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Kohlefaserverbundwerkstoffe: Das bahnbrechende Material, das die Wirtschaft in geringer Höhe antreibt 2024-12-23


Die Low-Altitude Economy

Bringt einen neuen Wachstumshorizont für Kohlefaser

(1) Kohlefaserverbundwerkstoffe: Das Schlüsselmaterial für die Herstellung leichter Luft- und Raumfahrtfahrzeuge
Kohlefaser ist ein Fasermaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 % und zahlreichen Eigenschaften wie geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und hohem Modul. Seine Zugfestigkeit kann die von Stahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen bei gleichem Gewicht um mehr als das Neunfache übertreffen, während sein Elastizitätsmodul mehr als das Vierfache des von Stahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen betragen kann. Diese Vorteile machen Kohlefaser zu einer idealen Wahl für die Erzielung von Leichtbau in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen. Durch den Einsatz von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen bei der Konstruktion von Flugzeugkörperstrukturen und Innenkomponenten kann das Gewicht des Flugzeugs erheblich reduziert, der Energieverbrauch minimiert und die strukturelle Festigkeit und Sicherheit erhöht werden. Der Einsatz von Kohlefaserverbundwerkstoffen beim Bau von eVTOLs kann dazu beitragen, das Gesamtgewicht des Flugzeugs um 30–40 % zu reduzieren.


Carbon Fiber Composites


(2) Die Tieflandwirtschaft bringt neue Antriebskräfte für Kohlefaserverbundwerkstoffe mit sich
Da eVTOLs, kleine Drohnen und einige Leichtflugzeuge elektrisch angetrieben werden, stellen sie noch höhere Anforderungen an Leichtbaumaterialien. Kohlefaserverbundstoffe spielen in der Struktur und den Komponenten von eVTOLs im Vergleich zu herkömmlichen Flugzeugen eine viel größere Rolle. In der kommerziellen Luftfahrt bestehen etwa 50 % der Struktur der Boeing 787 aus Verbundwerkstoffen. Laut Stratview Research liegt der Anteil der Verbundwerkstoffe, die in der Struktur von eVTOLs verwendet werden, bei bis zu 70 %. Mehr als 90 % dieser Verbundwerkstoffe sind kohlenstofffaserverstärkt, rund 10 % sind glasfaserverstärkt. Dies bedeutet, dass Kohlefaserverbundstoffe über 63 % des gesamten in eVTOLs verwendeten Materials ausmachen. Von eVTOL-Verbundwerkstoffen werden etwa 75–80 % in Strukturteilen und Antriebssystemen verwendet, 12–14 % in internen Strukturen wie Trägern und Sitzstrukturen und die restlichen 8–12 % in Batteriesystemen, Avionik, und andere kleine Anwendungen.

Carbon Fiber Composites Applications

(3) Umfangreiche Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Mainstream-eVTOL-Modellen
Die drei gängigsten inländischen eVTOL-Hersteller sind EHang, XPeng Aeroht und Vertical Aerospace. Zu den öffentlich bekannt gegebenen Modellen dieser Unternehmen gehören der EH216-S von EHang, der Traveler X2 von XPeng Aeroht und der Shengshi Long von Vertical Aerospace. Bei herkömmlichen Verkehrsflugzeugen gilt das maximale Startgewicht = Leergewicht + Treibstoffgewicht + maximale Nutzlast. Da eVTOLs rein elektrisch angetrieben werden, gilt das maximale Startgewicht = Leergewicht + maximale Nutzlast. Indem wir die maximale Nutzlast vom maximalen Startgewicht abziehen, können wir das Leergewicht abschätzen. Den offengelegten Daten zufolge wird die maximale individuelle Nutzlast für den Traveler X2 mit (560-360)/2 = 100 kg berechnet. Darüber hinaus hat China Hengrui HRC bekannt gegeben, dass ein Teil der Karosserie des XPeng Aeroht X2 ausschließlich von HRC hergestellt wird und der Kohlefaseranteil nur 85 kg wiegt. Daher beträgt der Anteil an Kohlefaserverbundwerkstoffen = 85/360 = 23,6 %. Unter der Annahme, dass auch die eVTOLs von EHang und Vertical Aerospace Kohlefaserverbundstoffe im gleichen Anteil von 23,6 % verwenden.

(4) eVTOLs werden zu einem neuen Wachstumstreiber für Kohlefaser im Luft- und Raumfahrtsektor
Laut Stratview Research wird die Nachfrage nach Verbundwerkstoffen in der eVTOL-Industrie in den nächsten sechs Jahren voraussichtlich erheblich wachsen und von etwa 1,1 Millionen Pfund (ca. 500 Tonnen) im Jahr 2024 auf 25,9 Millionen Pfund (ca. 11.750 Tonnen) steigen. im Jahr 2030 mit einer Wachstumsrate von etwa dem 22,5-fachen und einer jährlichen Wachstumsrate von 69 %. Laut der Prognose von CAO Carbon Fiber wird die Nachfrage nach Carbonfasern im Luft- und Raumfahrtsektor von 22.000 Tonnen im Jahr 2023 auf 48.635 Tonnen im Jahr 2030 steigen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 12 %. Diese Prognose berücksichtigt noch nicht den potenziellen Aufschwung der eVTOL-Branche aufgrund der verstärkten politischen Unterstützung. Wenn wir uns auf diese beiden statischen Prognosen beziehen, wird erwartet, dass die Kohlefasernachfrage im Luft- und Raumfahrtsektor aus eVTOLs bis 2030 24,2 % ausmachen wird. Mit der durch politische Katalysatoren vorangetriebenen Beschleunigung des eVTOL-Einsatzes könnte dieser Anteil sogar noch höher sein. Es ist klar, dass eVTOLs bis 2030 eine wichtige Nachfragequelle für Kohlefaser im Luft- und Raumfahrtsektor werden werden.



