中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在1000米內(nèi)的低空空域，能做什么？早高峰打個(gè)“飛的”，無(wú)人機(jī)穿行送快遞？天空更加繁忙的日子或許就要來(lái)臨。
無(wú)人機(jī)技術(shù)自誕生以來(lái)，輕量化一直是該研發(fā)領(lǐng)域追求的目標(biāo)，碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，因此碳纖維復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域主要的研究方向。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造，能極大地改善和提高無(wú)人機(jī)的性能。近年來(lái)，世界各國(guó)在無(wú)人機(jī)制造中大量使用碳纖維復(fù)合材料，使用量占其結(jié)構(gòu)總量的60%～80%，可使機(jī)體減重25%以上。
圖片來(lái)源 吉林化纖
1.碳纖維復(fù)合材料性能
碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維作為增強(qiáng)體，與樹(shù)脂、陶瓷、金屬或其他基體材料復(fù)合而成的高新材料，根據(jù)基體的不同，碳纖維復(fù)合材料可分為5種類型。其中，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料比剛度、比強(qiáng)度相當(dāng)高，因此占據(jù)了碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)近90%的份額。
碳纖維復(fù)合材料的類型及特點(diǎn)
力學(xué)性能
碳纖維具有較高的強(qiáng)度和剛度，基體能通過(guò)碳纖維與基體間的界面?zhèn)鬟f應(yīng)力，因此碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能與其他材料相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，其力學(xué)性能指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等。 碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于傳統(tǒng)的金屬材料，通常在1000～3000 MPa。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛量很高，這與碳纖維的原絲類型和纖維在基體中的排列方式有關(guān)，其拉伸破壞方式屬于脆 性破壞。碳纖維復(fù)合材料剪切強(qiáng)度可達(dá)110MPa，同時(shí)具有層間剪切強(qiáng)度，能抵抗材料分層的能力，這是金屬材料不具備的性能。
熱燒灼性能
碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熱燒灼時(shí)，其阻燃性是非金屬材料中等級(jí)最高的，達(dá)到FV0；同時(shí)，發(fā)煙量級(jí)別為ZA1（準(zhǔn)安全一級(jí)），說(shuō)明其煙氣無(wú)毒。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)良的熱燒灼性能使其在高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的化學(xué)性能和機(jī)械性能，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的煙霧和有毒物質(zhì)，可應(yīng)用于一些高要求的場(chǎng)景中。
熱物理性能
碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)通常高于無(wú)機(jī)非金屬材料，但低于普通金屬材料。碳纖維復(fù)合材料的比熱容高，能儲(chǔ)存大量的熱能，在高溫下溫升較小，有利于維持其力學(xué)性能；此外，其導(dǎo)熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。在實(shí)際應(yīng)用中，為充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)其性能，提高材料的可靠性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
2.碳纖維復(fù)合材料在低空無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀
可以說(shuō)，以碳纖維復(fù)合材料為核心的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成為無(wú)人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。在機(jī)身制造上，由于其輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)可以顯著降低無(wú)人機(jī)的重量，提升有效載荷，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)長(zhǎng)。此外，碳纖維復(fù)合材料還可用于制造無(wú)人機(jī)的旋翼、舵面、電池箱以及機(jī)載設(shè)備支撐架等部件，充分展現(xiàn)其高比剛度與比強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。
碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于機(jī)身制造
通常情況下，碳纖維復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)金屬材料，可減輕約25%-30%的重量。以某無(wú)人機(jī)廠商定制的碳纖維無(wú)人機(jī)部件為例，據(jù)廠商反饋，采用碳纖維材料的無(wú)人機(jī)整體重量明顯減輕。這一優(yōu)勢(shì)不僅使無(wú)人機(jī)在攜帶相同設(shè)備和能源時(shí)能飛行更遠(yuǎn)距離，還能延長(zhǎng)滯空時(shí)間。例如國(guó)內(nèi)碳纖維制品商智上新材為一款大型電動(dòng)無(wú)人飛行器定制的碳纖維復(fù)合材料固定翼，該款電動(dòng)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)航程為 280KM，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間90分鐘，碳纖維復(fù)合材料的翼體設(shè)計(jì)使其兼具垂直起降和滑行起降模式，通過(guò)降低翼體部分的重量減少能耗，滿足長(zhǎng)航距、長(zhǎng)航時(shí)的飛行需求。
碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于機(jī)體多部件提升綜合性能
比強(qiáng)度越高的材料，其在保證同等強(qiáng)度的情況下，可以更加輕便，比剛度越高的材料能夠在相同的負(fù)載下較小的變形，相比于其它復(fù)合材料，在滿足無(wú)人機(jī)機(jī)體相同強(qiáng)度和剛度的前提下，碳纖維復(fù)合材料高比強(qiáng)度和高比剛度的特性能夠大大減輕無(wú)人機(jī)的機(jī)身質(zhì)量，降低無(wú)人機(jī)的載荷成本，對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化意義重大，以確保無(wú)人機(jī)擁有更長(zhǎng)的飛行距離和飛行時(shí)間。
無(wú)人機(jī)使用材料的比強(qiáng)度和比剛度
碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于制造無(wú)人機(jī)的旋翼、舵面、電池箱、機(jī)載設(shè)備支撐架等部件。在這些部件中，充分發(fā)揮其高比強(qiáng)度和比剛量的優(yōu)勢(shì)，在保證部件性能的同時(shí)，進(jìn)一步降低無(wú)人機(jī)的整體重量，提高其綜合性能。例如大疆Matrice 600 Pro的旋翼采用碳纖維復(fù)合材料，顯著提升了飛行穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力，適用于專業(yè)航拍和工業(yè)巡檢。恒神股份開(kāi)發(fā)了碳纖維復(fù)合材料無(wú)人機(jī)多墻式機(jī)翼，通過(guò)一體成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量化和低成本制造，適用于高性能無(wú)人機(jī)的舵面設(shè)計(jì)。光威復(fù)材的碳纖維預(yù)浸料已應(yīng)用于多種無(wú)人機(jī)舵面，提升了舵面的強(qiáng)度和耐久性等。
來(lái)源：光威復(fù)材
結(jié)語(yǔ)
碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度高、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維復(fù)合材料適合大規(guī)模應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)制造，使無(wú)人機(jī)在保持高性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化和高穩(wěn)定性，同時(shí)能提高其耐久性，降低生產(chǎn)成本。采用碳纖維復(fù)合材料的無(wú)人機(jī)可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用，并且能夠執(zhí)行特殊任務(wù)。碳纖維復(fù)合材料在提高無(wú)人機(jī)性能、延長(zhǎng)使用壽命及降低成本等方面有突出的優(yōu)勢(shì)，其重要價(jià)值已經(jīng)得到廣泛的驗(yàn)證。
參考來(lái)源：
陳紹杰. 無(wú)人機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用與研究
孔 娜，王增加，王希杰. 無(wú)人機(jī)超輕碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究
閆麗君. 無(wú)人機(jī)用碳纖維復(fù)合材料的性能及應(yīng)用現(xiàn)狀
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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