Vật liệu tổng hợp sợi carbon: Cơ hội và thách thức chính cho sự phát triển của nền kinh tế tầm thấp

Theo quan điểm của khoa học vật liệu và kinh tế công nghiệp, bài báo này phân tích một cách có hệ thống tình hình phát triển, các nút thắt kỹ thuật và xu hướng tương lai của vật liệu composite sợi carbon trong lĩnh vực kinh tế tầm thấp. Nghiên cứu cho thấy rằng mặc dù sợi carbon có những ưu điểm đáng kể trong việc giảm trọng lượng máy bay, kiểm soát chi phí, tối ưu hóa quy trình và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn vẫn là những yếu tố chính hạn chế ứng dụng quy mô lớn của nó.

1. Phân tích tính tương thích của đặc tính vật liệu sợi carbon với nền kinh tế ở độ cao thấp

Ưu điểm của tính chất cơ học:

• Độ bền riêng đạt 2450MPa/(g/cm³), gấp 5 lần hợp kim nhôm hàng không
• Mô đun riêng vượt quá 230GPa/(g/cm³), có tác dụng giảm trọng lượng đáng kể

Ứng dụng kinh tế:

• Giảm trọng lượng của cấu trúc máy bay không người lái 1kg có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng khoảng 8-12%
• Cứ giảm 10% trọng lượng của eVTOL, phạm vi bay tăng 15-20%

2. Tình hình phát triển công nghiệp hiện nay

Cấu trúc thị trường toàn cầu:

• Vào năm 2023, nhu cầu sợi carbon toàn cầu sẽ là 135.000 tấn, trong đó ngành hàng không vũ trụ chiếm 22%.
• Toray của Nhật Bản chiếm 38% thị trường xe kéo nhỏ.

Tiến độ trong nước:

• Tốc độ tăng trưởng kép hàng năm của năng lực sản xuất đạt 25% (2018-2023).
• Tỷ lệ nội địa hóa của T700 vượt quá 70%, nhưng T800 trở lên vẫn phải phụ thuộc vào nhập khẩu.

3. Những nút thắt kỹ thuật chính

Mức vật liệu:

• Độ ổn định của quy trình prepreg (giá trị CV cần được kiểm soát trong vòng 3%)
• Độ bền liên kết giao diện vật liệu composite (cần đạt trên 80MPa)

Quy trình sản xuất:

• Hiệu suất đẻ tự động (hiện tại là 30-50kg/h, mục tiêu là 100kg/h)
• Tối ưu hóa chu trình bảo dưỡng (quy trình hấp tiệt trùng truyền thống mất 8-12 giờ)

4. Triển vọng ứng dụng kinh tế ở độ cao thấp

Dự báo nhu cầu thị trường:

• Nhu cầu sợi carbon eVTOL sẽ đạt 1.500-2.000 tấn vào năm 2025
• Nhu cầu trong lĩnh vực máy bay không người lái dự kiến ​​sẽ vượt quá 5.000 tấn vào năm 2030

Xu hướng phát triển công nghệ:

• Chi phí thấp (mục tiêu giảm xuống còn 80-100 đô la/kg)
• Sản xuất thông minh (ứng dụng công nghệ song sinh kỹ thuật số)
• Tái chế và tái sử dụng (nâng cao hiệu quả của phương pháp tái chế hóa chất)