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以關(guān)鍵材料升級(jí)

助力我國(guó)低空制造業(yè)發(fā)展的思考與建議

霍正元  齊景麗  申傳龍

摘要：發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)具有重要的戰(zhàn)略意義，不僅能夠培育經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)創(chuàng)新，還能深化軍民融合發(fā)展，提升國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力。作為低空經(jīng)濟(jì)的重要支撐，低空制造既是技術(shù)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)，也是價(jià)值創(chuàng)造的核心環(huán)節(jié)。其中，關(guān)鍵材料作為低空制造的技術(shù)底盤(pán)，是決定飛行器性能、安全與成本的關(guān)鍵因素。本文聚焦于發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)所需的關(guān)鍵材料，深入分析其發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)需求空間。通過(guò)研究關(guān)鍵材料自主保障面臨的主要問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面提出建議：一是增強(qiáng)關(guān)鍵材料自主可控能力，重點(diǎn)突破核心技術(shù)；二是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效率，構(gòu)建高效協(xié)作體系；三是推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化和平臺(tái)體系化建設(shè)，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)；四是探索產(chǎn)學(xué)研深度融合的人才梯隊(duì)建設(shè)。這些措施將為提升我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)核心競(jìng)爭(zhēng)力提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵材料；低空制造；國(guó)產(chǎn)化升級(jí)

低空經(jīng)濟(jì)作為突破傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)空間限制、重構(gòu)生產(chǎn)要素配置、打造經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新引擎的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，是以技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)、制造創(chuàng)新為基礎(chǔ)、場(chǎng)景創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)、制度創(chuàng)新為保障的經(jīng)濟(jì)新賽道。它涵蓋了關(guān)鍵材料及部件供給、飛行器制造、多元場(chǎng)景應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施保障和專(zhuān)業(yè)化服務(wù)等全鏈條。發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)，是我國(guó)推動(dòng)構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系，提升社會(huì)運(yùn)行效率和公共服務(wù)能力，釋放低空空域資源價(jià)值，深化軍民融合和促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署。

低空經(jīng)濟(jì)以培育發(fā)展低空制造業(yè)為先導(dǎo)，其中關(guān)鍵材料是做強(qiáng)低空制造的技術(shù)底盤(pán)。我國(guó)在航空航天、新能源汽車(chē)、電子信息等領(lǐng)域取得的化工新材料產(chǎn)業(yè)成就令人矚目，但關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控能力仍需加強(qiáng)。當(dāng)前亟待提升關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化率和性能水平，疏通產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的堵點(diǎn)，健全標(biāo)準(zhǔn)體系并強(qiáng)化驗(yàn)證平臺(tái)的支撐能力。通過(guò)政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高自主化水平，減少高端材料進(jìn)口依賴(lài)度，滿足低空制造“有材可用”“國(guó)材國(guó)用”發(fā)展需求，構(gòu)建以“內(nèi)循環(huán)”為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)鏈體系，為低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、做強(qiáng)低空制造是贏得低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展主動(dòng)權(quán)的先手棋

低空制造作為低空經(jīng)濟(jì)的核心支柱產(chǎn)業(yè)，是贏得低空經(jīng)濟(jì)萬(wàn)億市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵，更是保障國(guó)家安全、提升產(chǎn)業(yè)國(guó)際話語(yǔ)權(quán)的戰(zhàn)略選擇。

（一）政策支持呈現(xiàn)“從框架到細(xì)則”深化態(tài)勢(shì)

低空經(jīng)濟(jì)是在低空空域內(nèi)（通常為1000米以下，根據(jù)實(shí)際需要可延伸至不超過(guò)3000米），主要的載具為無(wú)人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）、直升機(jī)、輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)等，以載人、載貨及其他作業(yè)等多場(chǎng)景低空飛行活動(dòng)為牽引，輻射帶動(dòng)商業(yè)活動(dòng)或公共服務(wù)領(lǐng)域融合發(fā)展的一種綜合性新經(jīng)濟(jì)形態(tài)。當(dāng)前，我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)已經(jīng)進(jìn)入快速培育階段，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)新契機(jī)。

