由于无人机在结构设计中不需要考虑人的生理承受能力限制，能更专注的针对无人机的机动性能进行设计，使其在材料选用上具有—些有别于载人飞机的新特点。再加上无人机往往被用来执行空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等特殊任务，也使得碳纤维复合材料在多个方面都体现出了其应用优势。

碳纤维复合材料以其特有的性能，广泛运用在国防航空领域。碳纤维质轻、强度大、刚度大、耐热耐腐蚀，因此在无人机风靡的时候，科技研发人员也在考虑把碳纤维复合材料运用到无人机的外壳当中，可以更好地减轻质量。

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无人机及复合材料的市场规模

无人机市场目前已细分为无人机（UAV）、无人地面车辆（UGV）、无人水面航行器（USV）、无人水下航行器（UUV）、遥控航行器（ROV）、载人无人机等。在全球市场，无人机正在从一个消费者产品逐步渗透到各行各业的应用当中，市场规模稳步扩大。根据Drone Industry Insights公布的调研数据显示，2019年全球无人机市场规模180亿美元，其中复合材料市场规模为10.644亿美元，2020年全球无人机市场规模约为225亿美元，复合材料市场规模为12.241亿美元。复合材料市场规模预计到2027年将达到32.223亿美元，复合年增长率为14.8%。

无人机按照其应用领域的不同可以分为军用无人机与民用无人机。在发展早期，无人机行业的应用基本在军用领域，2015年以来，随着民用无人机技术的不断完善，其在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等方面的应用越来越常态化，无人机行业中民用无人机市场的占比份额也逐年上升。

根据Drone Industry Insights机构发布的数据显示，2019年全球军用无人机市场规模为117.45亿美元，占比约为65.25%，民用无人机市场规模为62.55亿美元，占比约34.75%，前瞻初步统计2020年，全球军用无人机市场规模约占65%，民用无人机市场规模约占35%。

无人机市场的火热也带动了行业的投资热情，近年来无人机行业的投资额度大规模增加。根据Drone Industry Insights的统计，2010-2020年10年间，国际市场无人机投资规模的年均复合增速达到了51.80%，投资额也从2010年的360亿美元拔升到了23390亿美元，增幅超过了60倍。

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各国无人机发展与市场占比

虽然世界各国都极其重视无人机技术的研发，并且均投入了大量资源，但总体来看，世界无人机技术的发展并不均衡。Drone Industry Insights表示，2019年，美国和中国的商用无人机市场规模占全球商用无人机市场规模的三分之二以上。此外，根据Markets Research Report公布的2019年全球军用无人机市场份额来看，当今在军事无人机领域的世界领先者为美国和以色列，分别占45%和24%的份额。

从20世纪80年代后期起，尤其是海湾战争以后，许多国家都把无人机置于优先发展的地位，竞相研制和装备无人机系统。特别是近几年来，参与研制和装备无人机的国家呈现大幅度增长的趋势。全世界装备无人机的国家和地区已由30多个增加到80个。目前，世界无人机技术最为先进的是美国、以色列和欧洲，处于第一梯队；而中国、俄罗斯等处于第二梯队。近10年中国相继研发出各款尖端无人机，目前拥有美国所有类型的尖端无人机，追赶势头强劲。技术水平决定市场份额，从全球各国无人机制造商的市场份额来看，世界无人机的主要制造商集中在美国，以色列和欧洲。

对复合材料减重的需求是推动欧洲国家无人驾驶复合材料市场的主要因素之一；此外，欧洲对复合材料研发的投资增加是市场增长的原因。由于德国、法国、英国和俄罗斯等国家的先进生产商的存在，欧洲在2019年无人复合材料市场占比也是最大的，达到37.5%。位于这些国家的无人系统OEM增加了交付量，这反过来又支持了对复合材料的需求。由于国防部门预算分配的增加和技术的快速进步，北美地区的市场在2019年占据了第二大市场份额。

