航模結(jié)構(gòu)材料的選擇與加工(下)

韓宇

航模材料的選擇

一、木材的選取原則

航模用的木材主要分原木和膠合板兩類。原木是樹木在采伐后經(jīng)初步加工而成的材料，接近木材生長時的原始狀態(tài)。根據(jù)樹種不同，木材的密度和受力特性有一定區(qū)別，航模所用木材一般優(yōu)先考慮使用密度較低的種類。由于木材具有紋理特征，因此其受力各向異性，順紋理方向的抗拉壓強度較高、橫紋方向的抗拉壓強度較低。為了改善原木各向異性的特性，人們將木材切成單板，再用膠粘劑粘合成三層或多層板材（各層木材的紋理相互垂直），制成受力特性相對均勻、形狀穩(wěn)定的膠合板。膠合板一般用于航模的結(jié)構(gòu)件，可承擔(dān)多向受力。

航模用輕木板材

航模用桐木板材

用于填充補強的松木

1.原木材料

原木加工時，要先經(jīng)過脫水干噪和防腐處理后，再制成板材，以便進一步切割等二次加工。由于原木人工加工程度較低、紋理清晰、單向受力特性明顯，因此使用時需嚴格控制受力方向。航模上常用的原木材料中，密度由低到高有輕木、桐木、松木、樺木等。

輕木是最輕的商用木材，也是最符合航空工業(yè)輕質(zhì)要求的原木材料。干噪的輕木密度約0.06-0.36克/立方厘米，與其他木材密度相比優(yōu)勢明顯，具有材質(zhì)松軟、紋理均勻、不易變形、易于加工等特點。因輕木結(jié)構(gòu)變異小、體積穩(wěn)定性好，生活中可用于救生胸帶、水上浮標等要求使用小密度材料的情況。制作航模時，輕木常用于受力較小的零部件，是翼肋、水平尾翼、垂直尾翼、翼尖等部位整形和填充的主要材料。此外，輕木也被用于制作夾芯板材料，還有少量輕木層板被用于航模承力結(jié)構(gòu)件的制作。

桐木的密度較輕木略大，經(jīng)干燥處理后，密度為0.2-0.4克/立方厘米。桐木也屬于密度較小的木材，其木紋直而均勻。與輕木相比，桐木相對強度更大，且變形較小。其紋理特點適合用于縱向延伸較長的結(jié)構(gòu)，如桁條、梁緣條等，可承擔(dān)拉壓應(yīng)力。此外，桐木制成的方截面木條還可用于對機身的結(jié)構(gòu)進行加強。在航模制作中，桐木常被用于做機翼前緣條、后緣條、輔梁、翼肋等承力結(jié)構(gòu)。用桐木條貫穿機身，能起到良好的補強作用。由于桐木價格較輕木低很多，且密度較小，因此航模制作中常用其代替輕木結(jié)構(gòu)。

樺木常用于制作模型螺旋槳

松木，是實木家具的原材料之一其密度比以上兩種航模用木材大，強度也更高。用于航模的松木一般為軟松木如東北紅松、西伯利亞紅松等。天然的松木，因?qū)Υ髿鉁囟确磻?yīng)靈敏、容易脹大、難自然風(fēng)干等問題，需經(jīng)人工處理，如烘干、脫脂去除有機化合物、漂白統(tǒng)一樹色、中和樹性等。處理好的松木，不易變形，加工性較輕木和桐木高。經(jīng)干燥脫脂后，松木的密度為0.4-0.7克/立方厘米。其紋理均勻、木質(zhì)細密，具有一定的彈性，主要用于模型的受力件，如機翼主梁、機身縱梁、發(fā)動機架等。在以管材為機身、機翼承力件的模型上管材打孔處強度較弱的部位，可用松木填充補強。這種加強方式在鋁管和碳管中比較常用。

樺木，密度約0.7克/立方厘米，航模制造中也有使用。因其加工性較其他原木略差，一般僅限于工廠加工。樺木切面光滑、油漆和膠合性能好、材質(zhì)堅硬、紋理細密、彈性比松木大、不易變形，可用于制作模型的螺旋槳、發(fā)動機架等受力較大的構(gòu)件，也是膠合板中航空層板的主要原料。

2.膠合板材料

膠合板，也稱層板，包括鍛木層板和航空層板等。膠合板通常為奇數(shù)層單板，是由膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料。相鄰層單板的纖維方向互相垂直，受力特性優(yōu)于原木，但因加入了粘接劑，密度較原木高。

