复合材料助力 eVTOL 飞向天空

根据 Stratview Research 最近关于 eVTOLS 的报告，到 2028 年，eVTOL 的年产量将达到 5,000 多台，届时对复合材料的年需求量将达到约 740 万公斤。考虑到碳纤维和树脂成本的可能变化，预计到 2028 年，eVTOL 行业对复合材料的年需求价值将达到 5.17 亿美元。

 

图 1：eVTOL 年产量及相应的复合材料需求量（2024-2028）

需要注意的是，根据披露的信息，Joby在认证竞赛中至少领先一步，因为它已经获得了FAA的合规证明，并且仍有 2025 年的商业化目标。另一方面，一些OEM仍然没有与相关监管机构确认其认证基础，这是获得合规证明之前的步骤；然而，他们计划在2024年开始商业化运营。但是，无论服务开始的时间是哪一年，eVTOL 行业对复合材料的需求数量在商业化最初的 2-3 年内将每年翻倍以上，这主要是由两个因素造成的。

所有领先的 eVTOL OEM 都计划在获得监管机构的批准后，迅速扩大其生产规模，每年的增幅将超过 2 倍。

虽然还比较初步，但许多领先的OEM在各自的订单簿中已经有了数百个预订单。

另一个导致该行业对复合材料需求高的因素是其相对于运输行业盟友的高渗透率。例如，复合材料在飞机中的先驱——波音 787 和空客 A350 XWB——都约重 50%为复合材料。对于轻型车辆，百分比通常 <15%，而对于eVTOL，即使是低范围也高于其他行业的高范围，即70%，对于某些项目，它可以高达>90%。

图表下方展示了复合材料在 eVTOL 中的主要应用。

 

图 2：复合材料在 eVTOL 中的主要应用

结构和推进系统合计将消耗这些飞机中约75-80%的复合材料，内部应用如地板板、梁等位居第二，约占12-14%。剩余份额将属于航空电子设备和其他较小应用。

领先的 OEM 厂商提出的 eVTOL 制造成本分解也遵循类似的分布，这不足为奇。例如，根据垂直航空公司的估计，制造成本的 40% 将用于电池和推进系统，另外 30% 将用于结构和内饰。航空电子设备将占制造成本的约 20%，其余将是组装成本。

航空航天质量，但尺寸和应用更接近汽车。

eVTOL 零件的制造/加工工艺并没有太多惊喜，因为设计要求与现有航空标准大致相同，预期的性能参数也是相同的。

就像航空航天领域一样，在制造机翼、机身等主要结构件时，与干法织物相比，预浸料材料将更多地使用，并结合真空袋成型工艺。然而，对于 eVTOL 部件而言，探索新制造方法的一个关键使能因素是部件尺寸比传统飞机更小。由于最终部件的尺寸较小，与常规飞机相比，eVTOL 将更多地应用压缩成型等快速工艺。更不用说，对于需要大批量生产的较小、较简单的部件，如旋翼叶片，压缩成型将是首选工艺。

对于需要高分辨率制造的较小且更复杂的零件，如支架，可以采用 3D 打印，因为它已经在 eVTOL 原型设计中找到了足够的用途。

现在谈到产量，根据不同领先 OEM 提出的各自制造目标，预计在商业化 5 年内，其年总产量将超过 6000 台。这些是汽车行业更熟悉处理的产量，而不是航空航天。此外，作为一项应用，eVTOL 将几乎从道路出租车中获取其全部份额，而不是传统飞机。因此，可以将 eVTOL 描述为航空航天和汽车之间的共同点，图 3 展示了三者之间的高层次比较。

 

