碳纖維復(fù)合材料在小型無人機(jī)上的應(yīng)用

張新雨　呂鴻雁

【摘 要】本論文探討了碳纖維復(fù)合材料在小型無人機(jī)上的應(yīng)用，著重分析了兩種材料的特點(diǎn)和應(yīng)用：碳纖維織物是碳纖維重要的應(yīng)用形式之一，在滿足強(qiáng)度需求的前提下，小型無人機(jī)的復(fù)合材料選擇上，以小絲束，重量輕的纖維織物最佳；三明治夾芯復(fù)合材料也比較適合應(yīng)用在小型無人機(jī)上，三明治夾芯復(fù)合材料在保持力學(xué)性能的同時(shí)，可以顯著減輕重量，并且造價(jià)較低，工藝也不太復(fù)雜。

【關(guān)鍵詞】碳纖維復(fù)合材料；小型無人機(jī)；碳纖維織物；三明治夾芯復(fù)合材料

中圖分類號(hào)： V279；TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0143-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.063

0 引言

碳纖維是由有機(jī)纖維 （聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠纖維或酚醛纖維等） 經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。其含碳量在90%以上， 呈黑色， 具有強(qiáng)度高、比模量高 （強(qiáng)度為鋼鐵的10倍， 質(zhì)量?jī)H有鋁材的一半） 、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、摩擦因數(shù)小、耐高低溫等優(yōu)越性能，被稱為“新材料之王”。

碳纖維及其復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。其中，樹脂基碳纖維復(fù)合材料可用于制造飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器的部件， 重量輕而且強(qiáng)度高，抗疲勞性能優(yōu)良。新一代民用客機(jī)例如Boeing787、Airbus350等，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的占比超過了50%，機(jī)翼蒙皮等部位大量采用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料的使用不僅降低了飛機(jī)的重量，還增加了使用壽命。因此，在微小型民用無人機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 碳纖維復(fù)合材料在小型無人機(jī)上的應(yīng)用

1.1 微小型無人機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料的原因

微小型無人飛行器通常具有以下特點(diǎn)：重量輕（起飛重量一般不超過7kg），載荷較小，飛行高度低（不高于500m），速度慢（0-300km/h），續(xù)航時(shí)間通常較短，動(dòng)力系統(tǒng)較弱等。但由于起降場(chǎng)地小，飛行作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，則又要求飛機(jī)具有一定抗毀傷能力。目前，主流的微小型飛行器包括固定翼飛機(jī)和多旋翼飛機(jī)，以及小型旋翼直升機(jī)。

傳統(tǒng)的微小型無人機(jī)通常采用輕木結(jié)構(gòu)框架，表面加以熱縮蒙皮，或者是采用EPP等材質(zhì)發(fā)泡成型；對(duì)多旋翼而言，機(jī)體通常采用鋁合金型材，或者塑料。這些材料雖然重量輕，但是極易在外力作用下形變，抗毀傷能力不強(qiáng)，也就造成了使用壽命有限。于是，碳纖維增強(qiáng)樹脂等材料便成為了更好的選擇。

1.2 碳纖維織物的特點(diǎn)及其在小型無人機(jī)上的應(yīng)用

碳纖維一般不單獨(dú)使用，常被加工成織物、氈、席、帶、紙等，作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維織物是碳纖維重要的應(yīng)用形式之一。按照碳纖維織物中紗線的取向， 碳纖維織物可分為單向織物、雙向織物（分平紋、斜紋和緞紋） 和多軸向織物。上述3種形式的碳纖維織物在目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛， 主要應(yīng)用形式有浸膠和無浸膠兩大類。

對(duì)于小型飛行器，大面積應(yīng)用碳纖維材料的部位在機(jī)翼，機(jī)翼既要承受全機(jī)的載荷，氣動(dòng)升力和阻力，也要承受拉力，扭力，剪切力等，這些力作用在機(jī)翼的各個(gè)方向上。顯然，單向碳纖維織物并不能滿足要求，雙向織物便成了最佳的選擇，造價(jià)合理，且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，對(duì)于小型固定翼飛行器，在機(jī)翼部位選擇使用單層雙向編織碳纖維布，即可滿足機(jī)翼的強(qiáng)度需求。