圖1 低空飛行器類(lèi)型及空域區(qū)間示意圖

2021年2月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，首次將“低空經(jīng)濟(jì)”概念寫(xiě)入國(guó)家規(guī)劃，標(biāo)志著低空經(jīng)濟(jì)正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略；2023年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出打造包括低空經(jīng)濟(jì)在內(nèi)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；2024年1月實(shí)施的《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，作為我國(guó)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域首部專(zhuān)門(mén)性行政法規(guī)，進(jìn)一步明確了低空空域分類(lèi)管理規(guī)則，為產(chǎn)業(yè)規(guī)范化、法治化發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2024年3月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、中國(guó)民用航空局等四部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)施方案（2024-2030年）》，提出到2030年，以高端化、智能化、綠色化為特征的通用航空裝備將全面融入人民生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，成為低空經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的強(qiáng)大推動(dòng)力，形成萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。

2025年《政府工作報(bào)告》提出，通過(guò)開(kāi)展新技術(shù)、新產(chǎn)品、新場(chǎng)景的大規(guī)模應(yīng)用示范行動(dòng)，推動(dòng)商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)、深海科技等新興產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)安全健康發(fā)展。

（二）“制造主導(dǎo)”是低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的主要特征

低空制造涵蓋飛行器研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)維等全鏈條，是低空經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造的核心，直接決定下游應(yīng)用場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)性與可行性。低空制造涵蓋關(guān)鍵材料供給、核心零部件生產(chǎn)、低空飛行器整機(jī)制造、設(shè)施設(shè)備配套保障等環(huán)節(jié)，是低空飛行、保障及服務(wù)等下游應(yīng)用的技術(shù)底盤(pán)。其中，低空飛行器材料作為核心基礎(chǔ)，直接決定飛行器的性能、安全與成本，是低空制造的關(guān)鍵支撐領(lǐng)域。

根據(jù)中國(guó)民航局2025年5月發(fā)布的《2024年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至2024年底，我國(guó)低空飛行器的制造與注冊(cè)總量約為220.9萬(wàn)架（其中有人駕駛通用航空器3232架，無(wú)人機(jī)217.7萬(wàn)架）。據(jù)賽迪公司公布的數(shù)據(jù)，2024年我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)6702.5億元，同比增長(zhǎng)32.5%，增速遠(yuǎn)超傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。其中，原材料、零部件和整機(jī)制造等中上游環(huán)節(jié)產(chǎn)值占比接近70%（原材料與零部件占35%、整機(jī)制造占35%），設(shè)計(jì)測(cè)試占15%，運(yùn)營(yíng)服務(wù)等消費(fèi)需求端產(chǎn)值僅為全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值15%左右。

據(jù)中國(guó)民用航空局預(yù)測(cè)，2025年低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模將突破1.5萬(wàn)億元，2035年有望達(dá)到3.5萬(wàn)億元，形成覆蓋研發(fā)、制造、運(yùn)營(yíng)的全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。基于低空經(jīng)濟(jì)是以飛行器為主的空域航行模式，eVTOL在各細(xì)分方向中獲得關(guān)注度最高，全球eVTOL市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2025年的797億元，增長(zhǎng)至2030年的4055億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)50%。我國(guó)若在關(guān)鍵城市順利推進(jìn)eVTOL商業(yè)化試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)到2030年將占全球市場(chǎng)份額的20%。

（三）推進(jìn)材料升級(jí)贏得發(fā)展主動(dòng)權(quán)刻不容緩

材料升級(jí)是通過(guò)突破關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、完善應(yīng)用驗(yàn)證等方式，一方面降低制造成本，推動(dòng)下游應(yīng)用規(guī)模化；另一方面提高創(chuàng)新轉(zhuǎn)化效率，解決“卡脖子”問(wèn)題，滿足高端化供給。

以無(wú)人機(jī)制造成本結(jié)構(gòu)為例，動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)材料、通信模塊和其他配套占比分別為30%、25%、20%、15%、10%。通過(guò)突破高性能材料和核心部件技術(shù)，可顯著降低制造成本，如碳纖維生產(chǎn)成本從2015年800元/千克降至2023年150元/千克，對(duì)擴(kuò)大材料應(yīng)用具有顯著影響。

