無人機關鍵材料發展研究

肖勁松

近年來，無人機產業呈現出蓬勃發展的態勢，各種新機型、新應用層出不窮，被不斷應用于社會娛樂、生產活動等傳統與非傳統領域。無人機的快速發展和普及應用，不僅對其制造成本、操作便攜性、續航時間、實用效率等指標的提升和優化提出了迫切需求，而且對所用材料種類、性能提出了新的、更高的要求。《無人機關鍵材料發展研究》基于無人機產業需求，梳理了上游關鍵材料及其技術發展、市場狀況，分析了我國無人機材料發展現狀。

無人機概況

無人機的定義

無人機全稱“無人駕駛飛行器”（Unmanned Aerial Vehicle），英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。它涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等，是信息時代高技術含量的產物。無人機的價值在于形成空中平臺，結合其他部件擴展應用，替代人類完成空中作業。隨著研發技術逐漸成熟以及制造成本大幅降低，無人機在各個領域得到了廣泛應用，除軍事用途外，還包括農業植保、電力巡檢、警用執法、地質勘探、環境監測、森林防火以及影視航拍等民用領域，且其適用領域還在迅速拓展。

無人機的分類

無人機按用途可分為軍用無人機和民用無人機。軍用無人機包括偵察無人機、攻擊無人機、誘餌無人機和貨運無人機四大類。偵察無人機起到戰略監視，電子對抗以及偵查等作用，主要型號包括全球鷹、WZ-5、搜索者等;攻擊無人機起到偵察打擊一體、導彈攔截和地、海面轟炸作用，主要型號包括捕食者、死神、翼龍和彩虹-5等;誘餌無人機起到充當誘餌和迷惑對方的作用，主要型號有ADM-20、perdix等;貨運無人機則是起到物資運輸和油補給的作用，主要型號有K-MAX和飛象。民用無人機則包括工業級無人機和消費級無人機兩大類。工業級無人機主要應用在農林、安防、電力和物流等方面，具體包括農藥噴灑、森林滅火、輔助授粉、交通巡邏、指揮調度、電力巡檢、物資配送、資源勘探、水利監測、人工降雨、城市規劃等;消費級無人機主要用于航拍、遙控玩具及燈光表演等方面。

對相關材料的性能要求

與有人飛機相比，無人飛機在機體結構設計中既不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力限制，也不需要因為特別強調人的生存性而對隱身及抗彈傷能力的結構和材料作特殊考慮，但無人機機載設備技術先進、要求高、遂行任務特殊，須具備優異的機體結構性能。因此，無人飛機在結構選材上具有一些有別于有人飛機的新特點。

一是輕質高強。無人機的結構設計對減重有著特殊的要求，需將結構重量系數控制在30%之下，給燃油動力、有效載荷和隱身補償等留出重量空間，同時減少動力耗損，達到增強續航能力的效果。

二是一體化成型。無人機多半采用高度翼身融合的飛翼式總體布局，需要結構上大面積成型，因此要求所用材料在設計和制造技術上具有一體化成型的特點。

三是耐腐蝕和耐老化。無人機所用材料需具有優異的耐腐蝕和耐老化性能，以滿足無人機各種環境條件下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。

四是隱身功能。部分無人機要求所用材料具有特殊的電磁性能，經研究改性后實現結構/功能一體化，滿足高隱身的技術要求。

五是易于形成智能材料和結構。部分無人機要求所用材料易于植入芯片、傳感器等形成智能材料，或形成智能結構為無人機大展弦比、高升阻比機翼提供啟動特性和顫振主動控制以及柔性機翼的主動控制技術提供發展空間。

無人機關鍵材料及其發展現狀

按照無人機的系統組成進行劃分，主要應用材料可以分為機體結構材料、電池材料、主控芯片材料、器件封裝材料等四大類。

機體結構材料

機體結構是無人機的主體部件，是整個飛行系統的飛行載體，一般采用高強輕質材料制造。目前，主要的機體結構材料有復合材料、鋁合金和工程塑料等。其中，復合材料和鋁合金材料廣泛應用于軍用和民用無人機，通常機翼、機尾及各種天線罩、護板、蒙皮等結構件使用復合材料，機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結構件采用鋁合金材料，工程塑料則主要應用于中小型民用無人機。三種材料的具體性能特點見表1。

