无人机关键材料发展研究

　　近年来，无人机产业呈现出蓬勃发展的态势，各种新机型、新应用层出不穷，被不断应用于社会娱乐、生产活动等传统与非传统领域。无人机的快速发展和普及应用，不仅对其制造成本、操作便携性、续航时间、实用效率等指标的提升和优化提出了迫切需求，而且对所用材料种类、性能提出了新的、更高的要求。《无人机关键材料发展研究》基于无人机产业需求，梳理了上游关键材料及其技术发展、市场状况，分析了我国无人机材料发展现状。

　　无人机概况

　　无人机的定义

　　无人机全称“无人驾驶飞行器”（Unmanned Aerial Vehicle），英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。无人机的价值在于形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人类完成空中作业。随着研发技术逐渐成熟以及制造成本大幅降低，无人机在各个领域得到了广泛应用，除军事用途外，还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域，且其适用领域还在迅速拓展。

　　无人机的分类

　　无人机按用途可分为军用无人机和民用无人机。军用无人机包括侦察无人机、攻击无人机、诱饵无人机和货运无人机四大类。侦察无人机起到战略监视，电子对抗以及侦查等作用，主要型号包括全球鹰、WZ-5、搜索者等；攻击无人机起到侦察打击一体、导弹拦截和地、海面轰炸作用，主要型号包括捕食者、死神、翼龙和彩虹-5等；诱饵无人机起到充当诱饵和迷惑对方的作用，主要型号有ADM-20、perdix等；货运无人机则是起到物资运输和油补给的作用，主要型号有K-MAX和飞象。民用无人机则包括工业级无人机和消费级无人机两大类。工业级无人机主要应用在农林、安防、电力和物流等方面，具体包括农药喷洒、森林灭火、辅助授粉、交通巡逻、指挥调度、电力巡检、物资配送、资源勘探、水利监测、人工降雨、城市规划等；消费级无人机主要用于航拍、遥控玩具及灯光表演等方面。

　　对相关材料的性能要求

　　与有人飞机相比，无人飞机在机体结构设计中既不需要考虑机动飞行过程中人的生理承受能力限制，也不需要因为特别强调人的生存性而对隐身及抗弹伤能力的结构和材料作特殊考虑，但无人机机载设备技术先进、要求高、遂行任务特殊，须具备优异的机体结构性能。因此，无人飞机在结构选材上具有一些有别于有人飞机的新特点。

　　一是轻质高强。无人机的结构设计对减重有着特殊的要求，需将结构重量系数控制在30%之下，给燃油动力、有效载荷和隐身补偿等留出重量空间，同时减少动力耗损，达到增强续航能力的效果。

　　二是一体化成型。无人机多半采用高度翼身融合的飞翼式总体布局，需要结构上大面积成型，因此要求所用材料在设计和制造技术上具有一体化成型的特点。

　　三是耐腐蚀和耐老化。无人机所用材料需具有优异的耐腐蚀和耐老化性能，以满足无人机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。

　　四是隐身功能。部分无人机要求所用材料具有特殊的电磁性能，经研究改性后实现结构/功能一体化，满足高隐身的技术要求。

　　五是易于形成智能材料和结构。部分无人机要求所用材料易于植入芯片、传感器等形成智能材料，或形成智能结构为无人机大展弦比、高升阻比机翼提供启动特性和颤振主动控制以及柔性机翼的主动控制技术提供发展空间。

　　无人机关键材料及其发展现状

　　按照无人机的系统组成进行划分，主要应用材料可以分为机体结构材料、电池材料、主控芯片材料、器件封装材料等四大类。

　　机体结构材料

　　机体结构是无人机的主体部件，是整个飞行系统的飞行载体，一般采用高强轻质材料制造。目前，主要的机体结构材料有复合材料、铝合金和工程塑料等。其中，复合材料和铝合金材料广泛应用于军用和民用无人机，通常机翼、机尾及各种天线罩、护板、蒙皮等结构件使用复合材料，机身的龙骨、梁和隔框、起落架等结构件采用铝合金材料，工程塑料则主要应用于中小型民用无人机。三种材料的具体性能特点见表1。