图 3：eVTOL 与航空航天和汽车行业的接近性

因此，汽车供应链中的关键参与者对这个行业表现出巨大兴趣，并且已经与现有参与者建立了长期合作伙伴关系。保时捷与巴西航空工业公司 Eve Air Mobility 的合作、丰田与 Joby 的合作、利来姆与电装的合作、阿彻航空与斯特兰蒂斯（Stellantis）的合作等，只是汽车-eVTOL协同效应的一些例子。然而，汽车行业的兴趣并不仅限于合作伙伴关系。像本田和现代这样的关键汽车原始设备制造商（OEM）也推出了自己的 eVTOL 项目。

eVTOL 与汽车产业之间的重叠利益可能会在未来的时间里开辟更多跨产业的机会。

材料选择清单：可回收性、量产兼容性及认证便利性

作为航天工业的“首选”材料，eVTOL 中使用的复合材料中超过 90%将是碳纤维，与环氧树脂混合。从设计角度来看，这是因为碳纤维是所有商用纤维中比刚度最高的，并且它能完美满足所有机械要求，如轻量化、高强度重量比、抗冲击性等。另一方面，从战略角度来看，这是因为几乎所有 eVTOL 原始设备制造商都计划尽可能顺利地通过认证过程，而不会对经过验证的材料进行太多实验。

相同的方法也可以在基体层面看到，再次，超过 95%的领先玩家都旨在使用富含热固性材料的模型，因为监管机构对热固性材料更熟悉，这将稍微简化他们的认证过程。根据 Stratview Research 的数据，到2030年，eVTOL行业对复合材料的整体需求中，热塑性材料的需求份额可能仍然是个位数。
许多航空航天和复合材料行业的专家在与 Stratview Research 进行最近的一对一采访时也提到，只要他们能够将年产量保持在几千架飞机以内，坚持使用热固性材料而不是热塑性材料是没问题的。但一旦产量扩大（根据原始设备制造商的说法，这将在未来五年内发生），原始设备制造商要么必须推出新的以热塑性材料为主的新型号，要么必须将其现有的以热固性材料为主的原型修改为以热塑性材料为主的原型。在两种情况下，他们都必须再次敲响监管机构的大门。

目前，在可见的 eVTOL 原始设备制造商中，德克萨斯州的Jaunt Air Mobility是唯一一家正在开发以热塑性材料为主的新型号的公司，事实上，在其公司网站上，Jaunt Air 将“99%可回收”列为其 eVTOL 的一项规格。

对于 eVTOL 而言，可回收性变得更加重要，因为其产品周期并不长（15-20 年）。如果行业在未来 5-10 年内持续生产数千架 eVTOL，并且它们在服务期约 20 年后都开始过时，行业将面临大量复合材料需要处理的问题。

低空飞行器中的复合材料应用及市场前景洞察

碳纤维复合材料：轻量化先锋与性能革新者

在低空飞行器领域，碳纤维复合材料堪称 “明星材料”。其具有无与伦比的比强度，抗拉强度可达钢材的 5 倍，而密度仅为 1.5 - 2.0g/cm³（钢材密度约 7.8g/cm³），这一特性使其成为减轻飞行器重量的理想之选。

以波音 787 为例，其机身 50% 使用碳纤维，成功减重 20%，燃油效率大幅提升 15% 。在低空飞行器中，碳纤维复合材料的身影随处可见。在 2024 年珠海航展亮相的货运无人机白鲸航线 W5000，除机头外，其余机身部分全部采用威海宝威新材料科技有限公司生产的 T700 级碳纤维复合材料，有效降低机体重量达 40%。大疆 Mavic 3 无人机的桨叶厚度仅 0.5mm，凭借碳纤维复合材料的高强度，抗风能力达 12 级。小鹏汇天 X2 飞行汽车的电池舱采用碳纤维复合材料，耐冲击强度超 200MPa。

技术创新持续推动碳纤维复合材料的发展。

中复神鹰开发的T1100级碳纤维，拉伸模量达 320±10GPa，达到国际先进水平。同时，成本也在逐渐下降，2023 年中国碳纤维均价降至 118.44 元 /kg，较 2019 年下降 35% 。

