無人機(jī)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(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，因此碳纖維復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用成為無人機(jī)領(lǐng)域主要的研究方向。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造，能極大地改善和提高無人機(jī)的性能。近年來，世界各國在無人機(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。碳纖維樹脂基復(fù)合材料是應(yīng)用最廣泛的碳纖維復(fù)合材料，由碳纖維與樹脂復(fù)合而成，可增強(qiáng)機(jī)體的結(jié)合程度，提升材料的力學(xué)性能。采用環(huán)氧樹脂基對碳纖維進(jìn)行鋪層設(shè)計，并采用有限元分析碳纖維樹脂基復(fù)合產(chǎn)品，證實其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料作為一種特殊材料，其加工需要采用特殊的工藝。

我國碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)起步雖然較晚，但是經(jīng)過科研工作者多年的努力，已擁有生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的自主產(chǎn)權(quán)，并且應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制造的無人機(jī)在農(nóng)林植保、電力巡檢、地理測繪、航拍等領(lǐng)域得到成熟的應(yīng)用。

二、性能特點

碳纖維具有較高的強(qiáng)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(xué)性能與其他材料相比有明顯的優(yōu)勢，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 1 000～3 000 MPa。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量很高，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)110 MPa，同時具有層間剪切強(qiáng)度，能抵抗材料分層的能力，這是金屬材料不具備的性能。碳纖維復(fù)合材料具有高剪切強(qiáng)度主要是因為碳纖維和基體之間形成緊密的界面結(jié)合，纖維和基體的協(xié)同作用使材料的整體能有效地抵抗剪切力。

碳纖維復(fù)合材料在彎曲負(fù)荷下抗破壞的能力較強(qiáng)，其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均高于鋁合金，彎曲強(qiáng)度通常在 200～400 MPa，彎曲強(qiáng)度的大小與材料的組成、纖維的含量和纖維的方向有很大的關(guān)系。

無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對無人機(jī)載荷的要求也越來越高，在空間不變的情況下，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)件材料成為提高載荷的關(guān)鍵。在無人機(jī)上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可減輕機(jī)身重量、增加有效荷載、提高飛行的安全性，因此成為無人機(jī)的主力材料。具體性能需求如下：

目前的小型無人機(jī)可分為表演用無人機(jī)、偵察用無人機(jī)、農(nóng)用無人機(jī)、氣象無人機(jī)、測繪無人機(jī)等，這些無人機(jī)通過代替人工作業(yè)實現(xiàn)了降本增效。為了執(zhí)行多樣化的任務(wù)，無人機(jī)的載荷越來越大，無人機(jī)結(jié)構(gòu)件的很多部位都采用碳纖維復(fù)合材料制造，如機(jī)身、旋翼、機(jī)翼、舵面、發(fā)動機(jī)部件等，碳纖維復(fù)合材料可有效降低無人機(jī)的重量，提高無人機(jī)的總體性能、飛行穩(wěn)定性、動力性能及操控性能。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可通過降低機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，達(dá)到增大載荷、延長飛行距離和續(xù)航時間的目的。碳纖維無人機(jī)的外殼采用一體化成型技術(shù)大面積一次性成型，減少緊固件的使用，在減輕機(jī)身重量的同時，降低了生產(chǎn)成本。此外，碳纖維復(fù)合材料的抗腐蝕性和耐熱性能良好，可滿足無人機(jī)在各種環(huán)境下的飛行要求，采用碳纖維復(fù)合材料開發(fā)的吸波涂層，還可減少電磁波對機(jī)身外形的反射。

碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計靈活多變，其中三明治夾芯結(jié)構(gòu)是一種重要的結(jié)構(gòu)減重方法，該方法以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為蒙皮，形成碳纖維—芯材—碳纖維的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)。這種三明治夾芯結(jié)構(gòu)在保持力學(xué)性能的同時能顯著減輕重量，在一定程度上降低了無人機(jī)的制造成本。

無人機(jī)上使用碳纖維復(fù)合材料約占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的60%~80%，對無人機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。美國“全球鷹”無人偵察機(jī)的機(jī)翼、翼梁、翼盒等大量采用碳纖維復(fù)合材料，占結(jié)構(gòu)總量的 65% 以上；歐洲空中客車公司研發(fā)的Zephyr無人機(jī)，翼展為 25 m，由于采用了碳纖維復(fù)合材料機(jī)身，飛機(jī)重量僅為75 kg，輕巧的結(jié)構(gòu)使Zephyr無人機(jī)能在21 340 m的高空攜帶重達(dá)23 kg的有效載荷，創(chuàng)造了42 d無人飛行的持續(xù)時間紀(jì)錄。我國第一架全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體的無人試驗機(jī)為“雷鳥”（LN60F），采用氫燃料電池動力，機(jī)身高2.2 m，機(jī)身長 4.7 m，翼展為 10.5 m，起飛質(zhì)量為 257 kg，巡航速度為120 km/h，續(xù)航時間為4 h。中國“翼龍”無人機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，機(jī)身全部采用碳纖維復(fù)合材料，因其能足夠穩(wěn)定，除了用于偵查和打擊犯罪，還被廣泛應(yīng)用于民用和科研領(lǐng)域，曾參與災(zāi)情巡查、反毒緝私、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、大氣成分研究、復(fù)雜地形勘探、高空氣象觀測、農(nóng)田藥物噴灑和森林防火等多個領(lǐng)域的任務(wù)。

目前，該機(jī)已經(jīng)出口到阿聯(lián)酋和烏茲別克斯坦等國。

[1]閆麗君.無人機(jī)用碳纖維復(fù)合材料的性能及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2023(12):46-49.