復合材料主要材料。復合材料憑借其輕質高強、耐腐蝕、易于成形等優點，在國內外各類無人機上得到了廣泛的應用，其中碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、蜂窩夾層復合材料為主要的機體結構材料，且多數以碳纖維復合材料為主。碳纖維復合材料具有高比強度和高比剛度，能大大減輕無人機的機身重量，從而降低無人機的載荷成本和增加無人機的有效載荷量，延長機體的飛行距離和飛行時間，是無人機結構輕質化、小型化和高性能化不可或缺的關鍵材料。據統計，以碳纖維復合材料為主的先進復合材料用量，可占到機體結構總質量分數的60%～80%，使機體減重25%以上。

復合材料技術發展概況。碳纖維是一種主要由碳元素組成的特種纖維狀碳材料，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上，具有極高的比強度和比模量。碳纖維生產工藝主要包括原絲制備、預氧化、碳化及表面處理等過程。目前，世界高性能碳纖維原絲和碳纖維制備技術主要掌握在日本的東麗、東邦和三菱等企業手中，這些企業技術嚴格保密，工藝難以外漏，而其他碳纖維企業均是處于成長階段，生產工藝在摸索中不斷完善。

目前，我國的碳纖維產業正逐漸向高性能化方向發展，生產能力和成型制造技術不斷提高。

復合材料主要市場。世界碳纖維的生產主要集中在日本、英國、美國、法國、韓國等少數發達國家和我國臺灣地區，主要生產商為日本的東麗、東邦、三菱三大集團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDILI）以及德國的SGL公司等。

此外，我國少數龍頭企業已基本完成“碳纖維—碳纖維復合材料—碳纖維復合材料制件”產業鏈布局。但由于碳纖維“全產業鏈”的“長且雜”特性，涉及多個環節的原料、技術、裝備、人才等方面配備要求，導致國內仍沒有企業能夠完成碳纖維“全產業鏈”的布局，即橫向“原絲—碳纖維—碳纖維復合材料—碳纖維復合材料部件成品”外加縱向“研發—設計—制造—測試”產業鏈。

鋁合金主要材料。鋁合金作為典型的輕質高強材料（拉伸強度超過250MPa），兼具成形工藝性好、耐腐蝕性良好、成本低、可靠性和可維護性高等一系列優點，是理想的航天結構材料。在無人機領域，鋁合金多應用于高速軍用無人機的結構主體中，并適當選用鈦合金、碳纖維復合材料及與先進工藝方法相適應的其它材料，以達到增加承載能力和減輕結構質量的目的。

鋁合金技術發展。2xxx系和7xxx系均屬于熱處理可強化的鋁合金，2xxx系鋁合金以Cu為主要合金元素，包括Al-Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和AlCu-Mn合金等，7xxx系鋁合金以Zn為主要合金元素，包括Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Mg-Cu合金等。目前，國際上對2xxx系和7xxx系鋁合金的成分、合成方法、軋制/擠壓/鍛造/熱處理等工藝、零件加工、結構服役性能表征等都開展了深入的系統研究，材料產品發展已形成系列化，其中2xxx系主要包括2011、2014、2017、2024、2219、2A02、2A12、2A14、2A16等，7xxx系主要包括7075、7050、7150、7055、7085、7175等。

我國從20世紀60年代起，開始對高強高韌鋁合金開展深入研究，并開發和生產了適合我國國情的2xxx系鋁合金，積累了大量的先進鋁合金材料制備技術。但與美國、德國、日本等工業發達國家相比，我國對7xxx系鋁合金的研發起步較晚，在20世紀80年代才開始研制Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，產品主要有7075、7175及7050等。隨后于20世紀90年代中期，采用常規半連續鑄造法試制出7A55超高強鋁合金，近來又開發出強度更高的7A60合金。而在Al-Zn-Mg系鋁合金的研制上，我國基本都是仿制，很少自行開發。同時，由于整體設備較為陳舊落后，還不同程度的存在一定的裝備瓶頸，自動化程度有待進一步提高。

鋁合金主要市場。目前，全球鋁合金結構件的生產消費主要集中在美國、日本、中國、德國、意大利等國家和地區，著名企業包括美國鋁業公司、加拿大鋁業公司、俄羅斯鋁業聯合公司和愛勵鋁業公司等。

工程塑料主要材料。在消費類無人機領域，機體結構多采用ABS、PP、改性PC、改性塑料和樹脂等輕質低成本工程塑料材料。機身、機翼、護翼、起落架等部件都可以使用工程塑料，以工程塑料替代金屬材料在無人機制造領域具有四大優勢：一是減輕機身重量，提升續航能力;二是降震減噪，提升整機抗沖性能;三是減少金屬材料對遠程信號干擾;四簡化成型工藝，提升產品結構設計靈活性。

