無人機(jī)用碳纖維復(fù)合材料的性能及應(yīng)用現(xiàn)狀＊

閆麗君

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西呂梁 032300）

0 引言

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(diǎn)，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［1］。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［2］。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。韓艷霞［3］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(shí)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。劉向等［4］研究一種新型的無人機(jī)機(jī)翼一體成型技術(shù)，采用該技術(shù)的機(jī)翼表面均勻性好、平整度高、不易斷裂，提高了機(jī)翼的整體性及使用壽命。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。

1 碳纖維的制備過程

碳纖維是高分子有機(jī)母體纖維在特定條件下進(jìn)行熱解制得到的一種新型纖維狀材料，其含碳量在90%以上。目前，碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)采用的母體纖維主要有聚丙烯腈（PAN）纖維、瀝青纖維和粘膠纖維，由這三大纖維生產(chǎn)出的碳纖維分別稱為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。瀝青基碳纖維雖然碳化收率高、原料來源豐富、成本低，但是強(qiáng)度較低，因此其應(yīng)用受到一定的限制；粘膠基碳纖維不僅制造工藝復(fù)雜，而且碳化收率低、產(chǎn)量小，成本相對較高；聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品具備優(yōu)異的力學(xué)性能，因此應(yīng)用廣泛，在市場中占據(jù)主流地位。聚丙烯腈基碳纖維的制備過程分為預(yù)氧化、碳化、石墨化3個階段。

1.1 預(yù)氧化階斷（第一階段）

PAN原絲的預(yù)氧化一般在180～300 ℃的空氣中進(jìn)行。此時，PAN 大分子鏈形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)和梯形結(jié)構(gòu)，使原絲在高溫條件下不熔不燃，始終處于纖維狀，從而保持熱力學(xué)的穩(wěn)定狀態(tài)。原絲在預(yù)氧化過程中會對纖維施加適當(dāng)張力牽伸抑制收縮，以維持大分子鏈對纖維軸向的擇優(yōu)取向。在當(dāng)前的工業(yè)化生產(chǎn)中，預(yù)氧化普遍采用的是梯度升溫法。

1.2 碳化階段（第二階段）

碳化是在400～1 900 ℃的高純氮氛圍中進(jìn)行，該階段纖維中大量的氮、氫、氧等非碳元素被脫除，纖維中含碳量達(dá)90%以上，PAN 纖維的有機(jī)高分子由預(yù)氧化階段形成的梯形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬y層石墨結(jié)構(gòu)（如圖1所示），同時纖維的強(qiáng)度和模量大幅度地提高。

1.3 石墨化階段（第三階段）

石墨化是在2 500～3 000 ℃的溫度下、用高純氬氣做保護(hù)的密封裝置中進(jìn)行的，其目的是使纖維中無定型的二維亂層結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從而提高碳纖維的彈性模量［5］。

碳纖維一般以束狀存在，圖2為放大后的碳纖維束斷裂面示意圖，從圖2可以看出，碳纖維束是由一根根的纖維絲構(gòu)成。經(jīng)過數(shù)倍放大后，碳纖維絲截面如圖3所示，單根纖維軸向表面粗糙，包含許多不規(guī)則的凹槽，這些不規(guī)則的凹槽與碳纖維的生產(chǎn)方式有很大關(guān)系。碳纖維絲表面的不規(guī)則凹槽增大了與基體材料的接觸面積，增強(qiáng)了纖維界面的結(jié)合力。碳纖維絲的橫截面是不平整的，直徑通常為5～10 μm。

圖2 碳纖維束斷裂面

圖3 碳纖維絲截面

碳纖維絲按產(chǎn)品規(guī)格的不同分為小絲束和大絲束，單位通常以k 計，1 k 相當(dāng)于1 束碳纖維中含有1 000 根碳纖維絲，絲束數(shù)量小于24 k 的稱為小絲束，大于24 k 的稱為大絲束。大絲束碳纖維具有較高的強(qiáng)度和剛度，適用于制作大型構(gòu)件，生產(chǎn)工藝相對小絲束更簡單，通常是大規(guī)模生產(chǎn)，因而成本較低；小絲束碳纖維具有較高的韌性和抗沖擊性，適于制作小型構(gòu)件或高端應(yīng)用。

