中小型無人機(jī)中溫固化碳纖維材料壓縮性能研究

段國晨 趙景麗 李欣

摘 要 研究測試了不同國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料的力學(xué)性能，包括0°、90°壓縮性能。0°壓縮強(qiáng)度最大1171MPa，壓縮模量130GPa，90°壓縮強(qiáng)度最大可達(dá)187MPa，壓縮模量最大可達(dá)9.34GPa，而T800國產(chǎn)碳纖維的性能更加優(yōu)異。結(jié)果表明，目前國產(chǎn)T700碳纖維預(yù)浸料壓縮性能可以滿足中小型無人機(jī)設(shè)計(jì)性能，能夠應(yīng)用于中小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)；復(fù)合材料；國產(chǎn)化；力學(xué)性能

Compression Performance Study of Localization of

Carbon Fiber Composite for Unmanned Aerial Vehicles

DUAN Guochen1，2，ZHAO Jingli2，LI Xin2

（1.North Western Polytechnic University， Xian 710072;

2.ASN technology group， Xian 710065）

ABSTRACT The mechanical properties of different domestic carbon fiber prepreg， including 0°/90° tensile properties， 0°/90° compression properties were tested. The maximum compression strength of 0° is 1171MPa， the compression modulus is 130GPa， the maximum compression strength of 90° is 187MPa， the maximum compression modulus is 9.34GPa， and the performance of T800 domestic carbon fibers is more excellent. The results show that the compression performance of domestic T700 carbon fiber prepreg can meet the design performance of small and medium-sized UAV， and can be applied to the design and production of small and medium-sized UAV structure.

KEYWORDS unmanned aerial vehicles（UAV）; composite material; localization; compression performance

1 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、船舶、醫(yī)用、體育等方面應(yīng)用越來越廣泛。2019年，全球碳纖維需求量達(dá)到了10.19萬噸［1-3］，航空航天占用量的22.68%。合理的設(shè)計(jì)可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，提高機(jī)體的綜合性能，增加任務(wù)載荷，提高續(xù)航時(shí)間等。B787復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量高達(dá)50%，A400M大型軍用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料用量超過35%，而無人機(jī)結(jié)構(gòu)幾乎達(dá)到全復(fù)合材料，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾撐、舵面等等［4-9］。在武器裝備研制過程中，選用過多的進(jìn)口器材，會給未來發(fā)展帶來一定的隱患和制約。所以對國產(chǎn)化的復(fù)合材料進(jìn)行研究和應(yīng)用，具有深遠(yuǎn)的意義。為了適應(yīng)發(fā)展需求，國內(nèi)生產(chǎn)碳纖維及預(yù)浸料的廠家也越來越多，例如航天703所、中航復(fù)材、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、精密集團(tuán)以及光威集團(tuán)等。對國產(chǎn)材料力學(xué)性能的深入研究，能夠推動材料廠商的材料開發(fā)以及加快國產(chǎn)碳纖維材料在中小型無人機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)的主要原料如表1所示。

2.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

試驗(yàn)的主要儀器和設(shè)備如表2所示。

2.3 試驗(yàn)環(huán)境

溫度23℃±2℃、濕度50%RH±10%RH；

2.4 測試標(biāo)準(zhǔn)

ASTM D 6641-16“采用組合加載壓縮（CLC）試驗(yàn)夾具測量聚合物基復(fù)合材料層壓板壓縮性能的試驗(yàn)方法”；

2.5 試驗(yàn)方法

所有試驗(yàn)件在試驗(yàn)前均在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境（溫度23℃±2℃、濕度50%RH±10%RH）下至少放置24h。

壓縮試驗(yàn)參照ASTM D6641-16標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)在±100kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）在試樣中心位置背靠背的粘貼2個(gè)應(yīng)變計(jì)，如圖1所示；

（2）將試樣對中安裝在試驗(yàn)夾具內(nèi)，試驗(yàn)夾具上的夾緊螺釘?shù)臄Q緊力矩為3N·m；

（3）以 1.3mm/min 的加載速率對試樣施加壓縮載荷直到試樣破壞，連續(xù)采集試樣的載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，并記錄破壞載荷和破壞模式；

（4）根據(jù)采集的載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，壓縮模量在1000με-3000με的縱向應(yīng)變區(qū)間內(nèi)測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 碳纖維0°壓縮性能分析

對4個(gè)預(yù)浸料廠家的中溫固化碳纖維預(yù)浸料0°壓縮性能進(jìn)行測試，破壞模式為工作段內(nèi)橫向破壞（LGM）和夾持內(nèi)破壞（CIT），如圖2所示。4種國產(chǎn)預(yù)浸料的0°壓縮性能如表3-表6所示。從表中可知，703所的單向帶預(yù)浸料（T700S-12K/602B-34-UD135-1000） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到1213MPa，拉伸模量125GPa；中航復(fù)材單向帶預(yù)浸料（ZT7G/LT-03A） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到1173MPa，拉伸模量132GPa；山東啟辰單向帶預(yù)浸料（CQ-C125/CQ1209-1000） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到1140MPa，拉伸模量120GPa；江蘇恒神單向帶預(yù)浸料（EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到1075MPa，拉伸模量115GPa。經(jīng)過對比，幾種國產(chǎn)預(yù)浸料的拉伸強(qiáng)度與進(jìn)口材料拉伸性能相當(dāng)，703所最高，可達(dá)1213MPa。

3.2 碳纖維90°壓縮性能分析

對4個(gè)預(yù)浸料廠家的中溫固化碳纖維預(yù)浸料90°壓縮性能進(jìn)行測試，破壞模式為端頭壓破壞（HAT），如圖2所示。4種國產(chǎn)預(yù)浸料的90°壓縮性能如表7-表10所示。從表中可知，703所的單向帶預(yù)浸料（T700S-12K/602B-34-UD135-1000）壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到112MPa，模量9.34GPa；中航復(fù)材單向帶預(yù)浸料（ZT7G/LT-03A） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到187MPa，拉伸模量8.9GPa；山東啟辰單向帶預(yù)浸料（CQ-C125/CQ1209-1000） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到159MPa，拉伸模量8.69GPa；江蘇恒神單向帶預(yù)浸料（EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000） 壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到131MPa，拉伸模量9.16GPa。經(jīng)過對比，幾種國產(chǎn)預(yù)浸料的壓縮強(qiáng)度與進(jìn)口材料性能相當(dāng)，中航復(fù)材最高，可達(dá)187MPa。

4 結(jié)語

本文測試了幾種國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料的0°壓縮性能、90°壓縮性能，了解其破壞模式，優(yōu)異的性能能夠滿足中小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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