對(duì)比我國(guó)與美國(guó)、日本低空制造領(lǐng)域相關(guān)指標(biāo)可以看出，盡管中國(guó)在市場(chǎng)規(guī)模、部分材料資源上占優(yōu)，但在高端材料、動(dòng)力電池、芯片等核心領(lǐng)域與國(guó)際領(lǐng)先水平相比仍有一定差距，亟需以“技術(shù)-政策-資本”三軸聯(lián)動(dòng)加快材料升級(jí)，突破“卡脖子”難題，保障我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展自主保障能力。

表1 我國(guó)與美國(guó)、日本低空制造領(lǐng)域相關(guān)指標(biāo)

數(shù)據(jù)來(lái)源：作者根據(jù)公開(kāi)資料整理

二、實(shí)現(xiàn)從“能用”到“好用”涉及三類(lèi)主要材料

研制高性能低空飛行器是推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。我國(guó)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域積累的電池、電機(jī)、電控、自動(dòng)駕駛、充電設(shè)施等技術(shù)能力，以及國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的飛機(jī)工程設(shè)計(jì)、安全性等相關(guān)技術(shù)及人才儲(chǔ)備，均為發(fā)展低空飛行器制造提供了有力支撐。

相比傳統(tǒng)飛行器，低空飛行器呈現(xiàn)向安全化、綠色化、智能化加速演進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)核心材料的輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕與耐候性，動(dòng)力系統(tǒng)的電池長(zhǎng)續(xù)航與快充能力，以及整機(jī)的高可靠性與安全性等方面提出了新要求，亟需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)材料性能升級(jí)，增強(qiáng)材料與制造的適配性，實(shí)現(xiàn)全鏈條制造水平躍升。

圖2 低空飛行器所需三類(lèi)主要材料

（一）結(jié)構(gòu)輕量化材料

1.機(jī)身輕量化材料

機(jī)身輕量化材料性能是決定低空飛行器續(xù)航能力和載荷效率的關(guān)鍵。代表性材料有：碳纖維復(fù)合材料（CFRP），用于機(jī)身結(jié)構(gòu)、機(jī)翼、旋翼；玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP），應(yīng)用于機(jī)身結(jié)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)；聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚酰亞胺（PI）泡沫材料，用于無(wú)人機(jī)槳葉夾芯材料，可在減重同時(shí)保持結(jié)構(gòu)剛度；芳綸蜂窩材料兼顧強(qiáng)度、彈性與模量，用于電池艙、機(jī)身碰撞防護(hù)、減震降噪等。

在各類(lèi)結(jié)構(gòu)材料中，碳纖維復(fù)合材料因兼具質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、抗電磁干擾等優(yōu)異性能，是低空飛行器的核心輕量化結(jié)構(gòu)材料。以eVTOL飛行器為例，機(jī)身結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料比例達(dá)70%以上，其中90%為碳纖維增強(qiáng)材料。按碳纖維重量占復(fù)合材料重量52%計(jì)算，一架560千克eVTOL所需純碳纖維量約204千克（不同型號(hào)飛行器用量在100~400千克之間），其中70%以上為T(mén)700和T800品級(jí)，同等重量下T700及T800平均強(qiáng)度性能比T300提高66%，T1100則可將強(qiáng)度提高98%，實(shí)現(xiàn)減重10%~25%，可顯著提升續(xù)航能力。

據(jù)中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)聯(lián)盟發(fā)布的《低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》預(yù)測(cè)，到2030年我國(guó)eVTOL市場(chǎng)保有量有望突破10萬(wàn)架，當(dāng)年新增產(chǎn)量預(yù)計(jì)為1.6萬(wàn)~2.5萬(wàn)架，占全球25%~30%的市場(chǎng)份額。據(jù)此測(cè)算，到2030年我國(guó)eVTOL行業(yè)拉動(dòng)T700級(jí)以上碳纖維累計(jì)增量約2.04萬(wàn)噸，2030年市場(chǎng)需求達(dá)到3264~5100噸。進(jìn)一步考慮無(wú)人機(jī)單架碳纖維用量30千克及7萬(wàn)架產(chǎn)量，輕型飛機(jī)、直升機(jī)等通用航空的單機(jī)用量約500千克（占機(jī)身重量的10%~15%）及1.5萬(wàn)架產(chǎn)量，對(duì)應(yīng)2030年需要新增高性能碳纖維產(chǎn)量約1.4萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)69%。

