復合材料賦能低空經濟發展——對話南昌航空大學材料科學與工程學院教授梁紅波

隨著低空經濟上升為國家戰略新興產業，其涵蓋的無人機、電動垂直起降飛行器（eVTOL）等領域迎來快速發展期。作為支撐低空裝備性能提升的核心材料，復合材料在機身結構減重、推進系統優化等關鍵環節發揮著不可替代的作用。為深入探索復合材料在低空經濟領域的應用和發展前景，本刊采訪了南昌航空大學材料科學與工程學院教授梁紅波。

*本文刊登于《中國石油和化工》雜志7月刊*

記者：在全球航空產業加速轉型的背景下，低空經濟作為新興領域正受到廣泛關注。能否請您從專業角度闡釋低空經濟的定義及發展現狀？

梁紅波：低空經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，輻射帶動相關領域融合發展的綜合性經濟形態。其顯著特征表現為產業鏈條長、輻射面廣、成長性和帶動性強。具體而言，低空經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。

從產業數據來看，全球無人機市場投資規模呈現爆發式增長態勢，由2013年的8.21億美元增長至2022年的179.15億美元。中國低空經濟行業亦展現出強勁發展動能，2023年行業規模已突破5000億元。這一蓬勃發展的市場態勢，為復合材料在低空飛行器領域的應用創造了廣闊空間。

圖為南昌航空大學材料科學與工程學院教授梁紅波

記者：在低空飛行器的具體構造中，復合材料的應用場景主要涉及哪些關鍵部位？不同應用場景對材料性能有何特殊要求？

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

記者：當前，復合材料技術在低空飛行器領域取得了哪些突破性進展？能否請您結合具體技術路徑展開說明。

梁紅波：近年來，復合材料技術在多個維度實現了關鍵突破。其中包括：

連續增材制造技術：該技術突破了傳統復合材料制造的模具依賴瓶頸，可直接成型復雜碳纖維結構件。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技術研發，我國亦將其連續列入2022、2023年國家重點研發計劃。該技術可實現多軸大曲率蜂窩結構3D打印，一體化打印蒙皮和蜂窩夾芯，無需膠黏，還可3D打印復合材料芯材，應用于發動機短艙等部位。

中低溫快速固化樹脂技術：通過潛伏性固化劑的分子設計，實現了室溫環境下的長期儲存穩定性與中低溫條件下的快速固化響應。傳統固化溫度高，能耗大，通過樹脂基體改性（如引入柔性鏈段、脂環族環氧、聚氨酯、丙烯酸酯等）、固化劑與催化體系優化（潛伏性固化劑、促進劑復合）、固化工藝創新（能量輔助固化、梯度固化工藝）實現中低溫快速固化，同時調控性能平衡。

輻射固化技術：電子束固化工藝展現出顯著的生產效率優勢，傳統熱固化工藝需耗時一周的固體火箭發動機殼體成型，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成型固體火箭發動機殼體，美國軍方已將該技術應用于光纖制導遠程導彈殼體、F/A-18E/F戰斗機后機身等關鍵部件，大幅降低制造成本。不過，電子束固化復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域應用。

光固化技術：國內外開發了自由基光固化玻璃纖維增強復合材料體系，以及LED光引發前線聚合法快速制備復合材料技術，包括高活性陽離子前線聚合（CFP）體系和自由基誘導陽離子前線聚合（RICFP）體系，可室溫快速制備碳纖維/環氧復合材料。該技術環境適應性好，儲存穩定性好，制備的復合材料抗彎曲和耐沖擊性能優于傳統熱固化復合材料。

記者：在復合材料推廣應用于低空飛行器的過程中，目前面臨哪些主要技術瓶頸與產業挑戰？

梁紅波：目前復合材料應用面臨的主要問題與挑戰，主要集中在以下方面：

工藝技術層面，傳統制造工藝如開模、裁剪、鋪貼、抽真空、模壓、熱壓成型等復雜度高，需昂貴的熱壓罐設備，自動化程度低、可重復性差。

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

力學性能與耐久性問題，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。

成本與可持續性領域，高端樹脂與碳纖維的材料成本控制、生產工藝的能耗優化仍是產業痛點。目前高端材料成本高，生產工藝能耗大，限制了在民用領域的廣泛應用。

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

記者：對于復合材料與低空經濟的深度融合，您認為未來產業發展的關鍵著力點在哪里？

梁紅波：復合材料將成為推動低空經濟從概念走向產業化的核心支撐要素。未來產業發展需加速技術迭代與規模化生產，通過數字賦能實現復合材料構件的連續化制造。要解決傳統制造工藝周期長、復雜度高的問題，發展自動化程度高、可重復性好的新型制造技術。

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。未來行業需更多地聚焦于低成本制造技術、低成本材料技術。同時，還需要結構優化設計和高精度無損維修服務等。這些都將成為復合材料賦能低空經濟發展過程中的重要核心技術。