碳纖維有大絲束和小絲束之分，按照每束碳纖維絲所含的單絲數(shù)目，以K為1000根：常用的可分為1K、3K、12K、24K、48K等等[1]。顯然，單絲數(shù)目越多，單位長(zhǎng)度的重量也就越大，強(qiáng)度也對(duì)應(yīng)會(huì)升高。小型飛行器的重量要求十分苛刻，有限的電池容量、更多的任務(wù)載荷等的種種原因，使得每減輕一克重量，飛行性能都可能會(huì)得到巨大的提升。所以，復(fù)合材料在小型飛行器上的一大使命，便是減重。以日本東邦公司生產(chǎn)的HTA40型1K碳纖維絲為例，其拉伸強(qiáng)度為3800MPa，模量為238GPa，以此纖維絲編程成的1K碳纖維布，重量約80-120g/㎡，單就數(shù)據(jù)而言，單層織物即可可以滿足機(jī)翼等部位的需求。而如果使用展寬碳纖維布，則可進(jìn)一步降低重量。因此，在小型無人機(jī)的復(fù)合材料選擇上，以小絲束，重量輕的纖維織物最佳。

1.3 三明治夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在小型無人機(jī)上的應(yīng)用

對(duì)于大型飛機(jī)而言，其機(jī)身主要采用薄殼結(jié)構(gòu)，機(jī)翼以翼肋復(fù)合蒙皮。在小型無人機(jī)上使用該結(jié)構(gòu)，顯然成本較為高昂，工藝也較復(fù)雜。有一種加工簡(jiǎn)便成本較低的結(jié)構(gòu)，便是三明治夾心結(jié)構(gòu)：即在重量相對(duì)較輕，而相對(duì)較厚的芯材兩側(cè)，貼附薄而堅(jiān)固且有一定剛度的面板。三明治夾心結(jié)構(gòu)有著典型的輕重量，高剛性和高強(qiáng)度的特征。當(dāng)該結(jié)構(gòu)承受彎曲載荷時(shí)，其工作原理某種意義上來說類似于工字鋼：工字鋼翼板（正如三明治夾芯結(jié)構(gòu)的面板）承載平面壓縮和拉伸荷載，而工字鋼腹板承受剪切載荷（正如結(jié)構(gòu)三明治夾芯結(jié)構(gòu)的芯材）。像使用傳統(tǒng)的工字鋼一樣，當(dāng)上下面板之間的距離被進(jìn)一步分開，結(jié)構(gòu)就能獲得更大比例的剛性。

在復(fù)合材料的成型工藝上，有以下幾種：編織纏繞工藝，高壓樹脂傳遞模塑成型HP-RTM，真空輔助成型工藝，模壓工藝等。為保證氣動(dòng)外形的精準(zhǔn)，模壓工藝是較為可行的方式。將纖維織物均勻涂布樹脂后（通常采用環(huán)氧樹脂），貼服與內(nèi)核材料表面，隨后將復(fù)合夾心結(jié)構(gòu)的部件放入對(duì)應(yīng)的模具當(dāng)中，通過模具的壓力，使制品表面光滑，此方法在常溫常壓下即可進(jìn)行，無需特殊環(huán)境，工藝簡(jiǎn)便，且制品表面光潔度好，重量控制的十分合理。

三明治夾芯結(jié)構(gòu)在具有在保持力學(xué)性能的同時(shí)顯著減輕重量的能力。因此，在三明治夾芯復(fù)合材料的應(yīng)用變得越來越廣泛[2]。以碳纖維增強(qiáng)樹脂作為蒙皮，芯材使用XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）、EPP（發(fā)泡聚丙烯）、PMI（聚甲基丙烯酰亞胺泡沫）等的具有一定硬度和抗壓能力的輕質(zhì)泡沫塑料，通過一定的工藝，使之形成碳纖維織物—芯材—碳纖維織物的復(fù)合夾心結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)論

隨著復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，小型無人機(jī)上也越來越多的采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維織物是碳纖維重要的應(yīng)用形式之一，小型無人機(jī)的復(fù)合材料選擇上，以小絲束，重量輕的纖維織物最佳。此外，三明治夾芯復(fù)合材料在保持力學(xué)性能的同時(shí)顯著減輕重量的能力，并且造價(jià)相對(duì)較低，工藝也不太復(fù)雜，因而也比較適合應(yīng)用在小型無人機(jī)上。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張?jiān)?，李建利，張新元，徐?碳纖維織物的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].棉紡織技術(shù)，2014，42（05）：74-77.

[2]張鐵亮.衛(wèi)星夾層結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.