工程塑料技術發展。工程塑料的研發和生產始于美國、日本、德國等發達國家，已有幾十年的發展歷史，技術較為成熟。目前，ABS生產工藝以乳液接枝本體SAN摻混法和連續本體法為主;PP生產工藝以Spheripol工藝、Borealis工藝、超臨界聚合工藝等為主，并向高熔體強度發展;改性PC品種繁多，其中玻纖增強PC、PC/ABS合金生產技術成熟，應用廣泛;改性塑料的生產技術以填充、共混、增強等物理改性技術為主，原始配方基本處于市場公開的狀態。

工程塑料主要市場。國外的工程塑料供應商主要包括美國陶氏杜邦、德國巴斯夫、日本東麗、LG化學、德國科思創（拜耳）、荷蘭帝斯曼和沙特sabic。國內的供應商則是以聚賽龍、廣州金發科技、合肥會通、錦湖日麗和深圳華力興為主。其中聚賽龍已為無人機輕量化專門設計系統材料方案，涵蓋了機身、機翼、護翼和起落架等部位，材料包括改性PC和PP。

電池關鍵材料

無人機電池系統的選擇一般受三方面因素的影響：一是無人機需要克服自身重力做功，要求電池輕質化;二是無人機從懸停狀態提升到最高速度時，電池功率會迅速提高，要求電池可承受短時間內巨大的功率變化;三是無人機的作業環境通常較為惡劣，要求電池具有優異的能量密度和倍率性。目前，只有聚合物鋰離子電池能夠同時滿足上述要求，但聚合物鋰離子電池的續航時間一般只能維持30分鐘左右，提升能量密度和倍率、降低電量消耗，已成為無人機電池的重要發展方向。短期來看，研發高容量高電壓的正極材料匹配高容量負極材料，可提高電池的能量密度，解決無人機續航問題。從長遠來看，研發具有高能量密度的鋰硫電池、固態電池和燃料電池將成為主流。

正極材料主要材料。目前，市場化的無人機正極材料以鈷酸鋰為主，未來發展趨勢為高電壓鈷酸鋰、高能量密度的富鎳三元及富鋰錳基正極材料，性能對比見表2。技術發展。鈷酸鋰是最早實現商用化的正極材料，具有合成方法簡單、電化學性能穩定、密度高等優點。但鈷酸鋰的實際可逆比容量只有150mAh/g，無法滿足無人機長續航要求。高電壓充電狀態下鈷酸鋰可以發揮出更高的容量，依此來提升能量密度，是鈷酸鋰作為正極材料的重要研究方向。三元材料是指由三種化學成分、組分或部分組成的材料整體，高鎳三元材料中鎳的摩爾分數通常大于0.6，具有高比容量、長循環壽命、低成本和低毒性特點，是一種很有前景的正極材料。目前，高鎳三元材料還存在一些技術問題。富鋰錳基正極材料放電比容量通常高達300mAh/g，具有寬電壓窗口、成本低、容量高、無毒安全等優點，是實現高能量密度和長時間續航的新一代鋰電池正極材料的理想之選。但目前富鋰錳基正極材料還難以實現產業化應用。

正極材料主要市場。在鈷酸鋰正極材料方面，我國在世界范圍內占有絕對優勢。2017年，國內鈷酸鋰產量前三家企業分別為天津巴莫、廈門鎢業和湖南杉杉，三家產量之和占到全年國內鈷酸鋰總產量的65%。

負極材料主要材料。電池成本中，負極材料約占5%～15%，是鋰離子電池的重要材料之一。全球無人機鋰電池負極材料仍然以石墨類碳材料為主，未來新型負極材料將向著高能量密度硅基和鋰金屬負極發展。

負極材料技術發展。石墨碳材料由于具有成本低、能量密度高等特點，在無人機電池負極材料市場中擁有主導地位，其中天然石墨（48%）與人造石墨（49%）占據了負極材料全球市場的97%。但隨著制作工藝的不斷完善，石墨類負極材料的壓實密度也已經達到了極限，能量密度已無法滿足無人機長續航要求。硅的理論容量高達4200mAh/g，是石墨（372mAh/g）的十倍，在高續航無人機電池材料領域應用前景廣闊。

但在充放電過程中，硅的脫嵌鋰反應將伴隨大的體積變化（>300%），造成材料結構破壞和機械粉化，導致電極材料間及電極材料與集流體的分離，進而失去電接觸，致使容量迅速衰減、循環性能惡化，限制了其商業化應用。金屬鋰具有高達3860mAh/g的理論比容量、3.04V的超負電極電勢以及較小的密度（0.534g/cm3），是構建高能量密度電池的理想負極。但金屬鋰負極在反復充放電過程中易出現粉化、枝晶生長等問題，導致其循環性極差。同時，鋰枝晶生長造成電池短路可能引發嚴重的安全事故，導致金屬鋰負極仍處于基礎研發階段。