圖3 典型結(jié)構(gòu)輕量化材料

2.部件輕量化材料

特種工程塑料是低空飛行器性能躍升的“隱形門(mén)檻”。代表性材料有：聚醚醚酮（PEEK）用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、緊固件、齒輪、軸承等，需要耐受高溫（250℃以上）和極端環(huán)境；聚苯硫醚（PPS）用于制造起落架、機(jī)翼、電氣部件及熱交換器，耐高溫高濕環(huán)境性能優(yōu)異，成本低于PEEK，適合中小型無(wú)人機(jī)；聚酰胺（PA66）與碳纖維復(fù)合，用于制造機(jī)身框架、槳葉、機(jī)臂等部件，因性價(jià)比高，且耐磨性優(yōu)異，具有規(guī)模化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；聚甲醛（POM）用于制造齒輪、軸承、傳動(dòng)裝置等耐磨損部件；聚碳酸酯（PC）膜，透明度和抗沖擊性強(qiáng)，適用于風(fēng)擋、座艙蓋、儀表板、顯示屏等透明部件及動(dòng)力電池防護(hù)層；聚酰亞胺（PI）主要用于功能型而非結(jié)構(gòu)型部件，常見(jiàn)于艙內(nèi)高溫區(qū)域，制造飛行器隔熱層、電氣絕緣部件、減震降噪部件；環(huán)烯烴共聚物（COC）主要用于機(jī)載攝像頭鏡片等。在未來(lái)多種消費(fèi)級(jí)民用機(jī)型規(guī)模化制造場(chǎng)景下，工程塑料也具備部分替代碳纖維等高成本材料的趨勢(shì)，將通過(guò)工藝創(chuàng)新和混合設(shè)計(jì)優(yōu)化性能與成本。

我國(guó)2024年工程塑料消費(fèi)量約為800萬(wàn)噸，年均增速約8%~10%，主要依托新能源汽車(chē)、5G通信、綠色包裝等需求拉動(dòng)，以聚酰胺6（PA6）、丙烯酸-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）等通用型工程塑料為主。PEEK、PI等高端工程塑料國(guó)產(chǎn)化率不足30%；POM依托引進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)品先進(jìn)性不足；超高分子量聚乙烯、尼龍66、聚碳酸酯的高性能產(chǎn)品占比不高，COC量產(chǎn)后的應(yīng)用場(chǎng)景有待拓展，在當(dāng)前低空制領(lǐng)域使用量合計(jì)不足500噸。

圖4 低空飛行器鏡頭及COC等光學(xué)材料

按照消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)工程塑料用機(jī)身重量的30%~50%，工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)占15%~25%，eVTOL占5%~10%，直升機(jī)、通用飛機(jī)等用量占比約5%，綜合預(yù)計(jì)2030年我國(guó)低空飛行器工程塑料用量可能達(dá)到90萬(wàn)~160萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率約18%~22%。工程材料應(yīng)用均需經(jīng)過(guò)復(fù)合改性，仍需加大研發(fā)創(chuàng)新力度，提高復(fù)合材料尺寸精度并優(yōu)化工藝參數(shù)，滿足定制化需求，實(shí)現(xiàn)性能與成本的有效平衡。

3.結(jié)構(gòu)粘接材料

采用結(jié)構(gòu)粘接材料替代鉚釘類(lèi)連接件可顯著減輕低空飛行器重量。粘接技術(shù)在航空航天各種飛行器上粘接部位較多，粘接面積較大，例如：B-1飛機(jī)在機(jī)身、機(jī)翼、操作面、整流罩、整體油箱等部位，膠接面積達(dá)全機(jī)表面積80%；波音747飛機(jī)的膠接面積達(dá)到3000平方米。采用膠粘連接，飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減輕15%~30%，制造總費(fèi)用可節(jié)約25~30%，制造效率比傳統(tǒng)鉚焊連接方式快2.5倍。

近年來(lái)，高品質(zhì)、高性能、高附加值膠粘劑在需求牽引下，得到市場(chǎng)廣泛關(guān)注，成為膠粘劑市場(chǎng)利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，不斷豐富在密封、絕緣、減震、隔熱、消音、阻尼、降噪、防潮、粘涂、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、減磨、耐油等多種功能上的應(yīng)用。

