中國粉體網(wǎng)訊  在1000米內(nèi)的低空空域，能做什么？早高峰打個“飛的”，無人機穿行送快遞？天空更加繁忙的日子或許就要來臨。

無人機技術(shù)自誕生以來，輕量化一直是該研發(fā)領(lǐng)域追求的目標，碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有質(zhì)量輕、強度高、耐疲勞等優(yōu)點，因此碳纖維復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用成為無人機領(lǐng)域主要的研究方向。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)件的制造，能極大地改善和提高無人機的性能。近年來，世界各國在無人機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%，可使機體減重25%以上。

圖片來源 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體，與樹脂、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，碳纖維樹脂基復(fù)合材料比剛度、比強度相當高，因此占據(jù)了碳纖維復(fù)合材料市場近90%的份額。

碳纖維復(fù)合材料的類型及特點

力學性能 

碳纖維具有較高的強度和剛度，基體能通過碳纖維與基體間的界面?zhèn)鬟f應(yīng)力，因此碳纖維復(fù)合材料的力學性能與其他材料相比有明顯的優(yōu)勢，其力學性能指標包括拉伸強度、剪切強度和彎曲強度等。 碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度高于傳統(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)合材料剪切強度可達110MPa，同時具有層間剪切強度，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)合材料進行熱燒灼時，其阻燃性是非金屬材料中等級最高的，達到FV0；同時，發(fā)煙量級別為ZA1（準安全一級），說明其煙氣無毒。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)定的化學性能和機械性能，不會產(chǎn)生過多的煙霧和有毒物質(zhì)，可應(yīng)用于一些高要求的場景中。

熱物理性能 

碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)通常高于無機非金屬材料，但低于普通金屬材料。碳纖維復(fù)合材料的比熱容高，能儲存大量的熱能，在高溫下溫升較小，有利于維持其力學性能；此外，其導熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。在實際應(yīng)用中，為充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢，可通過優(yōu)化和改進其性能，提高材料的可靠性，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

2.碳纖維復(fù)合材料在低空無人機上的應(yīng)用現(xiàn)狀

可以說，以碳纖維復(fù)合材料為核心的無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造技術(shù)成為無人機發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。在機身制造上，由于其輕質(zhì)的優(yōu)點可以顯著降低無人機的重量，提升有效載荷，延長續(xù)航時長。此外，碳纖維復(fù)合材料還可用于制造無人機的旋翼、舵面、電池箱以及機載設(shè)備支撐架等部件，充分展現(xiàn)其高比剛度與比強度的優(yōu)勢。  

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于機身制造

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。以某無人機廠商定制的碳纖維無人機部件為例，據(jù)廠商反饋，采用碳纖維材料的無人機整體重量明顯減輕。這一優(yōu)勢不僅使無人機在攜帶相同設(shè)備和能源時能飛行更遠距離，還能延長滯空時間。例如國內(nèi)碳纖維制品商智上新材為一款大型電動無人飛行器定制的碳纖維復(fù)合材料固定翼，該款電動無人機設(shè)計航程為 280KM，設(shè)計續(xù)航時間90分鐘，碳纖維復(fù)合材料的翼體設(shè)計使其兼具垂直起降和滑行起降模式，通過降低翼體部分的重量減少能耗，滿足長航距、長航時的飛行需求。

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于機體多部件提升綜合性能

比強度越高的材料，其在保證同等強度的情況下，可以更加輕便，比剛度越高的材料能夠在相同的負載下較小的變形，相比于其它復(fù)合材料，在滿足無人機機體相同強度和剛度的前提下，碳纖維復(fù)合材料高比強度和高比剛度的特性能夠大大減輕無人機的機身質(zhì)量，降低無人機的載荷成本，對無人機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化意義重大，以確保無人機擁有更長的飛行距離和飛行時間。

無人機使用材料的比強度和比剛度

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于制造無人機的旋翼、舵面、電池箱、機載設(shè)備支撐架等部件。在這些部件中，充分發(fā)揮其高比強度和比剛量的優(yōu)勢，在保證部件性能的同時，進一步降低無人機的整體重量，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)定性和抗風能力，適用于專業(yè)航拍和工業(yè)巡檢。恒神股份開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料無人機多墻式機翼，通過一體成型技術(shù)實現(xiàn)輕量化和低成本制造，適用于高性能無人機的舵面設(shè)計。光威復(fù)材的碳纖維預(yù)浸料已應(yīng)用于多種無人機舵面，提升了舵面的強度和耐久性等。

來源：光威復(fù)材

結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、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)用于無人機的結(jié)構(gòu)制造，使無人機在保持高性能的同時，實現(xiàn)輕量化、小型化和高穩(wěn)定性，同時能提高其耐久性，降低生產(chǎn)成本。采用碳纖維復(fù)合材料的無人機可在惡劣環(huán)境下長期使用，并且能夠執(zhí)行特殊任務(wù)。碳纖維復(fù)合材料在提高無人機性能、延長使用壽命及降低成本等方面有突出的優(yōu)勢，其重要價值已經(jīng)得到廣泛的驗證。

參考來源： 

陳紹杰. 無人機上復(fù)合材料的應(yīng)用與研究

孔 娜，王增加，王希杰. 無人機超輕碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究

閆麗君. 無人機用碳纖維復(fù)合材料的性能及應(yīng)用現(xiàn)狀

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明) 

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