在 eVTOL 飞行器中，碳纤维更是广泛应用于结构部件和推进系统，占比约 75 - 80%，内部应用如横梁、座椅结构等占 12 - 14%，电池系统、航空电子设备等占 8 - 12%。

据中国复合材料工业协会引用 Stratview 的数据，空中汽车中超过 90% 的复合材料为碳纤维，剩余约 10% 为玻璃纤维。预计单台 eVTOL 对碳纤维的需求量在100 - 400kg 之间，随着eVTOL产业的快速发展，有望拉动千吨级需求。按照碳纤维与树脂 7:3 的比例计算，单台 eVTOL 对碳纤维的需求量大约在 97 - 363 公斤之间，预计将为碳纤维带来 600 - 2300 吨的增量需求 。

玻璃纤维复合材料：低成本高可靠性担当

玻璃纤维复合材料以其出色的性价比在低空飞行器制造中占据重要地位。其成本仅为碳纤维的 1/5 左右（约 30 元 /kg），是一种经济实惠的选择 。同时，它具有良好的介电性能，介电常数低至 4.5（5GHz 频段），非常适合用于雷达罩等对信号传输要求高的部件 。

在无人机制造中，蜂巢航宇 HC - 540 机身由高强度玻璃纤维及泡沫夹层模压而成，机翼及尾翼可拆卸，折叠后方便运输。纵横股份 CW - 15 无人机的雷达整流罩也采用了玻璃纤维复合材料 。在一些轻型飞机的内饰件中，如峰飞航空 V1500M 的客舱隔板，也会使用玻璃纤维复合材料 。

玻璃纤维增强塑料（GFRP）还具有耐腐蚀、耐高低温、耐辐射、阻燃和抗老化等特性，有助于减轻飞行器重量，增加有效载荷，节省能源，并实现美观的外观设计。在低空飞行器的生产过程中，玻璃纤维布被广泛用于机身、机翼、尾翼等关键结构部件的制造。据中商产业研究院发布的《2024 - 2029 年中国玻璃纤维市场调查及投资建议报告》显示，2023 年中国玻璃纤维产量达756万吨，同比增长10.07%，这也从侧面反映出其在包括低空飞行器制造等众多领域的广泛应用 。

芳纶蜂窝复合材料：减重与性能提升的秘密武器

芳纶蜂窝复合材料凭借独特的结构和性能优势，在低空飞行器中发挥着不可替代的作用。其以仿生天然蜂巢的六边形结构设计，具有惊人的比刚度，面内剪切模量达 500MPa，而密度仅 48kg/m³ 。同时，它还具备良好的耐腐蚀性，在盐雾环境中 2000 小时无性能衰减 。

在机翼夹层结构方面，峰飞V2000CG机翼采用芳纶蜂窝 + 碳纤维蒙皮，减重效果显著，达 35% 。时的科技E20 eVTOL的客舱地板采用芳纶蜂窝复合材料，承载强度达 15kN/m² 。此外，芳纶蜂窝复合材料还能满足 FAA 60 秒耐火标准（火焰温度 1100℃），可作为防火隔层使用 。

中航复材开发的超薄蜂窝芯材，壁厚仅 0.02mm，压缩强度提升40%，进一步推动了芳纶蜂窝复合材料在低空飞行器领域的应用 。在 eVTOL 这类低空经济的主要飞行器中，芳纶纸作为关键的机身结构材料，尤其是作为碳纤维蜂窝夹心层的使用，已被全球领先的 eVTOL 制造商，如 Joby、Archer、亿航和峰飞等广泛采用 。在无人机领域，Nomex 蜂窝材料（芳纶纸）也被用于机体外壳、机翼蒙皮和前缘等部位，例如法国制造的奥科尔多用途无人机豺 2 样机就采用了玻璃纤维 / 碳纤维 / 芳纶纤维复合材料的设计 。

