导读：为保证飞行安全与续航效率，eVTOL需采用轻质高强度的创新材料，通过材料创新能够显著减轻整机重量。围绕eVTOL产业中应用最广的十大关键材料类型，分别介绍性能特点、应用场景、代表案例以及面临的挑战与发展趋势。

电动垂直起降飞行器（eVTOL）是未来城市空中交通的核心装备，设计飞行高度一般在3000米以下，与传统直升机相比具有低碳环保、低噪声、无需跑道等优势。为保证飞行安全与续航效率，eVTOL需采用轻质高强度的创新材料，通过材料创新能够显著减轻整机重量。围绕eVTOL产业中应用最广的十大关键材料类型，分别介绍性能特点、应用场景、代表案例以及面临的挑战与发展趋势。

1.碳纤维复合材料

碳纤维增强复合材料（CFRP），属于纤维增强塑料（FRP）类。碳纤维含碳量通常超过90%，与环氧等树脂基体结合，可制成高强度轻质复合材料。

碳纤维复材具有极高的比强度和比刚度。典型高强碳纤维的比强度可达到2000–6000 MPa·cm³/g，杨氏模量可达200–600 GPa。这种材料密度低（约1.6 g/cm³），在相同重量下拉伸强度和模量可分别达到钢、铝合金、钛合金的数倍。据报道，高性能碳纤维的比强度可达2450 MPa/(g/cm³)、比模量230 GPa/(g/cm³)，分别约为航空铝合金的5倍。

应用场景：

CFRP是eVTOL结构件的核心材料，主要用于机身、旋翼（桨叶）、机翼和起落架等承力部件。众多eVTOL和无人机采用CFRP一体成型机身和桨叶。碳纤维复材约占无人机机体结构的60%–80%，应用可使机身重量大幅减轻，有助于增加载荷和续航。

应用案例：

典型案例包括全球鹰无人机、国产LN60F测试机、小鹏旅航者X2（桨叶）、万丰DA50RG无人机以及峰飞V400等机型，均采用碳纤维复合材料作为主要结构材料。国际上，Joby Aviation、Volocopter等公司也均选用日本东丽、韩国Hyosung等厂商提供的航空级碳纤维材料。国内龙头企业中复神鹰、光威复材等均在为多家eVTOL研发单位提供高性能碳纤维预浸料和成品。

目前局限性：

CFRP成本高、生产周期长是制约因素。目前工业化生产效率和标准体系仍待完善。未来趋势包括开发更高强度（T1100级）、高模量（M55级）碳纤维、优化自动铺层与固化工艺，以及回收利用技术。

市场预估：

研究预测到2030年eVTOL对碳纤维的需求将显著增长（2030年碳纤维复材需求约11748吨，为2024年的20倍，碳纤维占比约90%）。

总体看，随着eVTOL产业化推进，碳纤维复材将成为最关键的轻量化材料之一。

2.芳纶（Kevlar）

复合材料

芳纶纤维增强复合材料，常见如Kevlar®芳纶纤维，与蜂窝纸芯或环氧树脂基体结合，形成高刚度蜂窝复合结构。芳纶纤维属于芳香族聚酰胺，强度高、阻燃性好。

芳纶纤维密度较低（约1.44 g/cm³），具有很高的比强度和良好的抗冲击性。典型Kevlar-49纤维的拉伸强度约2.7–3.6 GPa，杨氏模量约70–112 GPa。芳纶材料对化学腐蚀和燃烧不敏感，耐高温性优于普通有机纤维。

应用场景：

芳纶材料常用于制造蜂窝芯材和结构加强件。在eVTOL中，芳纶蜂窝芯板可用于地板、舱壁、座椅骨架、旋翼叶片芯材等部位，以减轻重量并提高弯曲刚度和稳定性。优异的阻燃性和吸振降噪特征，也常用于机舱内部装饰与隔断。预计每架eVTOL所需芳纶蜂窝材料约40–60千克。

应用案例：

国际民航领域早已成熟使用芳纶蜂窝芯材，波音787飞机客舱地板和行李架、空客A380地板均大量应用芳纶蜂窝。在无人机和eVTOL领域，国内企业民士达等已向航空复合材料厂商供应芳纶纸，用于生产蜂窝芯材。例如，专家测算X2等小型eVTOL对芳纶蜂窝的需求每架达数十千克。

目前局限性：

芳纶蜂窝制造成本较高，易吸湿，长期高湿环境下需关注尺寸稳定性。未来发展方向包括开发耐高温更优异的芳纶变型材料、提高量产工艺成熟度，以及结合纳米材料（如导热填料）提升导热性。随着碳纤维复材的普及和法规要求，航空用芳纶的需求也将稳步增长。