在低空飛行器制造領(lǐng)域，代表性材料有：環(huán)氧樹(shù)脂基膠粘劑，用于電機(jī)磁鋼粘接、機(jī)身結(jié)構(gòu)件連接，確保高強(qiáng)度與耐振動(dòng)，避免飛行中部件脫落；聚氨酯改性灌封膠，適用于旋翼連接處等振動(dòng)頻繁部件和電池艙密封，防止灰塵進(jìn)入；高溫型聚酰亞胺膠，用于座艙視窗、傳感器鏡頭的粘接密封，確保高透明度和抗沖擊，避免飛行中視窗破裂；硅基導(dǎo)熱凝膠，用于電機(jī)、電池、電調(diào)等電子部件的散熱，防止過(guò)熱導(dǎo)致性能下降或起火；有機(jī)硅三防膠，用于電機(jī)控制線路板，防潮濕、鹽霧、霉菌，適應(yīng)沿海或雨林等惡劣環(huán)境。

目前，我國(guó)膠粘劑總產(chǎn)能約255萬(wàn)噸，但可應(yīng)用于低空飛行器制造的結(jié)構(gòu)膠占比不足5%，PI膠、PEEK膠等80%需從美國(guó)杜邦、日本東麗等企業(yè)進(jìn)口，而中低端過(guò)剩也導(dǎo)致通用環(huán)氧膠產(chǎn)能利用率僅63%，亟需提高國(guó)產(chǎn)化水平。

（二）能源存儲(chǔ)材料

1.固態(tài)電池材料

高能量密度電池材料是提升低空飛行器續(xù)航能力的突破口。我國(guó)現(xiàn)有主流鋰離子電池能量密度約200~300瓦時(shí)/千克電池重量占低空飛行器總重約30%，維持飛行時(shí)長(zhǎng)不足25分鐘，是制約低空飛行器“飛得久”的瓶頸。遠(yuǎn)期看傳統(tǒng)鋰電池在低空領(lǐng)域用量占比將降至30%以下，具有高能量密度的固態(tài)電池將成為主力品種，各國(guó)均在加緊技術(shù)迭代和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，我國(guó)處于全球領(lǐng)先梯隊(duì)。

推進(jìn)高鎳正極材料、富鋰錳基正極材料、硅碳納米負(fù)極、鋰金屬負(fù)極、氧化物/硫化物固態(tài)電解質(zhì)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，有望在未來(lái)三年實(shí)現(xiàn)400瓦時(shí)/千克級(jí)能量密度電池產(chǎn)品量產(chǎn)，到2030年突破500瓦時(shí)/千克，可將低空飛行器續(xù)航時(shí)間提升2~3倍。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)低空飛行器對(duì)高能量密度電池材料的應(yīng)用將呈現(xiàn)以固態(tài)電池為主、傳統(tǒng)鋰電池并存的格局，總用量預(yù)計(jì)超120吉瓦時(shí)，其中固態(tài)電池占比超70%，所需新型電池材料約達(dá)30萬(wàn)噸，技術(shù)突破與政策引導(dǎo)將是產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要引擎。

圖5 高能量密度電池材料性能對(duì)比示意

2.氫燃料電池材料

氫燃料電池能量密度高，可以為低空飛行器提供長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力源。氫燃料電池能量密度已達(dá)800瓦時(shí)/千克，高于eVTOL能量密度要求，其能量密度理論上限為20000瓦時(shí)/千克，目前功率密度為600瓦時(shí)/千克。氫鋰結(jié)合成為較為理想的動(dòng)力源方案，eVTOL的功率要求為爬升＞懸停＞下降＞巡航，氫燃料電池可在巡航階段提供恒定功率，而在起飛和降落階段由鋰電池補(bǔ)充燃料電池的功率。

此外，氫燃料電池還可以在負(fù)載較低時(shí)為鋰電池充電。通過(guò)與鋰電池或超級(jí)電容組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，既能夠提供垂直起降的高功率，又能實(shí)現(xiàn)固定翼模態(tài)飛行時(shí)的長(zhǎng)續(xù)航能力。氫燃料電池在未來(lái)不斷發(fā)展過(guò)程中，更適合于低功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的飛行階段。

