無人機機翼用復合材料的膠接與性能研究

胡 江，蘇 菠

(廣西警察學院，廣西 南寧 530200)

隨著現代化電子信息技術和材料產業的快速發展，基于小型化、信息化和輕量化[1]的無人機產業迎來了良好發展機遇，這主要是因為：不僅軍用無人機可以應用于高科技戰爭[2]，如通用原子公司制造的MQ-1捕食者無人機，能夠發射AGM-114地獄火空對地導彈；工業無人機和消費無人機還可以應用于農業植保、地質勘探、森林防火、視頻航拍和遙控玩具等領域[3-4]。且由于低人工干預、高自主、高智能科技發展的需要，輕量化無人機也逐漸朝著多元化趨勢方向發展，這就要求現代化無人機具有質量輕、強度高、耐腐蝕、耐輻照等性能[5-7]。其中，碳纖維和鋁合金由于具有較高的比強度、耐腐蝕性能等而成為了無人機機翼用材的首選[8]，然而在使用過程中，碳纖維與鋁合金屬于不同的材料，物理和化學性質方面存在較大差異[9]，需要采用膠接方式實現二者的連接，但是膠接過程中傳統膠接工藝會由于工藝參數控制不當等因素，嚴重影響無人機機翼用碳纖維/鋁板的膠接強度，且膠接過程中還存在穩定性差等問題[10-11]。在此基礎上，本文創新性將超聲振動引入碳纖維/鋁板的膠接工藝中，探索了基于超聲振動的膠接工藝參數對碳纖維/鋁板的膠接強度的影響，結果將有助高膠接強度的無人機機翼用碳纖維/鋁板的膠接工藝開發并推動其在實際工業中的應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括：威海豪仕達碳纖科技有限公司提供的3K-T700碳纖維板，尺寸為102.7mm×26.5mm×2.5mm；西南鋁業股份有限公司提供的7075+Er合金板，尺寸為102.7mm×26.5mm×2.5mm。

1.2 膠接工藝

膠接試樣的尺寸示意圖如圖1所示，膠黏劑為3MDP460型AB膠膠黏劑。膠接過程中控制的膠接工藝參數包括振動時間、振動壓力、振動位置（振動工具頭至鋁板的距離）和振動幅值[12]，選擇4因素5水平正交試驗法研究膠接工藝參數對無人機機翼用碳纖維/鋁板膠接性能的影響，正交試驗見表1。

表1 4因素5水平正交試驗表Table 1 Four factor and five levels horizontal orthogonal test

圖1 無人機機翼用碳纖維/鋁膠接試樣的尺寸示意圖Fig. 1 Dimension diagram of carbon f iber/aluminum adhesive specimen for UAV wing

1.3 測試方法

根據ASTM D5868-01標準，在MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗機上對無人機機翼用碳纖維/鋁板膠接試樣進行拉伸，拉伸速率為5mm/min，溫度為室溫，并記錄破壞時的最大荷載，計算碳纖維/鋁板膠接試樣的膠接強度[13]。采用JSM 6800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察碳纖維/鋁板膠接接頭的斷口形貌。

2 結果與分析

2.1 正交工藝

表2為無人機機翼用碳纖維/鋁膠接試樣的正交試驗結果，以碳纖維/鋁膠接接頭的最大拉伸荷載和膠接強度作為評價指標。

表2 無人機機翼用碳纖維/鋁膠接試樣的正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of carbon fiber/aluminum adhesive specimens for UAV wing

圖2為正交試驗表的均值主效應圖。從正交試驗結果和均值主效應圖可知，在其它膠接工藝參數不變前提下，膠接工藝參數中的振動時間、振動壓力、振動位置和振動幅值都會在一定程度上影響碳纖維/鋁膠接接頭的最大拉伸荷載和膠接強度。

圖2 正交試驗表的均值(膠接強度)主效應圖Fig. 2 The main effect diagram of the mean adhesive strength in the orthogonal test table

