪貼、抽真空、模壓、熱壓成型等復(fù)雜度高，需昂貴的熱壓罐設(shè)備，自動化程度低、可重復(fù)性差。

　　環(huán)境適應(yīng)性方面，復(fù)合材料需滿足復(fù)雜氣象條件下的耐候性要求，包括抗紫外線老化、耐濕熱循環(huán)等，這對材料的界面性能和耐久性提出了很高要求。

　　力學(xué)性能與耐久性問題，如界面性能缺陷等，特別是在電子束固化等新型工藝中，如何保證長期使用安全性仍需研究。

　　成本與可持續(xù)性領(lǐng)域，高端樹脂與碳纖維的材料成本控制、生產(chǎn)工藝的能耗優(yōu)化仍是產(chǎn)業(yè)痛點。目前高端材料成本高，生產(chǎn)工藝能耗大，限制了在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

　　功能化集成不足問題突出，如電池系統(tǒng)對復(fù)合材料的阻燃、抗沖擊等復(fù)合功能需求亟待提高，難以滿足電池系統(tǒng)等對阻燃、抗沖擊等復(fù)合功能需求。

　　記者：對于復(fù)合材料與低空經(jīng)濟的深度融合，您認為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵著力點在哪里?

　　梁紅波：復(fù)合材料將成為推動低空經(jīng)濟從概念走向產(chǎn)業(yè)化的核心支撐要素。未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需加速技術(shù)迭代與規(guī)模化生產(chǎn)，通過數(shù)字賦能實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)化制造。要解決傳統(tǒng)制造工藝周期長、復(fù)雜度高的問題，發(fā)展自動化程度高、可重復(fù)性好的新型制造技術(shù)。

　　此外，需要注意的是，不同于軍機和客機對制造成本約束較少，對于無人機來說，成本是一個非常重要的因素。未來行業(yè)需更多地聚焦于低成本制造技術(shù)、低成本材料技術(shù)。同時，還需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和高精度無損維修服務(wù)等。這些都將成為復(fù)合材料賦能低空經(jīng)濟發(fā)展過程中的重要核心技術(shù)。