氫燃料電池系統(tǒng)成本持續(xù)下探，催化劑等電堆材料為降本關(guān)鍵。氫燃料電池目前還未在eVTOL上具有成熟應(yīng)用，故以氫能源汽車(chē)的各部分成本占比做初步參考。2023年氫能源汽車(chē)成本結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，氫燃料電池系統(tǒng)成本占比由2020年的約69%降低到2023年的約52%，預(yù)計(jì)到2025年底將進(jìn)一步降低到約41%。

根據(jù)南航公司與沃蘭特共同發(fā)布的《客運(yùn)eVTOL應(yīng)用與市場(chǎng)》預(yù)測(cè)，在2035年及以后，eVTOL進(jìn)入普及階段，現(xiàn)有電池（鋰電池為代表）容量及電機(jī)功率進(jìn)一步提升并逼近理論上限，小型化、高效的氫燃料電池預(yù)計(jì)將在2035年以后在eVTOL上得到大規(guī)模運(yùn)用。

（三）安全保障材料

低空制造的核心安全需求包括：結(jié)構(gòu)安全（抗沖擊、耐疲勞）、運(yùn)行安全（防火、減震、電子防護(hù)）、環(huán)境安全（夜間識(shí)別、耐候性）。

1.防火隔熱材料

防火隔熱材料用于保障艙內(nèi)安全與設(shè)備穩(wěn)定，代表性品種有：二氧化硅氣凝膠，用于座艙內(nèi)飾襯板，實(shí)現(xiàn)高效隔熱和降噪，防止外界高溫傳入艙內(nèi)，同時(shí)降低飛行噪聲；酚醛防火隔熱泡棉，用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙、電池艙等關(guān)鍵部位，防止火災(zāi)擴(kuò)散或電池?zé)崾Э貙?duì)周邊部件的影響；硬質(zhì)聚氨酯泡沫，作為吸聲材料，填充于機(jī)身或座艙內(nèi)部，降低螺旋槳、電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲，提升乘客舒適度。

2.減震降噪材料

減震降噪材料用于提升飛行穩(wěn)定性與部件壽命，代表性品種有：有機(jī)硅橡膠泡沫，制成密封墊或減振墊，用于機(jī)身縫隙、電機(jī)底座、旋翼連接部位，減少振動(dòng)傳遞至艙內(nèi)，同時(shí)防止灰塵進(jìn)入；丁基橡膠阻尼減震材料，與金屬材料復(fù)合，用于機(jī)翼、機(jī)臂、起落架等結(jié)構(gòu)件，避免因共振導(dǎo)致部件疲勞損壞；碳化硅納米涂層材料，用于發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳葉片、機(jī)身表面，降低空氣摩擦，減少運(yùn)行噪聲，同時(shí)保護(hù)部件免受外部鹽堿環(huán)境腐蝕。

安全保障材料因品種細(xì)分多，生產(chǎn)規(guī)模小，目前市場(chǎng)關(guān)注度不高，市場(chǎng)規(guī)模暫無(wú)公開(kāi)的具體用量數(shù)據(jù)。隨著低空經(jīng)濟(jì)向規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展，安全保障材料需向輕量化、高性能、多功能、智能化、綠色化方向升級(jí)。以氣凝膠為例，2024年，全球市場(chǎng)規(guī)模約10億美元，中國(guó)占比40%。在低空制造領(lǐng)域，eVTOL單臺(tái)需約5~15千克氣凝膠，需求占比10%~15%，市場(chǎng)規(guī)模約0.4~0.6億美元。目前該領(lǐng)域仍處于快速成長(zhǎng)階段，市場(chǎng)規(guī)模將隨低空經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而持續(xù)擴(kuò)大。

圖6 氣凝膠材料

三、我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵材料自主保障面臨的主要問(wèn)題

（一）國(guó)產(chǎn)化率和性能水平亟待提升

碳纖維材料方面，高品級(jí)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化水平低。2024年，我國(guó)碳纖維產(chǎn)量約5.9萬(wàn)噸，其中T300級(jí)占比64%，但高性能的T700、T800級(jí)不足2萬(wàn)噸，更高品級(jí)的T1100級(jí)碳纖維實(shí)際產(chǎn)量不足千噸，國(guó)內(nèi)60%以上高端應(yīng)用需求依賴(lài)進(jìn)口。

