无人机用碳纤维复合材料的应用现状
发布时间：2024-04-18 浏览人数：人
无人机技术自诞生以来，轻量化一直是该研发领域追求的目标，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有质量轻、强度高、耐疲劳等优点，因此碳纤维复合材料在无人机上的应用成为无人机领域主要的研究方向。碳纤维复合材料应用于无人机结构件的制造，能极大地改善和提高无人机的性能。近年来，世界各国在无人机制造中大量使用碳纤维复合材料，使用量占其结构总量的60%～80%，可使机体减重25%以上。碳纤维树脂基复合材料是应用最广泛的碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂复合而成，可增强机体的结合程度，提升材料的力学性能。采用环氧树脂基对碳纤维进行铺层设计，并采用有限元分析碳纤维树脂基复合产品，证实其具有优异的力学性能。碳纤维复合材料作为一种特殊材料，其加工需要采用特殊的工艺。
我国碳纤维复合材料的研发起步虽然较晚，但是经过科研工作者多年的努力，已拥有生产碳纤维复合材料的自主产权，并且应用碳纤维复合材料制造的无人机在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等领域得到成熟的应用。
二、性能特点
碳纤维具有较高的强度和刚度，基体能通过碳纤维与基体间的界面传递应力，因此碳纤维复合材料的力学性能与其他材料相比有明显的优势，其力学性能指标包括拉伸强度、剪切强度和弯曲强度等。碳纤维复合材料的拉伸强度高于传统的金属材料，通常在 1 000～3 000 MPa。碳纤维复合材料的比强度和比模量很高，这与碳纤维的原丝类型和纤维在基体中的排列方式有关，其拉伸破坏方式属于脆性破坏。
碳纤维复合材料剪切强度可达110 MPa，同时具有层间剪切强度，能抵抗材料分层的能力，这是金属材料不具备的性能。碳纤维复合材料具有高剪切强度主要是因为碳纤维和基体之间形成紧密的界面结合，纤维和基体的协同作用使材料的整体能有效地抵抗剪切力。
碳纤维复合材料在弯曲负荷下抗破坏的能力较强，其弯曲强度和弯曲模量均高于铝合金，弯曲强度通常在 200～400 MPa，弯曲强度的大小与材料的组成、纤维的含量和纤维的方向有很大的关系。
无人机技术的应用越来越广泛，对无人机载荷的要求也越来越高，在空间不变的情况下，无人机的结构件材料成为提高载荷的关键。在无人机上应用碳纤维复合材料可减轻机身重量、增加有效荷载、提高飞行的安全性，因此成为无人机的主力材料。具体性能需求如下：
目前的小型无人机可分为表演用无人机、侦察用无人机、农用无人机、气象无人机、测绘无人机等，这些无人机通过代替人工作业实现了降本增效。为了执行多样化的任务，无人机的载荷越来越大，无人机结构件的很多部位都采用碳纤维复合材料制造，如机身、旋翼、机翼、舵面、发动机部件等，碳纤维复合材料可有效降低无人机的重量，提高无人机的总体性能、飞行稳定性、动力性能及操控性能。碳纤维复合材料的应用可通过降低机体结构质量，达到增大载荷、延长飞行距离和续航时间的目的。碳纤维无人机的外壳采用一体化成型技术大面积一次性成型，减少紧固件的使用，在减轻机身重量的同时，降低了生产成本。此外，碳纤维复合材料的抗腐蚀性和耐热性能良好，可满足无人机在各种环境下的飞行要求，采用碳纤维复合材料开发的吸波涂层，还可减少电磁波对机身外形的反射。
碳纤维复合材料的结构构型设计灵活多变，其中三明治夹芯结构是一种重要的结构减重方法，该方法以碳纤维增强复合材料作为蒙皮，形成碳纤维—芯材—碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时能显著减轻重量，在一定程度上降低了无人机的制造成本。
无人机上使用碳纤维复合材料约占结构总质量的60%~80%，对无人机结构轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。美国“全球鹰”无人侦察机的机翼、翼梁、翼盒等大量采用碳纤维复合材料，占结构总量的 65% 以上；欧洲空中客车公司研发的Zephyr无人机，翼展为 25 m，由于采用了碳纤维复合材料机身，飞机重量仅为75 kg，轻巧的结构使Zephyr无人机能在21340 m的高空携带重达23 kg的有效载荷，创造了42 d无人飞行的持续时间纪录。我国第一架全碳纤维复合材料结构机体的无人试验机为“雷鸟”（LN60F），采用氢燃料电池动力，机身高2.2 m，机身长 4.7 m，翼展为 10.5 m，起飞质量为 257 kg，巡航速度为120 km/h，续航时间为4 h。中国“翼龙”无人机发展到现在，机身全部采用碳纤维复合材料，因其能足够稳定，除了用于侦查和打击犯罪，还被广泛应用于民用和科研领域，曾参与灾情巡查、反毒缉私、生态环境保护、大气成分研究、复杂地形勘探、高空气象观测、农田药物喷洒和森林防火等多个领域的任务。
[1]闫丽君.无人机用碳纤维复合材料的性能及应用现状[J].企业科技与发展,2023(12):46-49.
