חומרים מרוכבים מסיבי פחמן: הזדמנויות ואתגרים של חומרים מרכזיים לפיתוח כלכלה בגובה נמוך

מנקודת מבט של מדעי החומרים וכלכלה תעשייתית, מאמר זה מנתח באופן שיטתי את מצב הפיתוח, צווארי בקבוק טכניים ומגמות עתידיות של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בתחום הכלכלה בגובה נמוך. מחקרים מראים שלמרות שלסיבי פחמן יש יתרונות משמעותיים במשקל קל של כלי טיס, בקרת עלויות, אופטימיזציה של תהליכים ובניית מערכות סטנדרטיות עדיין מהווים גורמים מרכזיים המגבילים את יישומם בקנה מידה גדול.

1. ניתוח התאימות של מאפייני חומר סיבי פחמן עם כלכלה בגובה נמוך

יתרונות של תכונות מכניות:

• חוזק ספציפי מגיע ל-2450MPa/(g/cm³), שהוא פי 5 מזה של סגסוגת אלומיניום לתעופה
• מודול סגולי עולה על 230GPa/(g/cm³), עם אפקט הפחתת משקל משמעותי

יישום כלכלי:

• הפחתת משקל מבנה הרחפן ב-1 ק"ג יכולה להפחית את צריכת האנרגיה בכ-8-12%
• עבור כל 10% הפחתת משקל של eVTOL, טווח השיוט גדל ב-15-20%

2. מצב נוכחי של פיתוח תעשייתי

מבנה השוק העולמי:

• בשנת 2023, הביקוש העולמי הכולל לסיבי פחמן יעמוד על 135,000 טון, מתוכם 22% מתחום התעופה והחלל.
• טוראי היפנית תופסת 38% משוק הגררים הקטנים.

התקדמות פנימית:

• קצב הצמיחה השנתי המצטבר של כושר הייצור מגיע ל-25% (2018-2023).
• שיעור הלוקליזציה של T700 עולה על 70%, אך T800 ומעלה עדיין מסתמכים על יבוא.

3. צווארי בקבוק טכניים מרכזיים

רמת חומר:

• יציבות תהליך Prepreg (יש לשלוט בערך CV בטווח של 3%)
• חוזק הדבקה של ממשק חומר מרוכב (צריך להגיע ליותר מ-80MPa)

תהליך ייצור:

• יעילות הנחת אוטומטית (כיום 30-50 ק"ג/שעה, יעד 100 ק"ג/שעה)
• אופטימיזציה של מחזור הייבוש (תהליך אוטוקלאב מסורתי אורך 8-12 שעות)

4. סיכויים ליישומים כלכליים בגובה נמוך

תחזית ביקוש בשוק:

• הביקוש לסיבי פחמן של eVTOL יגיע ל-1,500-2,000 טון בשנת 2025
• הביקוש בתחום הרחפנים צפוי לעלות על 5,000 טון בשנת 2030.

מגמות פיתוח טכנולוגי:

• עלות נמוכה (יעד מופחת ל-80-100 דולר לק"ג)
• ייצור חכם (יישום טכנולוגיית תאומים דיגיטליים)
• מיחזור ושימוש חוזר (שיפור יעילות שיטת מיחזור כימי)