特種工程塑料方面，關(guān)鍵性能指標(biāo)不能滿足使用需求。例如，國(guó)產(chǎn)聚醚醚酮的耐高溫性能、聚甲醛的紫外線老化性能、聚苯硫醚的抗電磁干擾性等，仍無(wú)法適配苛刻環(huán)境，低空飛行器所需特種工程塑料對(duì)外依存度70%。

新型電池材料方面，用于高能量密度電池的電極和電解液材料制備技術(shù)仍在探索，能量密度、電池壽命、安全性能均有待材料端優(yōu)先實(shí)現(xiàn)技術(shù)破題。

安全保障材料方面，以PI為例，美國(guó)杜邦、日本鐘淵化學(xué)、日本東麗、韓國(guó)SKC公司等占據(jù)行業(yè)近80%產(chǎn)能，我國(guó)約有50家規(guī)模大小不等的PI生產(chǎn)企業(yè)，多為百?lài)嵓?jí)裝置，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、精細(xì)化程度低、品種少。 

（二）產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同仍存堵點(diǎn)

一是材料研發(fā)與制造需求脫節(jié)。材料研發(fā)單位與低空飛行器制造企業(yè)缺乏聯(lián)合開(kāi)發(fā)機(jī)制，具有工程轉(zhuǎn)化價(jià)值的創(chuàng)新成果占比較少。

二是產(chǎn)業(yè)上下游供給失衡。原料端基礎(chǔ)品種飽和，但關(guān)鍵聚合單體仍依賴(lài)進(jìn)口，產(chǎn)品端普通品種同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，高端品種占比不足三成。

三是制造選材用材供應(yīng)鏈分散。低空飛行器制造涉及結(jié)構(gòu)材料、電池材料、功能材料等多元集成，因缺乏協(xié)同適配的一體化設(shè)計(jì)，分散性選材用材導(dǎo)致低空飛行器綜合性能不佳。

四是材料性能優(yōu)化缺乏真實(shí)場(chǎng)景反饋。因當(dāng)前航空器研制與具體應(yīng)用場(chǎng)景也存在精準(zhǔn)適配不足問(wèn)題，使實(shí)際低空?qǐng)鼍皩?duì)飛行器運(yùn)行需求未能充分反哺材料設(shè)計(jì)。

（三）標(biāo)準(zhǔn)體系和驗(yàn)證平臺(tái)支撐不足

一是工業(yè)和信息化部、民航局、科技部對(duì)低空飛行器材料標(biāo)準(zhǔn)分別側(cè)重于工藝性能、安全適配、材料創(chuàng)新，部分標(biāo)準(zhǔn)要求存在分歧，導(dǎo)致測(cè)試低效和應(yīng)用梗阻。例如，碳纖維復(fù)合材料需分別通過(guò)工信部的靜態(tài)性能測(cè)試和民航局的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，雙重認(rèn)證使研發(fā)成本增加30%以上，而標(biāo)準(zhǔn)要求分歧也使上下游企業(yè)缺乏統(tǒng)一遵循，無(wú)法形成一致性配套供應(yīng)。

二是專(zhuān)用中試和檢測(cè)平臺(tái)不足。服務(wù)低空制造材料的綜合檢測(cè)認(rèn)證平臺(tái)數(shù)量少，現(xiàn)有中試平臺(tái)在復(fù)合改性、跨學(xué)科集成方面的支撐能力不足。目前，我國(guó)復(fù)合材料工程轉(zhuǎn)化周期約為日本的兩倍，eVTOL用新型復(fù)合材料適航檢測(cè)驗(yàn)證周期長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月，而美國(guó)僅為9個(gè)月。

四、加快推動(dòng)關(guān)鍵材料提質(zhì)升級(jí)有關(guān)建議

（一）增強(qiáng)關(guān)鍵材料自主可控能力

一是持續(xù)開(kāi)展高品質(zhì)碳纖維、高性能特種工程塑料、高能量密度電池材料關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，鼓勵(lì)材料研制企業(yè)與上游原料企業(yè)、下游低空制造材料應(yīng)用企業(yè)協(xié)同研發(fā)，加快突破國(guó)產(chǎn)高性能材料自主化及量產(chǎn)瓶頸。