負極材料主要市場。在石墨類負極材料方面，中國和日本是主要產銷國，龍頭企業分別是貝特瑞新能源材料股份有限公司和日立化成有限公司，兩家企業全球市場占有率接近50%。較大的企業還有日本三菱化學、日本炭素、日本JFE等。

新電池體系主要材料。為進一步提升電池能量密度，增加無人機續航能力，具有高能密度的鋰硫電池、固態電池和燃料電池等新電池體系將成為發展主流，常見新電池體系特點及應用現狀見表4。

新電池體系技術發展。目前，鋰硫電池、固態電池、燃料電池的研發和產業化技術均于起步階段。其中，鋰硫電池正極材料的比容量和穩定性需進一步提高，電池安全性等關鍵問題亟待解決;固態電池的材料導電性和功密度需重點提升;燃料電池的安全性、電催化劑壽命和氫氣充氣便捷性有待提高，制造成本有待降低。

新電池體系主要市場。與美、日等發達國家相比，我國針對新電池體系硫正極、固態電解質和電催化劑等關鍵材料的基礎研究存在嚴重不足，缺少相關專利及核心技術，需大力加強全產業創新研發，為搶占有利市場做好技術貯備。

主控芯片關鍵材料

飛行管理與控制系統是無人機“心臟”，對無人機的穩定性，數據傳輸的可靠性、精確度和實時性有重要影響。主控芯片是無人機飛行管理與控制系統的核心零部件，直接決定了無人機的操控性能、通信能力和處理圖像信息能力，是無人機保持良好飛行性能的重要保障。主控芯片制造過程中，按產業鏈工藝環節可以將主控芯片材料分為晶圓制造材料和封裝材料。其中晶圓制造材料包括襯底、濺射靶材、CMP拋光材料、光刻膠、光罩、高純化學試劑、特種氣體等。封裝材料包括封裝基板、引線架、鍵合絲、包裝材料、芯片粘結材料等，其中襯底和封裝基板分別占比最大。

襯底主要材料。第一代半導體襯底材料以硅晶圓為代表。硅晶圓是主控芯片中價值最高、市場份額最大的材料（至少30%以上）。目前，市場上常用的硅片直徑為300mm（12英寸）、200mm（8英寸）及以下，12英寸硅片主要用于生產90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的芯片，是晶圓廠商擴產的主流。第二代半導體材料以GaAs和InP為代表。相對于硅具有更快的電子遷移率，因此更適用于高頻傳輸，在高性能無人機通信系統、GPS導航系統中有較大應用。但是GaAs和InP材料資源稀缺、價格昂貴、有毒、污染環境，這些缺點大大限制了其在民用無人機主控芯片上的應用。

襯底技術發展。在硅晶圓方面，450mm（18英寸）大硅片發展趨勢明顯，但制作大硅片對倒角、精密磨削等加工工藝要求很高，硅片良率是非常突出的問題。面對資金和技術的雙重壓力，國際晶圓廠商向大硅片轉移的速度放緩，預測到2020年左右，450mm的硅片有可能實現初步量產。我國大尺寸硅片生產技術落后于日、德等發達國家，目前已初步實現了200mm硅材料的批量生產，還沒有能力商業化生產300mm硅片。

襯底主要市場。在硅晶圓方面，全球一半以上的半導體硅材料產能集中在日本，尤其隨著硅晶圓尺寸的增大，壟斷趨于嚴重。2017年，全球前五大半導體硅片廠商日本Shin-Etsu（信越）、日本SUMCO（勝高）、中國臺灣環球晶圓、德國Siltronic和韓國LG Siltron共占據全球94%的份額，尤其對300mm硅片而言，其市場幾乎被前四家巨頭壟斷。在第三代半導體SiC方面，基本形成了美國、歐洲和日本三足鼎立的局面。

封裝基板主要材料。封裝基板是芯片封裝體的重要組成材料，占封裝材料銷售比重超過50%，可以分為有機、陶瓷和復合材料三種。

封裝基板技術發展。有機封裝基板是實現無人機產品小型化、輕量化和低成本的一類重要材料。但是有機基板熱膨脹系數與芯片不匹配，可靠性不如陶瓷和復合基板，亟需開發低吸水率、高熱穩定性、高熱導率的有機基板材料。陶瓷封裝基板具有高化學穩定性、高耐腐蝕性、氣密性好、熱導率高及熱膨脹系數匹配等優點，但存在質脆、制備工藝復雜和成本高等問題。復合材料基板，具有低介電常數、低密度、易機械加工、易大批量生產和成本低等優點。隨著無人機小型化、智能化的發展，應著重加強對低膨脹高導熱復合材料基板的基礎研究。