图片来源：光明网 《兵器知识》杂志社

3.铝合金

（含铝锂合金）

轻质铝合金，传统为2xxx（Al-Cu系）、7xxx（Al-Zn系）等系列；新兴铝锂合金（Al-Li系）为航空领域开发的轻量化材料。铝锂合金中每添加1% Li，合金密度可降低约3%、弹性模量提高约6%。

铝合金密度约2.7 g/cm³，强度和耐腐蚀性能随合金牌号不同而异。高强度铝锂合金的比强度和比刚度远高于常规铝合金，同等截面下可承受更大载荷。据报道，采用铝锂合金代替2xxx/7xxx系列铝合金可使结构质量减轻10%–20%，刚度提高15%–20%。典型航空级铝锂合金（AA2195、Al-Li S4等）抗拉强度可超过500 MPa，而密度可降低至约2.6–2.7 g/cm³。

应用场景：

铝合金是eVTOL机体结构和部件的常用金属，比如蒙皮、翼梁、框架、紧固件等处。相比碳纤维复材，铝合金易加工、成本更低且回收性好，因此在承受载荷不那么极端的部位仍广泛使用。铝锂合金因其更佳的轻质化性能，也正被考虑用于机翼或机身高要求结构，以进一步减轻重量。

应用案例：

国内外传统直升机和无人机结构均采用铝合金。典型如军工直升机、民航客机均使用高强度铝合金机体。eVTOL领域，初期设计中例如XPeng的方案即采用铝合金框架与蒙皮。分析指出，eVTOL机体“通常需要使用轻质且强度高的材料，碳纤维复合材料、铝合金、钛合金等”。国内宝钛股份等企业提供航空级铝合金材料，并与民用飞行器项目合作。

目前局限性：

铝锂合金制造成本和加工难度仍较高，并且耐腐蚀和焊接性需进一步优化。未来趋势包括开发新型铝锂合金成分，改进热处理工艺以提高塑性和韧性。为了配合碳纤维等新材料的使用，铝合金结构设计将更强调混合材料协同。整体而言，铝合金将继续在eVTOL中扮演重要角色，尤其在降低结构成本和提高可维护性方面具有优势。

钛合金在发动机叶片上的应用 图片：国家材料腐蚀与防护科学数据中心

4.钛合金

钛合金（Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等），属于轻质高强金属材料。钛本身具有高强度、优良的耐腐蚀性和耐高温性。

钛合金密度约4.4–4.5 g/cm³，仅为钢的60%左右，却具有接近或超过一般高强钢的强度（抗拉强度可达900–1000 MPa）。杨氏模量约110 GPa。钛合金具有良好的耐热性和生物兼容性，热膨胀系数低。

应用场景：

钛合金主要用于要求结构安全性极高的连接件和紧固件，以及高温耐受部件。在eVTOL中，钛合金可用于机身紧固件、转轴、起落架部件、电机壳体等。由于飞行器对连接可靠性的要求很高，传统汽车用钢紧固件往往由钛合金替代。此外，钛合金也可用于高转速叶片或电子散热结构。

应用案例：

国际上许多飞行器结构紧固件和发动机部件使用钛合金。eVTOL领域，国内小鹏汇天项目中，就采用了钛合金3D打印部件。上市公司宝钛股份、西部材料、东方钽业等均生产航空级钛合金产品，并与飞行汽车项目合作。

目前局限性：

钛合金成本高（原料和加工均贵重），加工难度大（切削、焊接）。未来技术方向包括增材制造（3D打印）等新工艺，以降低加工成本并提高零件复杂度。研究更高性能钛合金（含稀土元素的Ti-Al合金）和表面处理技术（钛陶瓷涂层）将是发展重点。总体来看，钛合金因其优异的强度重量比，将在eVTOL中作为钢的重要替代材料。

5.镁合金

镁合金（AZ系列、AM系列等），是最轻的结构金属之一，通常与铝、锌、锰等元素合金化制得。镁的密度约1.74 g/cm³，比铝合金轻约35%。

镁合金的比强度和比刚度高，抗拉强度常在200–350 MPa范围，杨氏模量约45 GPa。虽然镁合金易燃并要求严格合金设计来抑制燃烧，但其低密度使其成为减轻重量的候选材料。

应用场景：

在eVTOL中，镁合金可用于不承受极高负荷但需要极端轻量化的部件，座椅支架、内部结构件或罩壳。行业分析推测每辆飞行汽车所需镁合金约10 kg。

应用案例：

汽车领域常用镁合金轻量化车身内饰部件。飞行汽车项目方面，上市公司星源卓镁致力于镁合金压铸件技术，并已开始参与小鹏汇天等eVTOL项目的技术论证。此外，有报道指出飞行汽车紧固件可部分采用镁合金（替代钢），以减少结构重量。