鍛木層板，是由鍛木單板和酚醛膠膜紙壓制而成的膠合板，密度比航空層板小，強度適中、較易加工，常用作機身隔框。在航模設(shè)計制作中，若沒有合適的材料，可用鍛木層板替代桐木、樺木等作為承力結(jié)構(gòu)件。鍛木層板耐氣候、耐水性能優(yōu)于其他木質(zhì)材料，價格又低于輕木、桐木等板材，是性價比較高的材料。筆者曾見到有人在制作航模機體時，除蒙板外的部件均使用椴木層板，整機強度極高，結(jié)構(gòu)重量較大，但也能滿足飛行的基本要求。

大尺寸模型的機身隔框大量使用層板制作

航空層板，是由樺木單板和酚醛膠膜紙壓制而成的膠合板具有良好的耐水、耐氣候、抗震動和優(yōu)良的力學(xué)性能。航空層板常用作翼根部位翼肋（零號肋）、隔框、加強片等需要高強度的部件，其密度約0.8克/立方厘米。早期因缺乏激光切割工具，航空層板常被用于加工機翼翼肋模具，以便倒模量產(chǎn)翼肋。目前，航空層板逐漸被碳纖維復(fù)合材料板材或其他材料取代，更多地被用作工裝等輔助固定材料，在航模結(jié)構(gòu)材料中已不常見。

二、塑料材料的選取原則

現(xiàn)在的模友在入門時，第一架航模往往是由發(fā)泡塑料制造的模型。這類材料以聚苯乙烯為基礎(chǔ)做成，具有成本低廉、抗沖擊性好、容易量產(chǎn)、材料密度小等特點，常見于航模生產(chǎn)廠商批量制造。除發(fā)泡聚乙烯材料外，用于航模的泡沫材料還包括可發(fā)性聚苯乙烯和發(fā)泡聚丙烯等。聚苯乙烯原為建筑外層保溫材料，因其符合小型低速模型對結(jié)構(gòu)材料的要求，故被大量用于航模的制造。下面具體介紹這幾種泡沫塑料材料在航模中的應(yīng)用。

泡沫模型即使因碰撞導(dǎo)致?lián)p壞，也非常容易修復(fù)。

因成本低、易上手，遙控紙飛機深受模友們喜愛。

1.發(fā)泡聚乙烯

發(fā)泡聚乙烯（EPO）是由30%的聚乙烯（PE）和70%的聚苯乙烯（PS）組成的共聚物塑料，日常主要用于精密儀器、電子產(chǎn)品等的外包裝材料，具有良好的緩沖性。因其特殊的制造工藝，使得聚乙烯組分主要分布在粒子的外層，促進了顆粒之間的塑化和結(jié)合;聚苯乙烯組分主要分布在粒子的內(nèi)部，對泡沫結(jié)構(gòu)具有較強的支撐作用。這種結(jié)構(gòu)可以保證良好的造形能力，沖擊后不會產(chǎn)生碎裂和碎屑，表觀質(zhì)量好、抗沖擊性出色，特別是在多次跌落中能一直保持較高的抗沖擊性能。目前，市場上超過60%的航模練習(xí)機采用EPO材料制造。這類模型即使因碰撞墜機發(fā)生損壞，采用廉價的熱熔膠就能快速對結(jié)構(gòu)進行粘接修復(fù)，非常適合外場維修。例如常見的翼展1米左右的固定翼模型，若降落時操縱不當(dāng)導(dǎo)致發(fā)動機架出現(xiàn)較大損壞，木質(zhì)航模至少需要2小時才能修好，甚至因結(jié)構(gòu)損壞嚴重?zé)o法修復(fù);而EPO材質(zhì)的模型，最多只需半小時就可修好復(fù)飛。

2.其他發(fā)泡塑料材料

可發(fā)性聚苯乙烯板（EPS），是一種與EPO對比鮮明的材料，主要用作建筑保溫板建材。不同于EPO，這種材料在外力的沖擊下極易碎裂，并產(chǎn)生碎屑。EPS材料密度較大，但硬度比EPO好，在航模的應(yīng)用中相對較少。

全國錦標賽上的競賽級F3P室內(nèi)特技機使用D板制作

發(fā)泡聚丙烯（EPP），密度小、彈性好、抗震抗壓效果明顯、變形后易恢復(fù)、耐酸、耐堿、耐各種化學(xué)溶劑，而且它與水不相融、耐潮濕，無毒，可完全循環(huán)利用，且性能幾乎沒有降低。EPP材料的主要缺點是表面粗糙，因此常見于室內(nèi)飛行的小型航模，很少被用在大型舟亢模上。