封裝基板主要市場。全球封裝基板行業基本由UMTC、Ibiden、SEMCO、Shinko等日本、韓國和我國臺灣地區企業壟斷，上述企業占據了全球封裝基板產業90%的市場份額。總體來看，國內封裝基板占有率在全球仍處于較低水平，企業規模、技術水平及產品專業性與外資企業相比仍存在一定差距，但提升趨勢明顯。

光刻膠主要材料。光刻膠又稱光致抗蝕劑，以高分子樹脂、色漿、單體、感光引發劑、溶劑以及添加劑為主要原料組成的對光敏感的混合液體，主要功能是通過光化學感應曝光、顯影、刻蝕等工藝將所需微細圖形從光罩轉移到代加工的介質上。

光刻膠技術發展。光刻膠成分復雜、工藝技術難度大。特別是無人機市場對產品小型化、功能多樣化及智能化的要求越來越高，需要通過不斷縮短曝光波長來提升光刻膠的分辨水平，光刻膠曝光波長由紫外寬譜向G線（436nm）→I線（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）→F2（157nm）→極短紫外光EUV的方向轉移。目前，KrF和ArF光刻膠核心技術主要被日本和美國壟斷，我國光刻膠發展起步較晚，工藝生產水平、產能和質量穩定性等不能滿足要求。

光刻膠主要市場。全球光刻膠 生產商包括本JSR、Shin-Etsu、TOK，美國SEMATECH、IBM等，合占全球半導體光刻膠市場份額的95%左右。

CMP拋光材料主要材料。CMP拋光材料是晶圓制造的重要要材料之一，在整個半導體材料行業中占比7%，核心材料包括拋光墊和拋光液。

CMP拋光材料技術發展。CMP拋光材料制備技術門檻較高，其中拋光墊的技術壁壘在于溝槽設計和提高壽命改良，拋光液的技術壁壘在于調整拋光液組成以改善拋光效果，這些核心技術主要掌控在美、日等發達國家手中，并形成了技術封鎖。我國在CMP拋光領域起步較晚，缺乏獨立自主知識產權和品牌，目前以引進國外技術，生產少量生產中低端產品為主。

CMP拋光材料主要市場。在拋光墊方面，美國陶氏化學占據90%的全球份額，處于壟斷地位，其他供應商還包括日本東麗、3M、中國臺灣三方化學、卡博特等公司，合計份額在10%左右。在拋光液方面，全球主要供應商包括日本Fujimi、HinomotoKenmazai，美國卡博特、杜邦，韓國ACE等公司，合占據全球90%以上的市場份額。

我國無人機材料產業現狀

國家政策積極支持，發展環境不斷優化。近年來，我國高度重視無人機產業發展，從基礎研發、市場、產業環境等不同層面出臺政策助力無人機材料發展。在《新材料產業“十二五”發展規劃》《關于加快新材料產業重創新發展的若干意見》《新材料產業發展指南》等政策中，多次提出發展高性能碳纖維及復合材料、新型輕質合金、大尺寸硅、光刻膠、鋰離子動力電池材料等材料，從基礎研發的角度推進了無人機材料發展。在《“互聯網+”人工智能三年行動實施方案》中明確提到，支持微型和輕小型智能無人系統的研發與應用，突破高性能無人系統的結構設計、智能材料、自動巡航、遠程遙控、圖像回傳等技術，在我國制造強國建設規劃中提出，將航空航天裝備列入重點領域進行大力推廣，推進無人機等航空裝備產業化，從市場和產業環境的角度推進了無人機材料發展。

市場需求旺盛，產業規模持續增長。隨著無人機技術的逐步成熟，我國無人機市場發展迅速。數據顯示，2015—2018年我國無人機市場銷售規模分別達到69.4億、108.8億、167.9億和253.8億元，年均增速36.1%，預計到2020年，無人機服務的總市場規模將在300億元以上。無人機市場規模迅速擴張，對相關材料和器件的需求也不斷上漲。

產業技術和創新能力不斷提高。在市場需求牽引和國家宏觀政策的引導下，科研院所、上下游企業不斷加強對無人機用材技術的攻關和產品創新，一批重大突破相繼涌現，部分關鍵材料實現了與國際領先水平并跑甚至領跑，技術不斷進步、成本不斷降低、生產自動化不斷提高。