未来全球无人机行业将迎来快速增长的阶段，据Drone Industry Insights预测2025年市场规模将达到428亿美元，年均复合增长率达到13.8%；到2025年，亚洲市场将成为全球最大的无人机市场，无人机规模将达到179亿美元，北美地区无人机规模将达118亿美元。按此复合增长率预测到2026年全球无人机市场规模有望超过480亿美元。

全球各地区无人机市场规模增长预测

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复合材料在无人机中的应用市场

由于无人机（UAV）、无人水面航行器（USV）、无人地面航行器（UGV）和自主水下航行器（AUV）的应用越来越多，无人驾驶复合材料市场的需求量很大。对于无人领域的复合材料来说，轻型无人系统的需求不断增长、复合材料耐久性更好、对无人复合材料的投资增加以及通过使用复合材料提高无人系统性能等因素推动了市场需求。例如广泛用于各种军事任务的无人机，专门用于空中监视、执法、搜救、武装攻击、侦察和海上巡逻。这些无人机使用硼纤维和芳纶纤维等特殊复合材料，因此对复合材料的需求正在增加。在用于商业用途的无人机中应用复合材料的一个显著优势是支持长期、持久的系统，专业提供广域Wi-Fi网络连接。这种无人系统将是太阳能供电的，并且可以通过不间断的网络连接为更大的区域服务数周。

由于复合材料显著的优势，对于无人机用复合材料布局已经火热。根据Emergen Research的最新评估，由于对无人系统的投资增加，无人复合材料市场正在出现高需求，到2027年，全球无人复合材料市场预计价值32.223亿美元。

其中，无人驾驶碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料在2019年占无人复合材料市场的最大市场份额超过44.0%，并且预计在预测期内将以最高的复合年增长率增长。CFRP轻质高强耐用，其具有可减轻重量、提高耐用性、提高强度和降低热收缩率的特点。与钢相比，CFRP具有成本效益和弹性，与铝相比重量轻，与钛相比具有刚性(例如，CFRP的应用提供了比铝合金材料减轻至少30.0%的重量的优势)，满足世界各地的原始设备制造商对轻型且具有成本效益的无人系统组件的需求，这些因素正在推动CFRP领域的增长。例如，位于以色列的Adani Defense and Aerospace and Elbit Systems Ltd. 于2018年12月在印度海得拉巴引进了50,000平方英尺的Adani Elbit无人机生产设施。该设施的开发已投资约1500万美元。该生产综合体将通过Hermes 900和Hermes 450UAV的完整碳复合材料航空结构迎合全球市场。2020年7月，Toray Industries与Lilium GmbH签署协议，为Lilium Jet提供碳纤维复合材料，这是一种无人驾驶的五座eVTOL飞机。

目前，无人复合材料市场的一些主要参与者包括 Gurit（瑞士）、Hexcel Corporation（美国）、Materion Corporation（美国）、Mitsubishi Rayon（日本）、Owens Corning（美国）、Renegade Materials Corporation（美国）、Solvay（比利时） )、Stratasys（美国）、Teijin Limited（日本）、Teledyne（美国）和 Toray Industries（日本）。Hexcel Corporation、Toray Industries 和 Gurit 拥有成熟产品组合和强大市场占有率。

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复合材料在无人机应用上的优势

目前很多的无人机外壳一般采用的是工程塑料，这类材料在抗冲击强度和抗腐蚀性能方面有一定的缺点，正逐渐被重量轻、比刚度大、强度高并可以一体制作各种外形结构的碳纤维复合材料所替代，以此来提升无人机的承载能力并延长续航能力。此外，碳纤维作为一种电化学活性较低的非金属材料，在耐腐蚀和抗老化方面表现极为出色，可以有效延长无人机的使用寿命。由此可见，加快发展高性能、低成本的先进复合材料及其制造工艺将成为无人机行业的重要发展趋势。在无人机制造上采用先进复合材料的优势主要体现在以下几个方面：