二是加強(qiáng)對(duì)新型復(fù)合材料研發(fā)與轉(zhuǎn)化的支持力度，鼓勵(lì)企業(yè)突破關(guān)鍵制備工藝和核心設(shè)備，針對(duì)新應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)適用性強(qiáng)的復(fù)合材料，結(jié)合新材料首批次保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)高性能復(fù)合材料在低空制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

（二）優(yōu)化提升產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效率

一是鼓勵(lì)高校等科研機(jī)構(gòu)優(yōu)化研發(fā)模式，加強(qiáng)跨學(xué)科融合創(chuàng)新，深化政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)作開(kāi)發(fā)，平衡學(xué)術(shù)價(jià)值與實(shí)用價(jià)值，提高成果轉(zhuǎn)化率。

二是鼓勵(lì)現(xiàn)有關(guān)鍵材料生產(chǎn)企業(yè)推進(jìn)技術(shù)升級(jí)，對(duì)標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先水平，增加高端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)占比，提高進(jìn)口替代能力。

三是鼓勵(lì)制造企業(yè)開(kāi)展多元材料一體化研發(fā)設(shè)計(jì)和選材優(yōu)化示范，探索“材料-設(shè)計(jì)-制造”系統(tǒng)集成最優(yōu)模式。

四是增強(qiáng)材料性能與加工工藝創(chuàng)新與市場(chǎng)需求的精準(zhǔn)適配性，支撐低空飛行器細(xì)分產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用場(chǎng)景拓展，形成協(xié)同發(fā)展合力。

（三）推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化和平臺(tái)體系化

一是制定低空飛行器材料標(biāo)準(zhǔn)體系指南和全國(guó)統(tǒng)一的低空制造材料通用技術(shù)規(guī)范，統(tǒng)一無(wú)人機(jī)、eVTOL、通航材料標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計(jì)、制造、評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)提供遵循。

二是建設(shè)國(guó)家低空材料大數(shù)據(jù)中心，整合材料成分-工藝-性能數(shù)據(jù)，向認(rèn)證機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)放，優(yōu)化檢測(cè)效率，完善適航認(rèn)證體系，加速新材料商業(yè)化進(jìn)程。

三是鼓勵(lì)龍頭企業(yè)牽頭建立區(qū)域共享中試基地和專(zhuān)用分析測(cè)試平臺(tái)，提供材料制備工藝、工程放大和檢測(cè)評(píng)價(jià)全流程服務(wù)，縮短新材料開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化周期。

（四）探索產(chǎn)學(xué)研深度融合的人才梯隊(duì)建設(shè)

人才梯隊(duì)建設(shè)需要產(chǎn)學(xué)研深度融合。建議在高等院校開(kāi)設(shè)特色專(zhuān)業(yè)，把真實(shí)工作場(chǎng)景搬進(jìn)課堂，培養(yǎng)既懂材料又熟悉行業(yè)應(yīng)用的復(fù)合型人才。對(duì)于研發(fā)型人才，可探索"雙導(dǎo)師制"培養(yǎng)模式，由高校教授和企業(yè)工程師共同指導(dǎo)研究生課題。建立行業(yè)人才數(shù)據(jù)庫(kù)和流動(dòng)機(jī)制，鼓勵(lì)技術(shù)人員在不同領(lǐng)域輪崗交流，培育跨界思維。

五、結(jié)語(yǔ)

低空飛行器材料的升級(jí)換代是推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)安全健康發(fā)展的重要引擎，既是落實(shí)國(guó)家戰(zhàn)略的必然要求，也是支撐經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵路徑，更是破解行業(yè)痛點(diǎn)的重要抓手。在政策支持、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的多重驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)材料領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)高端化、國(guó)產(chǎn)化、規(guī)模化發(fā)展的新階段，為打造萬(wàn)億級(jí)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集群提供堅(jiān)實(shí)的戰(zhàn)略支撐，助力我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)提供核心保障。

參考文獻(xiàn)

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