Lange Carbonfaser-Verbundwerkstoffe im UAV-Bereich

Verbundwerkstoffe aus langen Kohlenstofffasern werden zunehmend im UAV-Bereich (Unmanned Aerial Vehicle) eingesetzt und spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der UAV-Leistung, der Verlängerung der Flugzeit sowie der Verbesserung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Hier sind die wichtigsten Anwendungen und Vorteile von Verbundwerkstoffen aus langen Kohlenstofffasern im UAV-Bereich:


1. Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit von UAV-Strukturen
Lange Carbonfaser-Verbundwerkstoffe weisen eine extrem hohe spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit auf, sodass sie schwere Lasten tragen und dabei leicht bleiben können. Durch die Verwendung langer Kohlefaserverbundwerkstoffe in UAV-Strukturen wie Rumpf, Flügeln, Propellern und Fahrwerk können die Festigkeit und Steifigkeit des UAV erheblich verbessert werden, sodass es komplexen Flugumgebungen und Hochgeschwindigkeitsoperationen standhalten kann.

2. Gewichtsreduzierung und Verlängerung der Flugzeit
Das Gewicht ist ein Schlüsselfaktor, der die Flugzeit von UAVs beeinflusst. Lange Kohlefaserverbundwerkstoffe sind extrem leicht und bieten dennoch eine hervorragende Festigkeit, was dazu beiträgt, das Gesamtgewicht des UAV zu reduzieren. Dies wiederum verbessert die Batterieeffizienz und verlängert die Flugzeit. Leichtbau ist besonders wichtig bei kleinen UAVs und elektrischen vertikal startenden und landenden Flugzeugen (eVTOL).

3. Verbesserung der Schlagfestigkeit und Haltbarkeit
Die hohe Zähigkeit von Verbundwerkstoffen aus langen Kohlefasern ermöglicht es UAVs, bei Kollisionen oder extremen Wetterbedingungen eine hervorragende Schlagfestigkeit und Haltbarkeit aufrechtzuerhalten. Insbesondere in den Außenhüllen und kritischen Strukturkomponenten von UAVs verhindern Kohlefaserverbundwerkstoffe wirksam Strukturschäden und senken so die Wartungskosten.

4. Korrosionsbeständigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit
Kohlefaserverbundwerkstoffe weisen eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit auf und eignen sich daher ideal für UAVs, die in rauen Umgebungen wie hoher Luftfeuchtigkeit oder Salzwasser eingesetzt werden. Dies macht lange Kohlefaserverbundwerkstoffe zu einer großartigen Wahl für Anwendungen in der Meeresüberwachung, beim Sprühen in der Landwirtschaft und bei anderen Einsätzen, die eine hohe Umweltbeständigkeit erfordern.

5. Elektromagnetische Abschirmleistung
Lange Kohlefaserverbundstoffe verfügen über bestimmte elektromagnetische Abschirmeigenschaften, die dazu beitragen, Störungen durch externe elektromagnetische Quellen auf die internen elektronischen Systeme des UAV zu reduzieren. Dies ist entscheidend für den stabilen Flug von UAVs in komplexen Umgebungen, insbesondere für Datenübertragungs- und Kommunikationssysteme.

6. Verbesserung der Sicherheit
Aufgrund der hervorragenden Ermüdungs- und Alterungsbeständigkeit von Kohlefaserverbundwerkstoffen verlängern sie effektiv die Lebensdauer von UAVs und verringern das Risiko eines Ausfalls aufgrund von Materialverschlechterung. Dies trägt zu einer verbesserten Flugsicherheit bei.


Anwendungsbeispiele:
Kleine Verbraucher-UAVs:Viele hochwertige Verbraucher-UAVs, wie beispielsweise bestimmte Modelle von DJI, haben damit begonnen, Kohlefaserverbundwerkstoffe in ihren Körperstrukturen, insbesondere in Flügeln und Stützrahmen, zu verwenden, um die Flugleistung und Haltbarkeit zu verbessern.

Militärische UAVs: Militärische UAVs, die eine hohe Haltbarkeit, Festigkeit und Tarnfähigkeit erfordern, verwenden häufig lange Kohlefaserverbundstoffe. Diese Materialien reduzieren nicht nur das Gewicht, sondern verbessern auch die strukturelle Festigkeit und die Tarneigenschaften.

Elektrisch vertikal startende und landende (eVTOL) Flugzeuge: eVTOLs stellen extrem hohe Anforderungen an die Gewichtsreduzierung. Lange Kohlefaserverbundstoffe sind ideale Strukturmaterialien für eVTOLs. Durch die Verwendung dieser Materialien können eVTOLs ein leichtes Design erreichen und gleichzeitig ausreichende Festigkeit und Steifigkeit gewährleisten, wodurch Reichweite und Flugeffizienz verbessert werden.





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