　　复合材料主要材料。复合材料凭借其轻质高强、耐腐蝕、易于成形等优点，在国内外各类无人机上得到了广泛的应用，其中碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料为主要的机体结构材料，且多数以碳纤维复合材料为主。碳纤维复合材料具有高比强度和高比刚度，能大大减轻无人机的机身重量，从而降低无人机的载荷成本和增加无人机的有效载荷量，延长机体的飞行距离和飞行时间，是无人机结构轻质化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。据统计，以碳纤维复合材料为主的先进复合材料用量，可占到机体结构总质量分数的60%～80%，使机体减重25%以上。

　　复合材料技术发展概况。碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维状碳材料，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上，具有极高的比强度和比模量。碳纤维生产工艺主要包括原丝制备、预氧化、碳化及表面处理等过程。目前，世界高性能碳纤维原丝和碳纤维制备技术主要掌握在日本的东丽、东邦和三菱等企业手中，这些企业技术严格保密，工艺难以外漏，而其他碳纤维企业均是处于成长阶段，生产工艺在摸索中不断完善。

　　目前，我国的碳纤维产业正逐渐向高性能化方向发展，生产能力和成型制造技术不断提高。

　　复合材料主要市场。世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾地区，主要生产商为日本的东丽、东邦、三菱三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）以及德国的SGL公司等。

　　此外，我国少数龙头企业已基本完成“碳纤维—碳纤维复合材料—碳纤维复合材料制件”产业链布局。但由于碳纤维“全产业链”的“长且杂”特性，涉及多个环节的原料、技术、装备、人才等方面配备要求，导致国内仍没有企业能够完成碳纤维“全产业链”的布局，即横向“原丝—碳纤维—碳纤维复合材料—碳纤维复合材料部件成品”外加纵向“研发—设计—制造—测试”产业链。

　　铝合金主要材料。铝合金作为典型的轻质高强材料（拉伸强度超过250MPa），兼具成形工艺性好、耐腐蚀性良好、成本低、可靠性和可维护性高等一系列优点，是理想的航天结构材料。在无人机领域，铝合金多应用于高速军用无人机的结构主体中，并适当选用钛合金、碳纤维复合材料及与先进工艺方法相适应的其它材料，以达到增加承载能力和减轻结构质量的目的。

　　铝合金技术发展。2xxx系和7xxx系均属于热处理可强化的铝合金，2xxx系铝合金以Cu为主要合金元素，包括Al-Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和AlCu-Mn合金等，7xxx系铝合金以Zn为主要合金元素，包括Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Mg-Cu合金等。目前，国际上对2xxx系和7xxx系铝合金的成分、合成方法、轧制/挤压/锻造/热处理等工艺、零件加工、结构服役性能表征等都开展了深入的系统研究，材料产品发展已形成系列化，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。

　　我国从20世纪60年代起，开始对高强高韧铝合金开展深入研究，并开发和生产了适合我国国情的2xxx系铝合金，积累了大量的先进铝合金材料制备技术。但与美国、德国、日本等工业发达国家相比，我国对7xxx系铝合金的研发起步较晚，在20世纪80年代才开始研制Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，产品主要有7075、7175及7050等。随后于20世纪90年代中期，采用常规半连续铸造法试制出7A55超高强铝合金，近来又开发出强度更高的7A60合金。而在Al-Zn-Mg系铝合金的研制上，我国基本都是仿制，很少自行开发。同时，由于整体设备较为陈旧落后，还不同程度的存在一定的装备瓶颈，自动化程度有待进一步提高。

　　铝合金主要市场。目前，全球铝合金结构件的生产消费主要集中在美国、日本、中国、德国、意大利等国家和地区，著名企业包括美国铝业公司、加拿大铝业公司、俄罗斯铝业联合公司和爱励铝业公司等。

　　工程塑料主要材料。在消费类无人机领域，机体结构多采用ABS、PP、改性PC、改性塑料和树脂等轻质低成本工程塑料材料。机身、机翼、护翼、起落架等部件都可以使用工程塑料，以工程塑料替代金属材料在无人机制造领域具有四大优势：一是减轻机身重量，提升续航能力；二是降震减噪，提升整机抗冲性能；三是减少金属材料对远程信号干扰；四简化成型工艺，提升产品结构设计灵活性。

