無人機用碳纖維復合材料的性能及應用現狀＊

閆麗君

（呂梁職業技術學院，山西呂梁 032300）

0 引言

無人機技術自誕生以來，輕量化一直是該研發領域追求的目標，碳纖維復合材料與傳統金屬材料相比，具有質量輕、強度高、耐疲勞等優點，因此碳纖維復合材料在無人機上的應用成為無人機領域主要的研究方向［1］。碳纖維復合材料應用于無人機結構件的制造，能極大地改善和提高無人機的性能。近年來，世界各國在無人機制造中大量使用碳纖維復合材料，使用量占其結構總量的60%～80%，可使機體減重25%以上［2］。碳纖維樹脂基復合材料是應用最廣泛的碳纖維復合材料，由碳纖維與樹脂復合而成，可增強機體的結合程度，提升材料的力學性能。韓艷霞［3］采用環氧樹脂基對碳纖維進行鋪層設計，并采用有限元分析碳纖維樹脂基復合產品，證實其具有優異的力學性能。碳纖維復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機翼一體成型技術，采用該技術的機翼表面均勻性好、平整度高、不易斷裂，提高了機翼的整體性及使用壽命。我國碳纖維復合材料的研發起步雖然較晚，但是經過科研工作者多年的努力，已擁有生產碳纖維復合材料的自主產權，并且應用碳纖維復合材料制造的無人機在農林植保、電力巡檢、地理測繪、航拍等領域得到成熟的應用。

1 碳纖維的制備過程

碳纖維是高分子有機母體纖維在特定條件下進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，碳纖維工業化生產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，但是強度較低，因此其應用受到一定的限制；粘膠基碳纖維不僅制造工藝復雜，而且碳化收率低、產量小，成本相對較高；聚丙烯腈基碳纖維生產工藝簡單，產品具備優異的力學性能，因此應用廣泛，在市場中占據主流地位。聚丙烯腈基碳纖維的制備過程分為預氧化、碳化、石墨化3個階段。

1.1 預氧化階斷（第一階段）

PAN原絲的預氧化一般在180～300 ℃的空氣中進行。此時，PAN 大分子鏈形成環狀結構和梯形結構，使原絲在高溫條件下不熔不燃，始終處于纖維狀，從而保持熱力學的穩定狀態。原絲在預氧化過程中會對纖維施加適當張力牽伸抑制收縮，以維持大分子鏈對纖維軸向的擇優取向。在當前的工業化生產中，預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90%以上，PAN 纖維的有機高分子由預氧化階段形成的梯形結構轉變為亂層石墨結構（如圖1所示），同時纖維的強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、用高純氬氣做保護的密封裝置中進行的，其目的是使纖維中無定型的二維亂層結構向三維有序結構轉化，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成。經過數倍放大后，碳纖維絲截面如圖3所示，單根纖維軸向表面粗糙，包含許多不規則的凹槽，這些不規則的凹槽與碳纖維的生產方式有很大關系。碳纖維絲表面的不規則凹槽增大了與基體材料的接觸面積，增強了纖維界面的結合力。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

碳纖維絲按產品規格的不同分為小絲束和大絲束，單位通常以k 計，1 k 相當于1 束碳纖維中含有1 000 根碳纖維絲，絲束數量小于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度和剛度，適用于制作大型構件，生產工藝相對小絲束更簡單，通常是大規模生產，因而成本較低；小絲束碳纖維具有較高的韌性和抗沖擊性，適于制作小型構件或高端應用。

2 碳纖維復合材料的性能

碳纖維復合材料是以碳纖維作為增強體，與樹脂、陶瓷、金屬或其他基體材料復合而成的高新材料，因其輕質、高強度、耐腐蝕、耐高溫等優點而被廣泛應用于不同領域。

根據基體的不同，碳纖維復合材料可分為5種類型，各類型的主要特點見表1。其中，碳纖維樹脂基復合材料比模量、比強度相當高，因此占據了碳纖維復合材料市場近90%的份額。

表1 碳纖維復合材料的類型及特點

2.1 力學性能

碳纖維具有較高的強度和剛度，基體能通過碳纖維與基體間的界面傳遞應力，因此碳纖維復合材料的力學性能與其他材料相比有明顯的優勢，其力學性能指標包括拉伸強度、剪切強度和彎曲強度等。

碳纖維復合材料的拉伸強度高于傳統的金屬材料，通常在1 000～3 000 MPa。碳纖維復合材料的比強度和比模量很高，這與碳纖維的原絲類型和纖維在基體中的排列方式有關，其拉伸破壞方式屬于脆性破壞。

碳纖維復合材料剪切強度可達110 MPa，同時具有層間剪切強度，能抵抗材料分層的能力，這是金屬材料不具備的性能。碳纖維復合材料具有高剪切強度主要是因為碳纖維和基體之間形成緊密的界面結合，纖維和基體的協同作用使材料的整體能有效地抵抗剪切力。

碳纖維復合材料在彎曲負荷下抗破壞的能力較強，其彎曲強度和彎曲模量均高于鋁合金，彎曲強度通常在200～400 MPa，彎曲強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系。

2.2 熱燒灼性能

碳纖維復合材料進行熱燒灼時，其阻燃性是非金屬材料中等級最高的，達到FV0；同時，發煙量級別為ZA1（準安全一級），說明其煙氣無毒。碳纖維復合材料優良的熱燒灼性能使其在高溫環境下也能保持穩定的化學性能和機械性能，不會產生過多的煙霧和有毒物質，可應用于一些高要求的場景中。