表3為正交極差分析結果，其中極差R反映了膠接工藝參數（振動時間、振動壓力、振動位置和振動幅值）對膠接強度的影響，R值越大則表示對應的膠接工藝參數對碳纖維/鋁膠接接頭膠接強度的影響越大[14]。從表3的計算結果可知，對膠接強度影響從大至小的順序為：振動時間＞振動幅值＞振動壓力＞振動位置。對于碳纖維/鋁膠接接頭的膠接工藝而言，振動時間對膠接接頭的影響最大，其次為振動幅值，而振動位置對膠接強度的影響最小。從正交極差分析結果優化得到的碳纖維/鋁膠接接頭的最佳工藝參數為A3B5C3D5，即振動時間23s、振動壓力0.40MPa、振動位置30mm和振動幅值56μm，此時碳纖維/鋁膠接接頭膠接強度最大。

表3 正交極差分析結果Table 3 Results of orthogonal range analysis

2.2 對比驗證

為了進一步證實超聲振動強化對碳纖維/鋁膠接接頭的膠接強度的影響，在不施加超聲振動的條件下，對碳纖維/鋁板進行了膠接，其他工藝參數一樣。將最優工藝下膠接接頭的力學性能作為優化組，不施加超聲振動的膠接接頭的力學性能作為傳統組，對比結果見表4。

表4 優化組與傳統組的力學性能測試結果Table 4 Mechanical property test results of optimization group and traditional group

對比分析可知，傳統組試樣的最大拉伸荷載平均值為4735N，優化組的最大拉伸荷載平均值為6730N，傳統組試樣的膠接強度平均值為7.43MPa，優化組的膠接強度平均值為10.52MPa?？梢?，相較于未施加超聲振動的膠接接頭，正交優化工藝下膠接接頭的最大拉伸荷載平均值提高42.13%，膠接強度平均值提高41.59%。此外，相較于傳統膠接接頭，優化組膠接接頭的膠接強度波動幅度較小，這主要與施加超聲振動處理提高了膠接接頭的穩定性有關[15-17]。

圖3為無人機機翼用碳纖維/鋁膠接接頭的斷口形貌。對比分析可知，傳統組界面處可見較多的孔隙，且斷面處可見明顯裂紋；相較傳統組試樣，優化組斷面孔隙較少，且界面處未發現明顯微裂紋或者裂紋較小，表明在拉伸過程中界面結合力較強，這主要與膠接過程中超聲振動處理有助于降低界面結合處的膠接缺陷[18]、提升膠接質量有關。此外，在超聲振動過程中，膠黏劑在膠接區域的流動與填充會由于超聲振動的存在而取得更好的浸潤效果[19]，膠黏劑與基體的結合更加緊密，有效粘結面積也會更大[20]，膠接強度因此而提升。

圖3 無人機機翼用碳纖維/鋁膠接接頭的斷口形貌Fig. 3 Fracture morphology of carbon fiber/aluminum adhesive joint for UAV wing

3 結論

（1）采用超聲振動方式對無人機機翼用碳纖維/鋁板進行了膠接處理，正交試驗結果表明，對膠接強度影響從大至小的順序為：振動時間＞振動幅值＞振動壓力＞振動位置。

（2）從正交極差分析結果優化得到的碳纖維/鋁膠接接頭的最佳工藝參數為A3B5C3D5，即振動時間23 s、振動壓力0.40 MPa、振動位置30 mm和振動幅值56 μm，此時碳纖維/鋁膠接接頭膠接強度最大。

（3）傳統組試樣的最大拉伸荷載平均值為4735 N，優化組的最大拉伸荷載平均值為6730 N，傳統組試樣的膠接強度平均值為7.43 MPa，優化組的膠接強度平均值為10.52 MPa?？梢姡噍^于未施加超聲振動的膠接接頭，正交優化工藝下膠接接頭的最大拉伸荷載平均值提高42.13%，膠接強度平均值提高41.59%。