2 碳纖維復(fù)合材料的性能

碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維作為增強(qiáng)體，與樹脂、陶瓷、金屬或其他基體材料復(fù)合而成的高新材料，因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

根據(jù)基體的不同，碳纖維復(fù)合材料可分為5種類型，各類型的主要特點(diǎn)見表1。其中，碳纖維樹脂基復(fù)合材料比模量、比強(qiáng)度相當(dāng)高，因此占據(jù)了碳纖維復(fù)合材料市場近90%的份額。

表1 碳纖維復(fù)合材料的類型及特點(diǎn)

2.1 力學(xué)性能

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?yàn)樘祭w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。

2.2 熱燒灼性能

碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熱燒灼時，其阻燃性是非金屬材料中等級最高的，達(dá)到FV0；同時，發(fā)煙量級別為ZA1（準(zhǔn)安全一級），說明其煙氣無毒。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)良的熱燒灼性能使其在高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的化學(xué)性能和機(jī)械性能，不會產(chǎn)生過多的煙霧和有毒物質(zhì)，可應(yīng)用于一些高要求的場景中。

2.3 熱物理性能

碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)通常高于無機(jī)非金屬材料，但低于普通金屬材料。碳纖維復(fù)合材料的比熱容高，能儲存大量的熱能，在高溫下溫升較小，有利于維持其力學(xué)性能；此外，其導(dǎo)熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。在實(shí)際應(yīng)用中，為充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢，可通過優(yōu)化和改進(jìn)其性能，提高材料的可靠性，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

3 無人機(jī)用碳纖維復(fù)合材料的要求

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。

3.1 質(zhì)輕且強(qiáng)度高

無人機(jī)飛行作業(yè)時要適應(yīng)各種飛行環(huán)境和飛行條件，小型化、輕量化對無人機(jī)的性能和效率影響巨大。碳纖維復(fù)合材料比重輕，僅為鋼材重量的1/4，可降低無人機(jī)的整體重量和結(jié)構(gòu)占用空間，同時具有出色的強(qiáng)度和剛度。

3.2 耐腐蝕性

無人機(jī)在工作中會遇到各種復(fù)雜的環(huán)境，碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性高，不易受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在各種腐蝕環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性和安全性，提高了無人機(jī)的使用壽命，降低了維護(hù)和更換成本。

3.3 耐高溫性

無人機(jī)在工作過程中常常需要面對高溫環(huán)境，碳纖維復(fù)合材料可在高溫環(huán)境下保持較好的力學(xué)性能。在高溫環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料的物理變化較小，對溫度變化的敏感度較低，不會產(chǎn)生蠕變和疲勞現(xiàn)象，連續(xù)及長時間的使用對性能幾乎沒有影響，飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性得到了保障，飛機(jī)的壽命也因此得到提高［6］。

3.4 抗電磁干擾

隨著無人機(jī)應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大，其面臨的電磁干擾環(huán)境越來越復(fù)雜。碳纖維復(fù)合材料具有較好的抗電磁干擾能力，可有效提高無人機(jī)的電磁兼容性。具體來說，碳纖維復(fù)合材料對電磁干擾的吸收能力較強(qiáng)，電磁干擾防護(hù)能力優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，較強(qiáng)的抗磁干擾能力可提高無人機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 碳纖維復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

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(shí)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［7］。

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(yàn)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，因其性能足夠穩(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。

5 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度高、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維復(fù)合材料適合大規(guī)模應(yīng)用于無人機(jī)的結(jié)構(gòu)制造，使無人機(jī)在保持高性能的同時，實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化和高穩(wěn)定性，同時能提高其耐久性，降低生產(chǎn)成本。采用碳纖維復(fù)合材料的無人機(jī)可在惡劣環(huán)境下長期使用，并且能夠執(zhí)行特殊任務(wù)。碳纖維復(fù)合材料在提高無人機(jī)性能、延長使用壽命及降低成本等方面有突出的優(yōu)勢，其重要價值已經(jīng)得到廣泛的驗(yàn)證。但是，碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，材料費(fèi)用較高，如何降低其成本在產(chǎn)品成本中的占比，將成為下一步的研究目標(biāo)。此外，碳纖維復(fù)合材料在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的同時產(chǎn)生了大量的碳纖維復(fù)合材料廢棄物，如何回收再利用這些廢棄物成為亟待解決的問題。