　　工程塑料技术发展。工程塑料的研发和生产始于美国、日本、德国等发达国家，已有几十年的发展历史，技术较为成熟。目前，ABS生产工艺以乳液接枝本体SAN掺混法和连续本体法为主；PP生产工艺以Spheripol工艺、Borealis工艺、超临界聚合工艺等为主，并向高熔体强度发展；改性PC品种繁多，其中玻纤增强PC、PC/ABS合金生产技术成熟，应用广泛；改性塑料的生产技术以填充、共混、增强等物理改性技术为主，原始配方基本处于市场公开的状态。

　　工程塑料主要市场。国外的工程塑料供应商主要包括美国陶氏杜邦、德国巴斯夫、日本东丽、LG化学、德国科思创（拜耳）、荷兰帝斯曼和沙特sabic。国内的供应商则是以聚赛龙、广州金发科技、合肥会通、锦湖日丽和深圳华力兴为主。其中聚赛龙已为无人机轻量化专门设计系统材料方案，涵盖了机身、机翼、护翼和起落架等部位，材料包括改性PC和PP。

　　电池关键材料

　　无人机电池系统的选择一般受三方面因素的影响：一是无人机需要克服自身重力做功，要求电池轻质化；二是无人机从悬停状态提升到最高速度时，电池功率会迅速提高，要求电池可承受短时间内巨大的功率变化；三是无人机的作业环境通常较为恶劣，要求电池具有优异的能量密度和倍率性。目前，只有聚合物锂离子电池能够同时满足上述要求，但聚合物锂离子电池的续航时间一般只能维持30分钟左右，提升能量密度和倍率、降低电量消耗，已成为无人机电池的重要发展方向。短期来看，研发高容量高电压的正极材料匹配高容量负极材料，可提高电池的能量密度，解决无人机续航问题。从长远来看，研发具有高能量密度的锂硫电池、固态电池和燃料电池将成为主流。

　　正极材料主要材料。目前，市场化的无人机正极材料以钴酸锂为主，未来发展趋势为高电压钴酸锂、高能量密度的富镍三元及富锂锰基正极材料，性能对比见表2。技术发展。钴酸锂是最早实现商用化的正极材料，具有合成方法简单、电化学性能稳定、密度高等优点。但钴酸锂的实际可逆比容量只有150mAh/g，无法满足无人机长续航要求。高电压充电状态下钴酸锂可以发挥出更高的容量，依此来提升能量密度，是钴酸锂作为正极材料的重要研究方向。三元材料是指由三种化学成分、组分或部分组成的材料整体，高镍三元材料中镍的摩尔分数通常大于0.6，具有高比容量、长循环寿命、低成本和低毒性特点，是一种很有前景的正极材料。目前，高镍三元材料还存在一些技术问题。富锂锰基正极材料放电比容量通常高达300mAh/g，具有宽电压窗口、成本低、容量高、无毒安全等优点，是实现高能量密度和长时间续航的新一代锂电池正极材料的理想之选。但目前富锂锰基正极材料还难以实现产业化应用。

　　正极材料主要市场。在钴酸锂正极材料方面，我国在世界范围内占有絕对优势。2017年，国内钴酸锂产量前三家企业分别为天津巴莫、厦门钨业和湖南杉杉，三家产量之和占到全年国内钴酸锂总产量的65%。

　　负极材料主要材料。电池成本中，负极材料约占5%～15%，是锂离子电池的重要材料之一。全球无人机锂电池负极材料仍然以石墨类碳材料为主，未来新型负极材料将向着高能量密度硅基和锂金属负极发展。

　　负极材料技术发展。石墨碳材料由于具有成本低、能量密度高等特点，在无人机电池负极材料市场中拥有主导地位，其中天然石墨（48%）与人造石墨（49%）占据了负极材料全球市场的97%。但随着制作工艺的不断完善，石墨类负极材料的压实密度也已经达到了极限，能量密度已无法满足无人机长续航要求。硅的理论容量高达4200mAh/g，是石墨（372mAh/g）的十倍，在高续航无人机电池材料领域应用前景广阔。

　　但在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应将伴随大的体积变化（>300%），造成材料结构破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减、循环性能恶化，限制了其商业化应用。金属锂具有高达3860mAh/g的理论比容量、3.04V的超负电极电势以及较小的密度（0.534g/cm3），是构建高能量密度电池的理想负极。但金属锂负极在反复充放电过程中易出现粉化、枝晶生长等问题，导致其循环性极差。同时，锂枝晶生长造成电池短路可能引发严重的安全事故，导致金属锂负极仍处于基础研发阶段。