图片：星源卓镁

目前局限性：

镁合金易燃且耐蚀性较差，这是在航空领域推广的主要障碍。未来趋势包括开发高阻燃镁合金和先进表面涂层技术，以及提高合金成形工艺（如镁合金超塑成形）以降低制造成本和风险。随着加工工艺的改进和复合材料结合使用，镁合金在eVTOL中作为辅助轻量化材料具有一定的发展潜力。

图片来源：鹏孚隆

6.PEEK（聚醚醚酮）

聚醚醚酮（PEEK）是一种高性能工程热塑性塑料，具有苯环和醚键结构。属于耐高温、高强度的半结晶聚合物。

PEEK密度约1.31 g/cm³，耐热性好，可长期在约250℃以下工作。拉伸强度约90–100 MPa，杨氏模量约3–4GPa。与普通环氧树脂相比，PEEK具有更好的耐化学腐蚀性和尺寸稳定性。

应用场景：

在eVTOL中，PEEK可用于制造要求高温阻燃和高强度的部件。如无人机桨叶芯材或部件、高压连接器绝缘体、电子系统支架等。高韧性和耐环境性适合用于高冲击和高温环境。

应用案例：

高性能无人机和航天部件开始使用PEEK。行业报告指出PEEK已用于某些无人机旋翼桨叶的结构件。国内相关企业三祥新材、当升科技等也在推广航空级PEEK材料的应用。

目前局限性：

PEEK成本较高，熔融粘度也高，加工难度大（注塑、挤出成型需要特殊设备）。未来可能开发更易加工的PEEK改性材料或组合材料，同时拓展其在复合材料基体中的应用（热塑复合材料）。随着制造工艺成熟度提高和大规模应用，PEEK有望用于更多eVTOL高要求部件。

图片：杭州腾业磁性材料有限公司

7.稀土永磁材料

（NdFeB磁体）

钕铁硼（NdFeB）永久磁体，属于稀土磁性材料，能量积高的烧结磁体。根据需要也可能采用钐钴（SmCo）等高温级磁体。

NdFeB磁体的能量积（(BH)_max）可达30–50 MGOe（约240–400 kJ/m³），饱和磁感应强度可达1.3–1.45 T。常用磁体的居里温度约310–330℃，工作温度依等级可达150–200℃。密度约7.5 g/cm³。

应用场景：

NdFeB磁体是eVTOL电机的核心，用于转子产生强磁场以提高功率密度。由于eVTOL需要轻小的高转速电机，多采用稀土磁体增强磁场。导航传感器、声呐等系统中亦会用到小型强磁体。

应用案例：

全部航空电机绕组均采用铜线，但转子磁体均采用NdFeB材料以提高功率重量比。有研究估算，每辆eVTOL电机系统可能使用10 kg左右的NdFeB磁体。国内企业南都电源等已开发高性能电机磁体，并参与飞行汽车项目配套。

应用场景：

NdFeB材料成本高且依赖进口稀土资源（钕、镨等），温度稳定性相对较差（需选择耐高温等级或开发新合金）。未来趋势包括优化磁体结构（如高温烧结NdFeB、掺氧化物钕钐化处理）以提高耐温极限，以及发展低钕或钐钴替代方案。拓展耐高温和高抗退磁性能的新型永磁材料（如热压钕磁）有助于适应更苛刻的飞行条件。

8.铜及铜合金

电子纯铜及铜基合金（无氧铜、铍铜、铜镍合金等）。铜是电工电子的主要导体材料，也用于散热结构。

铜密度约8.96 g/cm³，电导率极高（约5.96×10⁷ S/m，相当于100% IACS），热导率约400 W/(m·K)。铜的拉伸强度视合金不同可在200–400 MPa范围，导电性随温度升高而下降。铜具有良好的可焊性和抗腐蚀性（常用C10100无氧铜）。

应用场景：

eVTOL中，铜主要用于电机和电力传输系统的绕组和线缆，以及电池母线和接插件。任何需要高导电性的部件（如高压母线、散热片、强化接地结构）均采用铜或铜合金。同时，铜基散热器（如水冷板）常用于电机、功率电子和电池冷却。

应用案例：

所有航空电机线圈目前均用铜导线。Volocopter等eVTOL电机采用特殊铜合金绕组以兼顾高导电率和耐高温性。上市公司西部材料等提供高纯度航空电解铜，华通线缆、宜安科技等生产耐热导体和母线。

