من منظور علم المواد والاقتصاد الصناعي، تُحلل هذه الورقة البحثية بشكل منهجي حالة تطوير مواد ألياف الكربون المركبة، والتحديات التقنية، والاتجاهات المستقبلية في مجال الطيران الاقتصادي على ارتفاعات منخفضة. تُظهر الأبحاث أنه على الرغم من المزايا الكبيرة لألياف الكربون في تخفيف وزن الطائرات، إلا أن التحكم في التكاليف، وتحسين العمليات، وبناء الأنظمة القياسية لا يزالان عوامل رئيسية تُقيد تطبيقها على نطاق واسع.
1. تحليل مدى توافق خصائص مادة ألياف الكربون مع الاقتصاد في الارتفاعات المنخفضة
مزايا الخواص الميكانيكية:
- تصل القوة النوعية إلى 2450 ميجا باسكال/(جم/سم³)، وهو ما يعادل 5 أضعاف قوة سبائك الألومنيوم المستخدمة في الطيران
- تتجاوز معامل المرونة النوعي 230 جيجا باسكال/(جم/سم³)، مع تأثير كبير في تقليل الوزن
التطبيق الاقتصادي:
- يمكن أن يؤدي تقليل وزن هيكل الطائرة بدون طيار بمقدار 1 كجم إلى تقليل استهلاك الطاقة بنحو 8-12٪
- مع كل تخفيض في وزن eVTOL بنسبة 10%، يزداد مدى الإبحار بنسبة 15-20%
2. الوضع الحالي للتنمية الصناعية
هيكل السوق العالمي:
- في عام 2023، سيبلغ إجمالي الطلب العالمي على ألياف الكربون 135 ألف طن، ويمثل قطاع الطيران والفضاء 22% منها.
- تحتل شركة Toray اليابانية 38% من سوق القطر الصغير.
التقدم المحلي:
- يصل معدل النمو السنوي المركب للطاقة الإنتاجية إلى 25% (2018-2023).
- يتجاوز معدل توطين T700 70%، لكن T800 وما فوق لا يزال يعتمد على الواردات.
3. الاختناقات الفنية الرئيسية
مستوى المادة:
- استقرار عملية التحضير المسبق (يجب التحكم في قيمة CV في حدود 3٪)
- قوة ربط واجهة المواد المركبة (يجب أن تصل إلى أكثر من 80 ميجا باسكال)
عملية التصنيع:
- كفاءة وضع البيض الآلي (حاليًا 30-50 كجم/ساعة، والهدف 100 كجم/ساعة)
- تحسين دورة المعالجة (تستغرق عملية الأوتوكلاف التقليدية من 8 إلى 12 ساعة)
4. آفاق التطبيقات الاقتصادية على ارتفاعات منخفضة
توقعات الطلب في السوق:
- سيصل الطلب على ألياف الكربون للطائرات العمودية الكهربائية إلى 1500-2000 طن في عام 2025
- من المتوقع أن يتجاوز الطلب في مجال الطائرات بدون طيار 5000 طن في عام 2030
اتجاهات تطوير التكنولوجيا:
- تكلفة منخفضة (تم تخفيض الهدف إلى 80-100 دولار/كجم)
- التصنيع الذكي (تطبيق تقنية التوأم الرقمي)
- إعادة التدوير وإعادة الاستخدام (تحسين كفاءة طريقة إعادة التدوير الكيميائية)
وقت النشر: ١٠ أبريل ٢٠٢٥