2.3 熱物理性能

碳纖維復合材料的熱膨脹系數通常高于無機非金屬材料，但低于普通金屬材料。碳纖維復合材料的比熱容高，能儲存大量的熱能，在高溫下溫升較小，有利于維持其力學性能；此外，其導熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優異。在實際應用中，為充分發揮碳纖維復合材料的優勢，可通過優化和改進其性能，提高材料的可靠性，以滿足不同應用場景的需求。

3 無人機用碳纖維復合材料的要求

無人機技術的應用越來越廣泛，對無人機載荷的要求也越來越高，在空間不變的情況下，無人機的結構件材料成為提高載荷的關鍵。在無人機上應用碳纖維復合材料可減輕機身重量、增加有效荷載、提高飛行的安全性，因此成為無人機的主力材料。

3.1 質輕且強度高

無人機飛行作業時要適應各種飛行環境和飛行條件，小型化、輕量化對無人機的性能和效率影響巨大。碳纖維復合材料比重輕，僅為鋼材重量的1/4，可降低無人機的整體重量和結構占用空間，同時具有出色的強度和剛度。

3.2 耐腐蝕性

無人機在工作中會遇到各種復雜的環境，碳纖維復合材料的化學穩定性高，不易受到化學物質的侵蝕，在各種腐蝕環境下仍能保持穩定性和安全性，提高了無人機的使用壽命，降低了維護和更換成本。

3.3 耐高溫性

無人機在工作過程中常常需要面對高溫環境，碳纖維復合材料可在高溫環境下保持較好的力學性能。在高溫環境下，碳纖維復合材料的物理變化較小，對溫度變化的敏感度較低，不會產生蠕變和疲勞現象，連續及長時間的使用對性能幾乎沒有影響，飛機外部結構的完整性和穩定性得到了保障，飛機的壽命也因此得到提高［6］。

3.4 抗電磁干擾

隨著無人機應用場景不斷擴大，其面臨的電磁干擾環境越來越復雜。碳纖維復合材料具有較好的抗電磁干擾能力，可有效提高無人機的電磁兼容性。具體來說，碳纖維復合材料對電磁干擾的吸收能力較強，電磁干擾防護能力優于傳統金屬材料，較強的抗磁干擾能力可提高無人機的穩定性和可靠性。

4 碳纖維復合材料在無人機上的應用現狀

目前的小型無人機可分為表演用無人機、偵察用無人機、農用無人機、氣象無人機、測繪無人機等，這些無人機通過代替人工作業實現了降本增效。為了執行多樣化的任務，無人機的載荷越來越大，無人機結構件的很多部位都采用碳纖維復合材料制造，如機身、旋翼、機翼、舵面、發動機部件等，碳纖維復合材料可有效降低無人機的重量，提高無人機的總體性能、飛行穩定性、動力性能及操控性能。

碳纖維復合材料的應用可通過降低機體結構質量，達到增大載荷、延長飛行距離和續航時間的目的。碳纖維無人機的外殼采用一體化成型技術大面積一次性成型，減少緊固件的使用，在減輕機身重量的同時，降低了生產成本。此外，碳纖維復合材料的抗腐蝕性和耐熱性能良好，可滿足無人機在各種環境下的飛行要求，采用碳纖維復合材料開發的吸波涂層，還可減少電磁波對機身外形的反射。

碳纖維復合材料的結構構型設計靈活多變，其中三明治夾芯結構是一種重要的結構減重方法，該方法以碳纖維增強復合材料作為蒙皮，形成碳纖維—芯材—碳纖維的復合夾芯結構。這種三明治夾芯結構在保持力學性能的同時能顯著減輕重量，在一定程度上降低了無人機的制造成本［7］。

無人機上使用碳纖維復合材料約占結構總質量的60%～80%，對無人機結構輕質化、小型化和高性能化起到了至關重要的作用。美國“全球鷹”無人偵察機的機翼、翼梁、翼盒等大量采用碳纖維復合材料，占結構總量的65%以上；歐洲空中客車公司研發的Zephyr 無人機，翼展為25 m，由于采用了碳纖維復合材料機身，飛機重量僅為75 kg，輕巧的結構使Zephyr無人機能在21 340 m的高空攜帶重達23 kg的有效載荷，創造了42 d 無人飛行的持續時間紀錄。我國第一架全碳纖維復合材料結構機體的無人試驗機為“雷鳥”（LN60F），采用氫燃料電池動力，機身高2.2 m，機身長4.7 m，翼展為10.5 m，起飛質量為257 kg，巡航速度為120 km/h，續航時間為4 h。中國“翼龍”無人機發展到現在，機身全部采用碳纖維復合材料，因其性能足夠穩定，除了用于偵查和打擊犯罪，還被廣泛應用于民用和科研領域，曾參與災情巡查、反毒緝私、生態環境保護、大氣成分研究、復雜地形勘探、高空氣象觀測、農田藥物噴灑和森林防火等多個領域的任務。目前，該機已經出口到阿聯酋和烏茲別克斯坦等國。

5 結語

碳纖維復合材料具有質量輕、強度高、剛度高、耐疲勞、熱膨脹系數小等優異性能，碳纖維復合材料適合大規模應用于無人機的結構制造，使無人機在保持高性能的同時，實現輕量化、小型化和高穩定性，同時能提高其耐久性，降低生產成本。采用碳纖維復合材料的無人機可在惡劣環境下長期使用，并且能夠執行特殊任務。碳纖維復合材料在提高無人機性能、延長使用壽命及降低成本等方面有突出的優勢，其重要價值已經得到廣泛的驗證。但是，碳纖維復合材料生產工藝復雜，材料費用較高，如何降低其成本在產品成本中的占比，將成為下一步的研究目標。此外，碳纖維復合材料在實現產業化的同時產生了大量的碳纖維復合材料廢棄物，如何回收再利用這些廢棄物成為亟待解決的問題。