發(fā)泡板，俗稱KT板，是由聚苯乙烯發(fā)泡生成芯材，再用外覆膜壓合而成的材料。其板體輕、不易變質(zhì)、易于加工，廣泛用于廣告展示促銷、建筑裝飾、文化藝術(shù)及包裝等方面。航模愛好者借鑒木材的加工方法，發(fā)掘出這種易于加工的塑料材料，用于各種簡易航模的制作。目前最常見的是被俗稱為“紙飛機”的航模，它由KT板制成，結(jié)構(gòu)簡單、組裝容易、成本低廉，深受廣大愛好者的喜愛。也有航模愛好者甚至一些模型廠商，借鑒木質(zhì)模型的制作工藝，用KT板制成各種像真機和表演機，其飛行性能也能達到EPO材料航模的標準。

此外，近幾年又出現(xiàn)了一種被稱為Depron板（也稱D板）的新材料。它也是一種聚苯乙烯材料，發(fā)泡均勻、重量輕、韌性和強度都很高，非常適合模型制作。而且它比EPP加工方便、修復(fù)容易，在國外日漸成為一種主流的模型制作材料。但因其價格較貴，在國內(nèi)的應(yīng)用不如KT板廣泛。

碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)越的力學(xué)性能被譽為“黑色黃金”

三、復(fù)合材料的選取原則

復(fù)合材料在航模中的使用范圍相對較小，以碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料為主。

從應(yīng)用的角度講，復(fù)合材料是一種剛性和強度較傳統(tǒng)材料更高的輕型材料。在不考慮成本的情況下，航模的結(jié)構(gòu)材料中，絕大部分都可由碳纖維復(fù)合材料及玻璃纖維復(fù)合材料板材、管材代替。隨著復(fù)合材料加工成本逐漸降低，其在航模制造中的應(yīng)用越來越多。其中用量最大的碳纖維具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、強度高、密度小等優(yōu)點。尤其是與木質(zhì)材料對比，碳纖維材料優(yōu)勢明顯。如果將一架全木質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型用強度相當(dāng)?shù)奶祭w維復(fù)合材料替換，全機減重可達40%。

目前，很多專業(yè)競技級比賽、航拍攝影、舞臺表演以及科研領(lǐng)域中所用的模型大都采用多種不同類型的材料進行制作，如泡沫芯+玻璃鋼殼（碳纖維螺旋槳）、木框架+玻璃鋼殼（固定翼模型機身承力結(jié)構(gòu)），甚至完全使用碳纖維材料等。高檔航模，以及小型無人機的機體大量使用復(fù)合材料，如專業(yè)的F3A模型機體、模型直升機的頭罩和外殼等，均由玻璃纖維復(fù)合材料制成;大型模型直升機的機身側(cè)板、尾管和旋翼，則大都由碳纖維復(fù)合材料制造。這些復(fù)合材料部件通常由工廠的專業(yè)模具和制造設(shè)備批量生產(chǎn)，可在尺寸、重量、強度等方面達到最優(yōu)。

機體完全使用碳纖維材料制作的F1C模型滑翔機

模型直升機上大量使用碳纖維復(fù)合材料。其機架、尾管分別為碳板和碳管。從破損的主槳葉能清楚地看到，它采用了碳纖維夾泡沫芯結(jié)構(gòu)。

航模材料的加工制備

以下內(nèi)容僅涉及個人、航模社團、航模隊等對材料進行二次加工時應(yīng)注意的問題，針對各種木質(zhì)板材及碳纖維復(fù)合材料等的加工制備，筆者給模友們一些建議。

一、木材板材的加工

對于喜歡自己動手制作模型的愛好者來說，激光雕刻機是必備的加工制造設(shè)備，它可以對木質(zhì)板材和較薄的玻璃纖維復(fù)合材料等板材進行切割加工。常用的激光雕刻機可通過調(diào)整燒蝕速度和燒蝕功率，對不同材料進行切割，但加工的板材厚度一般小于5毫米。加工時影響切割質(zhì)量的主要因素來源于設(shè)備、圖紙和材料本身。

對同一種材料進行大批量加工前，應(yīng)注意首先調(diào)整好雕刻機的激光刀高，確保對焦點與材料切割高度一致。刀高一般應(yīng)保持在距離切割材料4-6毫米之間。正式切割前，可以先進行“試刀”，即用邊角料對運行速度和功率進行調(diào)整，以保證切割質(zhì)量。新機器安裝完成或進行零件更換后，都要再次“試刀”，將不同材料、厚度對應(yīng)的運行速度、功率及刀高進行標定，以作為之后大批量加工的參考。

圖紙最小尺寸通常為毫米。但由于激光點在對焦到材料上時具有一定寬度，因此要在切割前對切割材料進行偏刀寬處理，偏移量一般為0.5倍激光點寬度，約0.1毫米。早期雕刻機的配套軟件不具備自動偏刀寬功能，有些具有孔結(jié)構(gòu)的圖紙也不適合自動偏刀寬，這時就要對圖紙進行偏移操作，人為進行刀寬偏移。