　　负极材料主要市场。在石墨类负极材料方面，中国和日本是主要产销国，龙头企业分别是贝特瑞新能源材料股份有限公司和日立化成有限公司，两家企业全球市场占有率接近50%。较大的企业还有日本三菱化学、日本炭素、日本JFE等。

　　新电池体系主要材料。为进一步提升电池能量密度，增加无人机续航能力，具有高能密度的锂硫电池、固态电池和燃料电池等新电池体系将成为发展主流，常见新电池体系特点及应用现状见表4。

　　新电池体系技术发展。目前，锂硫电池、固态电池、燃料电池的研发和产业化技术均于起步阶段。其中，锂硫电池正极材料的比容量和稳定性需进一步提高，电池安全性等关键问题亟待解决；固态电池的材料导电性和功密度需重点提升；燃料电池的安全性、电催化剂寿命和氢气充气便捷性有待提高，制造成本有待降低。

　　新电池体系主要市场。与美、日等发达国家相比，我国针对新电池体系硫正极、固态电解质和电催化剂等关键材料的基础研究存在严重不足，缺少相关专利及核心技术，需大力加强全产业创新研发，为抢占有利市场做好技术贮备。

　　主控芯片关键材料

　　飞行管理与控制系统是无人机“心脏”，对无人机的稳定性，数据传输的可靠性、精确度和实时性有重要影响。主控芯片是无人机飞行管理与控制系统的核心零部件，直接决定了无人机的操控性能、通信能力和处理图像信息能力，是无人机保持良好飞行性能的重要保障。主控芯片制造过程中，按产业链工艺环节可以将主控芯片材料分为晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括衬底、溅射靶材、CMP抛光材料、光刻胶、光罩、高纯化学试剂、特种气体等。封装材料包括封装基板、引线架、键合丝、包装材料、芯片粘结材料等，其中衬底和封装基板分别占比最大。

　　衬底主要材料。第一代半导体衬底材料以硅晶圆为代表。硅晶圆是主控芯片中价值最高、市场份额最大的材料（至少30%以上）。目前，市场上常用的硅片直径为300mm（12英寸）、200mm（8英寸）及以下，12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的芯片，是晶圆厂商扩产的主流。第二代半导体材料以GaAs和InP为代表。相对于硅具有更快的电子迁移率，因此更适用于高频传输，在高性能无人机通信系统、GPS导航系统中有较大应用。但是GaAs和InP材料资源稀缺、价格昂贵、有毒、污染環境，这些缺点大大限制了其在民用无人机主控芯片上的应用。

　　衬底技术发展。在硅晶圆方面，450mm（18英寸）大硅片发展趋势明显，但制作大硅片对倒角、精密磨削等加工工艺要求很高，硅片良率是非常突出的问题。面对资金和技术的双重压力，国际晶圆厂商向大硅片转移的速度放缓，预测到2020年左右，450mm的硅片有可能实现初步量产。我国大尺寸硅片生产技术落后于日、德等发达国家，目前已初步实现了200mm硅材料的批量生产，还没有能力商业化生产300mm硅片。

　　衬底主要市场。在硅晶圆方面，全球一半以上的半导体硅材料产能集中在日本，尤其随着硅晶圆尺寸的增大，垄断趋于严重。2017年，全球前五大半导体硅片厂商日本Shin-Etsu（信越）、日本SUMCO（胜高）、中国台湾环球晶圆、德国Siltronic和韩国LG Siltron共占据全球94%的份额，尤其对300mm硅片而言，其市场几乎被前四家巨头垄断。在第三代半导体SiC方面，基本形成了美国、欧洲和日本三足鼎立的局面。

　　封装基板主要材料。封装基板是芯片封装体的重要组成材料，占封装材料销售比重超过50%，可以分为有机、陶瓷和复合材料三种。

　　封装基板技术发展。有机封装基板是实现无人机产品小型化、轻量化和低成本的一类重要材料。但是有机基板热膨胀系数与芯片不匹配，可靠性不如陶瓷和复合基板，亟需开发低吸水率、高热稳定性、高热导率的有机基板材料。陶瓷封装基板具有高化学稳定性、高耐腐蚀性、气密性好、热导率高及热膨胀系数匹配等优点，但存在质脆、制备工艺复杂和成本高等问题。复合材料基板，具有低介电常数、低密度、易机械加工、易大批量生产和成本低等优点。随着无人机小型化、智能化的发展，应着重加强对低膨胀高导热复合材料基板的基础研究。

