Oglekļa šķiedras kompozītmateriāli: galvenie materiāli, iespējas un izaicinājumi zemas augstuma ekonomikas attīstībai

No materiālzinātnes un rūpnieciskās ekonomikas viedokļa šajā rakstā sistemātiski tiek analizēts oglekļa šķiedras kompozītmateriālu attīstības statuss, tehniskās problēmas un nākotnes tendences zema augstuma ekonomikas jomā. Pētījumi liecina, ka, lai gan oglekļa šķiedrai ir ievērojamas priekšrocības lidmašīnu svara samazināšanā, izmaksu kontrole, procesu optimizācija un standartizētu sistēmu konstrukcija joprojām ir galvenie faktori, kas ierobežo tās plaša mēroga pielietojumu.

1. Oglekļa šķiedras materiāla raksturlielumu saderības ar zema augstuma ekonomiku analīze

Mehānisko īpašību priekšrocības:

• Īpatnējā izturība sasniedz 2450 MPa/(g/cm³), kas ir 5 reizes lielāka nekā aviācijas alumīnija sakausējumam
• Īpatnējais modulis pārsniedz 230 GPa/(g/cm³), ar ievērojamu svara samazināšanas efektu

Ekonomiskais pielietojums:

• Drona konstrukcijas svara samazināšana par 1 kg var samazināt enerģijas patēriņu par aptuveni 8–12 %.
• Par katriem 10 % eVTOL svara samazinājuma kruīza diapazons palielinās par 15–20 %

2. Rūpnieciskās attīstības pašreizējais stāvoklis

Globālā tirgus struktūra:

• 2023. gadā kopējais oglekļa šķiedras pieprasījums pasaulē būs 135 000 tonnu, no kurām 22% būs aviācijas un kosmosa rūpniecība.
• Japānas uzņēmums Toray aizņem 38% no mazo piekabju tirgus.

Iekšzemes progress:

• Ražošanas jaudu gada saliktais pieauguma temps sasniedz 25% (2018.–2023. g.).
• T700 lokalizācijas līmenis pārsniedz 70%, bet T800 un augstāki joprojām ir atkarīgi no importa.

3. Galvenās tehniskās problēmas

Materiālais līmenis:

• Prepreg procesa stabilitāte (variācijas koeficienta vērtība jākontrolē 3% robežās)
• Kompozītmateriālu saskarnes savienojuma stiprība (jāpārsniedz 80 MPa)

Ražošanas process:

• Automatizētas ieklāšanas efektivitāte (pašlaik 30–50 kg/h, mērķis 100 kg/h)
• Sacietēšanas cikla optimizācija (tradicionālais autoklāva process aizņem 8–12 stundas)

4. Zema augstuma ekonomisko pielietojumu perspektīvas

Tirgus pieprasījuma prognoze:

• Pieprasījums pēc eVTOL oglekļa šķiedras 2025. gadā sasniegs 1500–2000 tonnas
• Paredzams, ka pieprasījums pēc droniem 2030. gadā pārsniegs 5000 tonnas.

Tehnoloģiju attīstības tendences:

• Zemas izmaksas (mērķis samazināts līdz 80–100 USD/kg)
• Inteliģenta ražošana (digitālā dvīņa tehnoloģijas pielietojums)
• Pārstrāde un atkārtota izmantošana (ķīmiskās pārstrādes metodes efektivitātes uzlabošana)