1.与传统的轻质化金属如铝合金、钛合等相比，复合材料在刚度和强度性能上具有强大的优势，能够大大减轻无人机的机身重量，有效增加无人机的有效荷载量，同时黑色的编织纹路也增强了无人机的外形美观程度。

2.复合材料具有易设计成型的特点，可以极大地降低小型无人机的生产成本。通过采用模压成型、热压罐外固化成型等工艺进行大面积的一体化成型技术，满足无人机高度翼身融合的飞翼式总体气动外形的结构要求，提高了生产效率。同时，复合材料本身具有的耐腐蚀性和耐热性能，可以提高无人机耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀，以及在长时间飞行之后的热膨胀对机身材料的影响，延长无人机的使用寿命。

3.复合材料还可以与芯片、传感器、生物复合材料、智能复合材料等融合使用，从而拓展了无人机的使用范围。军用无人机具有较低的RCS面积，广泛使用先进复合材料，使得无人机不仅结构性能优越，而且具备宽带、多向的低可观测性，可有效躲避雷达与红外探测设备，拓宽了无人机在军事设备上的应用。在配备相应的电子设备后，还可以增强无人机的电子对抗和打击难度。

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无人机在物流行业的应用

几十年来，无人机已成功用于军事应用，现在越来越多地被货运和物流行业采用。目前多个公司正在开发货运无人机，包括 Natilus 和 Sabrewing 等初创公司，以及亚马逊、联邦快递、DHL 和 UPS 等。每个原型的形状和大小各不相同，波音的货运飞行器重 338 公斤（747 磅），可携带 227 公斤（500 磅）的有效载荷，而 Wing 的 5 公斤（11 磅）无人机可携带 1.4 公斤（3 磅）的有效载荷。

无人机可以在整个货运部门执行多项任务，包括仓库运营、最后一英里交付和无人驾驶航空货运飞机。NASA 估计 2020 年将有 260 万架商用无人机投入使用。货运无人机将大到足以在数百公里内运送数百磅货物，在某些情况下有可能取代货运飞机甚至轮船。货运无人机还可以在农村地区的配送中心之间运送货物。他们将能够更频繁地运送更少的物品。较小的无人机可用于将个人订单交付到郊区和城市地区的客户家门口，代替公路运输卡车。这项技术的迅速普及是由于它可以为货运运营商带来巨大的好处，包括快速和可靠的货物交付、更低的运营成本和环保技术。最后一英里的交付是目前物流供应链中效率最低的部分。今天，交付货物的总成本的 50% 归因于最后一英里的交付。这是由于与司机工资相关的成本、由于拥堵和定位地址问题导致的延误，以及固定交付时间表的僵化，这意味着如果一个包裹的交付延迟，所有后续交付都将受到影响。

现阶段物流成本图

全球无人机运输和物流市场预计在 2020 年达到 120 亿美元，预计到 2027 年将达到 455 亿美元的修订规模，在 2020 年期间以 21% 的复合年增长率增长。

无人机的多功能性是推动无人机在各行各业采用的主要因素之一。无人机已成为多种工业应用的关键，这导致对无人机生态系统的投资增加。尽管商用无人机行业还很年轻，但它已经开始出现一些整合和来自工业集团、芯片公司、IT 咨询公司和主要工业家的重大投资，这是由对无人机能力的广泛认识推动的。多年来，对无人机初创公司的投资增长强劲。据估计，在过去七年中，无人机初创公司吸引了约 20 亿美元的投资，包括供应链中的原始设备制造商和相关公司。而且，随着技术和最终用户方面的市场趋势变得更加清晰，投资者已开始将投资重点放在似乎具有更高增长潜力的选定公司上。无人机交付就是这样一个领域。

