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1、碳纤维复合材料在小型无人机上的应用周一至 周 五论文网经济论文I历史论文I医学论文I科技论文I知识百科I|9:0022:00政治论文I管理论文I文学论文I艺术论文I教育论文I学问百科【摘 要】本论文探讨了碳纤维复合材料在小型无人机上的 应用，着重分析了两种材料的特点和应用：碳纤维织物是碳 纤维重要的应用形式之一，在满足强度需求的前提下，小型 无人机的复合材料选择上，以小丝束，重量轻的纤维织物最 佳；三明治夹芯复合材料也比较适合应用在小型无人机上， 三明治夹芯复合材料在保持力学性能的同时，可以显著减轻 重量，并且造价较低，工艺也不太复杂。【关键词】碳纤维复合材料；小型无人机；碳纤维织物; 三明治
2、夹芯复合材料中图分类号：V279 ； TB33文献标识码：A文章编号:2095-245712-0143-001DOI: /0引言碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。其含碳量在90%以上, 呈黑色， 具有强度高、比模量高、质轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦因数小、耐高低温等优越性能，被称为“新材料之 王”。碳纤维及其复合材料广泛应用于航空航天等领域。其 中，树脂基碳纤维复合材料可用于制造飞机、卫星、火箭等 飞行器的部件，重量轻而且强度高，抗疲劳性能优良。新一代民用客机例如 Boeing787、Airbus350 等，飞机结构中 复合材料的占比超过了 50%机翼蒙皮
3、等部位大量采用碳纤 维复合材料和玻璃纤维复合材料。复合材料的使用不仅降低 了飞机的重量，还增加了使用寿命。因此，在微小型民用无 人机领域，复合材料也得到了广泛的应用。1碳纤维复合材料在小型无人机上的应用微小型无人机采用碳纤维复合材料的原因微小型无人飞行器通常具有以下特点：重量轻，载荷较 小，飞行高度低，速度慢，续航时间通常较短，动力系统较 弱等。但由于起降场地小，飞行作业环境复杂，则又要求飞 机具有一定抗毁伤能力。目前，主流的微小型飞行器包括固 定翼飞机和多旋翼飞机，以及小型旋翼直升机。传统的微小型无人机通常采用轻木结构框架，表面加以 热缩蒙皮，或者是采用EPP等材质发泡成型；对多旋翼而言，机
4、体通常采用铝合金型材，或者塑料。这些材料虽然重量轻，但是极易在外力作用下形变，抗毁伤能力不强，也就造成了 使用寿命有限。于是，碳纤维增强树脂等材料便成为了更好 的选择。碳纤维织物的特点及其在小型无人机上的应用碳纤维一般不单独使用， 常被加工成织物、毡、席、带、 纸等，作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材 料中，构成复合材料。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式 之一。按照碳纤维织物中纱线的取向，碳纤维织物可分为单向织物、双向织物 和多轴向织物。上述 3种形式的碳纤 维织物在目前市场上应用较为广泛，主要应用形式有浸胶和无浸胶两大类。对于小型飞行器，大面积应用碳纤维材料的部位在机 翼，机翼既
5、要承受全机的载荷，气动升力和阻力，也要承受 拉力，扭力，剪切力等，这些力作用在机翼的各个方向上。 显然，单向碳纤维织物并不能满足要求，双向织物便成了最 佳的选择，造价合理，且工艺相对简单。因此，对于小型固 定翼飞行器，在机翼部位选择使用单层双向编织碳纤维布， 即可满足机翼的强度需求。碳纤维有大丝束和小丝束之分，按照每束碳纤维丝所含的单丝数目，以 K为1000根：常用的可分为 1K、3K、12K、 24K、48K等等1。显然，单丝数目越多，单位长度的重量 也就越大，强度也对应会升高。小型飞行器的重量要求十分 苛刻，有限的电池容量、更多的任务载荷等的种种原因，使 得每减轻一克重量，飞行性能都可能会
6、得到巨大的提升。所 以，复合材料在小型飞行器上的一大使命，便是减重。以日 本东邦公司生产的 HTA40型1K碳纤维丝为例，其拉伸强度 为3800MPa模量为238GPa以此纤维丝编程成的 1K碳纤 维布，重量约 80-120g/ ? 0,单就数据而言，单层织物即可 可以满足机翼等部位的需求。而如果使用展宽碳纤维布，则 可进一步降低重量。因此，在小型无人机的复合材料选择上， 以小丝束，重量轻的纤维织物最佳。三明治夹心结构复合材料在小型无人机上的应用对于大型飞机而言，其机身主要采用薄壳结构，机翼以 翼肋复合蒙皮。在小型无人机上使用该结构，显然成本较为 高昂，工艺也较复杂。有一种加工简便成本较低的结
7、构，便 是三明治夹心结构：即在重量相对较轻，而相对较厚的芯材 两侧，贴附薄而坚固且有一定 ？度的面板。三明治夹心结 构有着典型的轻重量，高刚性和高强度的特征。当该结构承 受弯曲载荷时，其工作原理某种意义上来说类似于工字钢： 工字钢翼板承载平面压缩和拉伸荷载，而工字钢腹板承受剪 切载荷。像使用传统的工字钢一样，当上下面板之间的距离 被进一步分开，结构就能获得更大比例的刚性。在复合材料的成型工艺上，有以下几种：编织缠绕工艺， 高压树脂传递模塑成型 HP-RTM真空辅助成型工艺，模压工 艺等。为保证气动外形的精准， 模压工艺是较为可行的方式。 将纤维织物均匀涂布树脂后，贴服与内核材料表面，随后将 复
8、合夹心结构的部件放入对应的模具当中，通过模具的压 力，使制品表面光滑，此方法在常温常压下即可进行，无需 特殊环境，工艺简便，且制品表面光洁度好，重量控制的十 分合理。三明治夹芯结构在具有在保持力学性能的同时显著减 轻重量的能力。因此，在三明治夹芯复合材料的应用变得越 来越广泛2。以碳纤维增强树脂作为蒙皮，芯材使用XPSEPP PMI等的具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料，通过一定的工艺，使之形成碳纤维织物一芯材一碳纤维织物的 复合夹心结构。2结论随着复合材料在航空、航天领域应用的越来越广泛，小 型无人机上也越来越多的采用碳纤维复合材料。碳纤维织物 是碳纤维重要的应用形式之一，小型无人机的复合材料选择 上，以小丝束，重量轻的纤维织物最佳。此外，三明治夹芯 复合材料在保持力学性能的同时显著减轻重量的能力，并且 造价相对较低，工艺也不太复杂，因而也比较适合应用在小 型无人机上。