　　封装基板主要市场。全球封装基板行业基本由UMTC、Ibiden、SEMCO、Shinko等日本、韩国和我国台湾地区企业垄断，上述企业占据了全球封装基板产业90%的市场份额。总体来看，国内封装基板占有率在全球仍处于较低水平，企业规模、技术水平及产品专业性与外资企业相比仍存在一定差距，但提升趋势明显。

　　光刻胶主要材料。光刻胶又称光致抗蚀剂，以高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂为主要原料组成的对光敏感的混合液体，主要功能是通过光化学感应曝光、显影、刻蚀等工艺将所需微细图形从光罩转移到代加工的介质上。

　　光刻胶技术发展。光刻胶成分复杂、工艺技术难度大。特别是无人机市场对产品小型化、功能多样化及智能化的要求越来越高，需要通过不断缩短曝光波长来提升光刻胶的分辨水平，光刻胶曝光波长由紫外宽谱向G线（436nm）→I线（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）→F2（157nm）→极短紫外光EUV的方向转移。目前，KrF和ArF光刻胶核心技术主要被日本和美国垄断，我国光刻胶发展起步较晚，工艺生产水平、产能和质量稳定性等不能满足要求。

　　光刻胶主要市场。全球光刻胶 生产商包括本JSR、Shin-Etsu、TOK，美国SEMATECH、IBM等，合占全球半导体光刻胶市场份额的95%左右。

　　CMP抛光材料主要材料。CMP抛光材料是晶圆制造的重要要材料之一，在整个半导体材料行业中占比7%，核心材料包括抛光垫和抛光液。

　　CMP抛光材料技术发展。CMP抛光材料制备技术门槛较高，其中抛光垫的技术壁垒在于沟槽设计和提高寿命改良，抛光液的技术壁垒在于调整抛光液组成以改善抛光效果，这些核心技术主要掌控在美、日等发达国家手中，并形成了技术封锁。我国在CMP抛光领域起步较晚，缺乏独立自主知识产权和品牌，目前以引进国外技术，生产少量生产中低端产品为主。

　　CMP抛光材料主要市场。在抛光垫方面，美国陶氏化学占据90%的全球份额，处于垄断地位，其他供应商还包括日本东丽、3M、中国台湾三方化学、卡博特等公司，合计份额在10%左右。在抛光液方面，全球主要供应商包括日本Fujimi、HinomotoKenmazai，美国卡博特、杜邦，韩国ACE等公司，合占据全球90%以上的市场份额。

　　我国无人机材料产业现状

　　国家政策积极支持，发展环境不断优化。近年来，我国高度重视无人机产业发展，从基础研发、市场、产业环境等不同层面出台政策助力无人机材料发展。在《新材料產业“十二五”发展规划》《关于加快新材料产业重创新发展的若干意见》《新材料产业发展指南》等政策中，多次提出发展高性能碳纤维及复合材料、新型轻质合金、大尺寸硅、光刻胶、锂离子动力电池材料等材料，从基础研发的角度推进了无人机材料发展。在《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》中明确提到，支持微型和轻小型智能无人系统的研发与应用，突破高性能无人系统的结构设计、智能材料、自动巡航、远程遥控、图像回传等技术，在我国制造强国建设规划中提出，将航空航天装备列入重点领域进行大力推广，推进无人机等航空装备产业化，从市场和产业环境的角度推进了无人机材料发展。

　　市场需求旺盛，产业规模持续增长。随着无人机技术的逐步成熟，我国无人机市场发展迅速。数据显示，2015—2018年我国无人机市场销售规模分别达到69.4亿、108.8亿、167.9亿和253.8亿元，年均增速36.1%，预计到2020年，无人机服务的总市场规模将在300亿元以上。无人机市场规模迅速扩张，对相关材料和器件的需求也不断上涨。

　　产业技术和创新能力不断提高。在市场需求牵引和国家宏观政策的引导下，科研院所、上下游企业不断加强对无人机用材技术的攻关和产品创新，一批重大突破相继涌现，部分关键材料实现了与国际领先水平并跑甚至领跑，技术不断进步、成本不断降低、生产自动化不断提高。