目前局限性：

虽然铜导电性能好，但密度大（约为钢的1.1倍），高温下导电性下降。未来可能通过铜合金化或表面强化技术提升高温性能，同时探索碳纳米管或超导等新型导体替代方案。现阶段，高温超导虽导电性能优于铜，但需要复杂冷却。碳纳米管导线具有更低密度和更稳定的导电性能。短期内，铜仍是eVTOL电气系统的主流导体材料，但对新型低密导体的研究和产业化值得关注。

9.电池材料

锂离子动力电池材料，包括正极（镍钴锰酸锂 NMC、磷酸铁锂 LFP 等）、负极（石墨、硅基合金等）、电解液（有机溶剂+锂盐）和隔膜等。eVTOL普遍采用高比能量密度的航天级电池系统。

不同体系能量密度差异显著。NMC/石墨体系电池能量密度可达200–250 Wh/kg，而LFP/石墨体系约160–180 Wh/kg。LFP电池热稳定性更高，其热失控温度可达约270℃，远高于NMC约210℃。此外，磷酸铁锂具有更长循环寿命和更高安全裕度，而NMC等正极材料则侧重能量密度。

应用场景：

电池是eVTOL的关键能源模块。高能量密度电池组用于提供飞行所需的电力，同时考虑安全性和热管理，通常采用隔热防护设计。根据市场调查，飞行汽车对“高能量密度、高功率、高安全性”电池的需求非常迫切。典型应用中，CATL、宁德时代、孚能科技等供应航空级锂电池，部分产品已公布能量密度超过250 Wh/kg。

应用案例：

目前多家锂电企业已推出航空级电池产品。宁德时代推出的凝聚态电池能量密度突破500 Wh/kg，孚能科技和中创新航也在开发更安全的大容量电池包。飞行器制造商Joby、Lilium等均与电池厂商合作定制电池系统。研究机构NASA和SAE也发布了适用于eVTOL的电池安全标准和测试规范。

目前局限性：

液态锂电池安全隐患和能量密度瓶颈是主要挑战。eVTOL对电池的耐热、安全性要求非常高，一旦热失控后果严重。未来趋势包括向固态电池和半固态电池转型，以突破能量密度上限和提升安全性。固态电池（使用无机固态电解质）可实现更高能量密度（>400–500 Wh/kg）和热稳定性（热失控温度>300℃）。但制造工艺和成本仍待攻关。短期内，高性能NMC和LFP仍是主流选择，材料方面关注无钴高镍化合物、新型硅碳负极以及更可靠的电解质添加剂等方向。

10.导热与散热材料

热管理相关材料，高导热石墨材料、相变材料（PCM）、金属散热器（铜/铝合金）、导热膏/胶等。其中典型代表为柔性石墨导热片（如SIGRATHERM碳基导热板）、石墨烯复合材料等。

SIGRATHERM可膨胀石墨导热片的面内热导率高达400–500 W/(m·K)，远超铝（约205 W/(m·K)）和铜（约400 W/(m·K)）。相变材料吸热潜热大，可在电池温升时吸收大量热量。导热凝胶/胶片热导率通常在5–20 W/(m·K)级别，主要用于界面填充。

应用场景：

eVTOL电机、电调及电池组在运行中产生大量热量，需高效散热系统。柔性石墨片常用于电池包内板和电子模块散热，可将热点热量沿平面迅速扩散。金属管道/散热器（如铝或铜合金加水冷却）用于电机和电池的主动冷却循环。相变材料可以嵌入电池包，在温度过高时吸收热量并相变延缓温升。

应用案例：

大型电池制造商（SGL Carbon、Graphene Square等）提供石墨导热片应用于新能源汽车，eVTOL电池同样可借鉴。SIGRATHERM可膨胀石墨导热片被用于电动汽车和航空电池热管理，面内导热率400–500 W/(m·K)。国内企业如派能科技、道康宁推出高导热硅胶/膏，用于电机定子与壳体之间。

目前局限性：

高导热材料需兼顾轻量化，而且要耐航天环境（振动、潮湿等）。石墨材料尽管导热高，但各向异性大、易脆，处理和集成难度高。未来趋势包括开发石墨烯基纳米复合散热结构，以及更轻质的金属基复合散热器（如铝基微通道）和相变复合材料。包括新一代热管理方案（如热管/蒸汽室）在eVTOL中的应用也值得关注，以实现更高效的散热和温度控制。

未来趋势上，材料发展方向涵盖更高性能的纤维复合、新型轻质合金（如三代铝锂、超高强度钛合金）、先进电池体系（固态/半固态电池）以及智能热管理材料。随着eVTOL产业化推进，这些关键材料的产业链将迎来快速扩张，相关上市公司也将持续受益。