尤其在疫情时期，为了限制人与人之间的身体接触和消毒设施，无人机现在被用于多项创新应用，包括在交通枢纽监测行人的体温。无人机已成为在城市、塔楼和工厂执行检查任务的可行选择，它们可以轻松识别违反强制安全规范的人员。随着世界从强加的封锁中解脱出来，无人机交付量猛增，因为一些关键的医疗用品可以被运送到医疗机构，而没有违反封锁的规范。例如，医疗无人机快递公司 Zipline 宣布了新的融资，使公司估值达到 12 亿美元。另一家垂直起降 (VTOL) 无人机生产商 Wingtra 公司宣布再获得 1000 万美元的风险投资。预计此类投资将推动参与者的增长和扩张，从而使市场更具竞争力，并促进与交付无人机相关的各种技术的研发。

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我国复合材料在无人机上的应用

纤维增强聚合物复合材料是目前无人机上应用较多的先进结构复合材料，主要包括碳纤维树脂基复合材料和芳纶纤维复合材料。这些先进复合材料在无人机中应用是由各部件的大小决定的。例如Nomex蜂窝材料被广泛应用于无人机的机体外壳、机翼蒙皮与前缘；Kevlar纤维材料应用于螺旋桨、机身、连接件等部位，可大幅提高抗疲劳强度与抗冲击能力。

1986年产英国“不死鸟”战场侦察和目标捕获无人机是最早的全复合材料无人机，从此开启了无人机研究的新方向。美国研制的‘捕食者"无人机中除主梁外,其结构几乎全部采用复合材料,复合材料的用量约为结构总重的92%。随着先进复合材料的高速发展，无人机的发展也有了新的突破。2019年6月，由慕尼黑技术大学开发的颤振机翼问世，该机翼采用玻璃纤维增强复合材料和主动后缘襟翼控制技术，与标准机翼相比，可为飞机增加20%的有效载荷或减少7%的油耗。由德宇航气动弹性研究所和代尔夫特大学共同研发的气动弹性机翼，采用碳纤维增强复合材料和新型复合材料剪裁技术，使机翼能在载荷作用下弯曲和扭转变形至理想状态，与标准机翼相比，可降低结构质量20%。

我国的无人机研制开始于20世纪60年代，主要经历了“进口—仿制—自主研发” 三个阶段。早在1985年,我国通过购进法国海豚"直升机，并取得生产专利权，由此开启了复合材料在飞机制造应用的时代。

2006年，中航工业哈飞与北京航空航天大学联合设计无人侦察机，其蒙皮与整流罩采用玻璃纤维、碳纤维与蜂窝材料，机翼由全复合材料制成。2011年，中航工业成功推出翔龙”高空高速无人侦察机，机翼设计采用菱形联翼布局,将结构复合材料与功能复合材料连用，有效增强了无人机的强度和刚度。2012年，我国研发的翼龙”中低空长航时多用途无人机，采用大量先进复合材料并改进制造工艺，大大降低了无人机的生产成本。同年，大疆创新科技发布消费级无人机，引爆了民用无人机市场，此时大部分的无人机均使用了先进复合材料。

随着太阳能无人机的问世，对于机身材料的使用有了新的要求，相比于其它类型无人机，太阳能无人机受可用功率限制，对飞行质量更为敏感。航天十一院大量使用碳纤维等先进复合材料，结合超轻质复合材料结构的设计与制造工艺方法，初步解决了总体、气动、结构等关键技术难题，使得新型太阳能无人机成功完成临近空间飞行试验。

中国首款高空高速外贸无人机”云影的全机复合材料应用率达到60% ,同时整体机翼油箱的设计，可以装配自重一半的燃油，大大提升了飞机的航程。2018年亮相的天鹰无人机在气动设计、智能化控制、可靠性和安全性、机载设备的性能等四个方面处于世界领先地位。由于机体采用了碳纤维复合材料，因此机体结构质量只有450kg左右，装载燃油和任务设备的质量可以达到650kg以上,最大起飞重量可以达到11.5t。2019年研发的AV500B/C无人机采用了我国自主研制的碳纤维复合材料，具有优异的巡航能力和机动灵活性。

文章来源： 材料委天津院，东华经纬先进技术研究院