實際切割時還會遇到一些問題。以木材為例，對原木（包括輕木、桐木板材等）和膠合板（包括鍛木層板、航空層板等）進行切割時，操作中會存在較大差異。切割原木時，雕刻機功率較小、速度較快，木質(zhì)很容易被激光氣化;而若放慢切割速度，會導(dǎo)致木材炭化，嚴重時甚至?xí)鼓静娜紵Ｇ懈钅z合板時，功率應(yīng)較原木更大，速度也需調(diào)慢。值得注意的是，膠合板外觀也具有紋理方向，與原木類似，應(yīng)注意承受拉應(yīng)力的方向，選好切割方向。在加工過程中，要考慮材料的燒蝕問題。即使偏刀寬調(diào)整合適，切割面仍然會存在炭化現(xiàn)象，粘接前要用細砂紙將浮炭打磨掉，露出原木的顏色。較薄的板材可以一次性切削成形，而較厚的板材燒蝕更加嚴重，如果單次切割，切割面將呈現(xiàn)梯形，影響精度。為此，在保證刀寬的情況下，可考慮高速多次切削。另一種解決措施是選用較薄的材料切割出多片零件，再用粘接劑將它們粘接在一起。只要保證粘接強度足夠，這樣也可以達到與厚板材相當(dāng)?shù)膹姸取５辰觿┠毯螅芏容^木材高，會導(dǎo)致重量增加，影響模型的飛行性能。

常用的激光雕刻機

用復(fù)合材料制作機體

二、碳纖維復(fù)合材料的加工

碳纖維復(fù)合材料主要分為碳纖維布和碳纖維型材（包括板材和管材）兩類。嚴格意義上講，碳纖維布屬于纖維材料，加工程度低，要通過樹脂粘接劑加工后才能稱為復(fù)合材料。模型上很多造型復(fù)雜的復(fù)合材料部件，要依靠模具進行加工，即將纖維布鋪設(shè)在模具上，涂抹樹脂粘接劑后進行烘烤成形，這種加工好的部件才屬于復(fù)合材料范疇。而碳纖維板材和管材，則是商品級的復(fù)合材料。

用纖維布自制復(fù)合材料時，需要掌握加工過程中樹脂粘接劑的使用。樹脂粘接劑一般分為雙組分和三組分，主劑是有機大分子、具有活性的樹脂，輔劑則包括固化劑、促進劑、增塑劑等添加成分。纖維材料包括碳纖維材料、玻璃纖維材料、芳綸纖維材料、石棉纖維材料等。以雙組分環(huán)氧樹脂粘接劑為例其適用于碳纖維、玻璃纖維和木質(zhì)纖維等材料的粘接。根據(jù)固化劑用量不同，在常溫條件下，固化時長在兩小時至幾十小時不等。通過烤箱加熱或紫外線燈光照射，可縮短固化時間。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，碳纖維布經(jīng)定型和樹脂均勻涂刷，在80℃烤箱中烘烤，可將2小時的固化時間縮短至40分鐘。樹脂粘接劑還可用于粘接木質(zhì)結(jié)構(gòu)，即使是關(guān)鍵的連接部位，也能滿足可靠性要求。但木質(zhì)纖維內(nèi)有一定的水分，用樹脂粘接時要嚴格控制固化劑用量。若用量過高，會導(dǎo)致局部木質(zhì)纖維失水變形。用量偏差超過4%，還可能因固化熱導(dǎo)致木材達到燃點。因此，僅在可靠性要求很高的地方，才會采用雙組分或多組分樹脂粘接木質(zhì)纖維材料，且最好用支架固定，在常溫下固化。考慮到存在安全隱患，使用樹脂粘接劑時，建議配套使用大口徑醫(yī)用針頭或精度0.1克以上的電子稱，按照使用說明配置。

各種規(guī)格與形狀的碳纖維管材

碳纖維板材的加工程度較高，在使用過程中與木質(zhì)板材類似。為滿足特定需求，愛好者采購商用碳纖維板材和管材后，可使用數(shù)控銑床和砂輪再加工。數(shù)控銑床的工作方式與激光雕刻機類似，也要導(dǎo)入AutoCAD圖紙。不同之處是，碳纖維復(fù)合材料由銑刀高速切削，刀寬偏移量更大，要根據(jù)銑刀頭直徑而定。銑刀頭直徑隨板材厚度增加而增大，板材厚度超過2毫米時，通常采用2一3毫米的銑刀頭加工。

以上，筆者依次對木材、泡沫塑料、復(fù)合材料等常見的航模結(jié)構(gòu)材料做了梳理，分析了航模對這些材料的要求，并根據(jù)實際制作經(jīng)驗。對不同材料的選取原則及加工制備方法做了介紹，希望能對愛好者在航模的選材與制作方面提供參考。如有不當(dāng)之處，歡迎指正。