高性能热塑性复合材料：满足多元需求的新兴力量

以 PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚醚酮）和 PPA（聚邻苯二甲酰胺）为代表的高性能热塑性复合材料，正逐渐在低空飞行器领域崭露头角。它们能够满足飞行器在轻量化、高强度和耐环境性能等多方面的严格要求 。

PEEK 具有高强度、耐疲劳性和抗冲击性能，常用于高载荷结构件，如连接接头、承重支架等。在旋翼连接件或传动部件中，PEEK 能够耐受高频振动和极端温度波动 。PPS 则具有耐高温（200°C 以上）且抗化学腐蚀的特性，常用于机翼蒙皮、发动机罩、排气管隔热罩等部件。其还具备阻燃（UL94 V - 0 级）以及优异的电磁屏蔽性能，可用于飞控计算机外壳、电池盒等电子设备外壳 。PPA 兼具轻量化和抗湿热变形能力，适用于传感器外壳等部件 。在燃油系统中，PPS/PPA 可用于制造燃油泵壳体、油管接头，因其能抗燃油腐蚀且密封性好 。这些高性能热塑性复合材料的应用，显著提升了低空飞行器在安全性、续航能力和环境适应性方面的表现，同时满足了严格的轻量化需求 。

陶瓷基复合材料：极端环境下的热防护保障

陶瓷基复合材料具备极限性能，堪称低空飞行器在高温环境下的 “热防护铠甲”。它可在 1650℃长期工作，而镍基合金仅能在 1100℃工作 。其抗烧蚀性也十分出色，质量烧蚀率＜0.1mm/s（石英纤维的 1/10） 。

在低空飞行器的发动机热端部件中，如 Joby Aviation 涡轴发动机喷管使用SiC/SiC复合材料 。昂际航电开发的 C/C - SiC 刹车盘，采用陶瓷基复合材料，摩擦系数稳定性提升 50% 。在电池热防护方面，沃飞长空 AE200 电池舱隔热层使用陶瓷基复合材料，可使表面温度＜80℃（内部电芯温度） 。

全球 CMC（陶瓷基复合材料）市场规模预计从 2022 年 30.9 亿美元增至 2030 年 75.96 亿美元，预估年复合增长率（CAGR）为 11.9%，这显示出陶瓷基复合材料在包括低空飞行器在内的航空航天等领域广阔的市场前景 。随着低空飞行器对高性能、高可靠性的追求，以及在一些特殊应用场景中对耐高温、抗烧蚀性能的严格要求，陶瓷基复合材料有望得到更广泛的应用 。

市场预测与前景展望

据Grand View Research数据，2023 - 2030 年航空航天复合材料市场将以8.7%的CAGR增长，其中亚太地区占比将达42% 。在低空飞行器细分领域，尤其是eVTOL，市场增长更为迅猛。Stratview Research 预测，eVTOL行业对复合材料的需求将从2024年的约 499 吨增长至 2030 年的 11748 吨，增长幅度近 20 倍 。

随着全球对低空领域的政策逐步放开，以及新材料、新工艺的不断涌现，复合材料在低空飞行器中的应用将迎来前所未有的发展机遇。从当前趋势看，未来用于运人、运货、抢险救灾、农林植保等不同用途的低空飞行器数量将极大增长。例如，在物流领域，货运无人机的大规模应用将对碳纤维等复合材料产生持续且大量的需求；在城市空中交通方面，eVTOL 的普及将带动其机身、机翼等部件所用复合材料市场的蓬勃发展 。

然而，行业发展也面临诸多挑战。如碳纤维等复合材料的回收难题，目前全球碳纤维回收率不足 10%，巴斯夫新化学法回收成本仍高达 80 元 /kg 。同时，中国 eVTOL 适航审定尚未出台复合材料专用检测标准 。但随着技术的不断进步和行业标准的逐步完善，这些问题有望得到解决，进一步推动复合材料在低空飞行器领域的广泛应用和市场规模的持续扩大 。

 

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