中小型無人機(jī)國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料剪切性能研究

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)浸料的剪切性能，包括層間剪切性能和縱橫剪切性能。TT700S層間剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料層間性能達(dá)到81.8 MPa，CQ材料層間性能達(dá)到79.3 MPa，EM118材料層間性能達(dá)到64.5 MPa。T700高溫碳纖維，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到97.3 MPa， T800高溫碳纖維層間剪切強(qiáng)度達(dá)到102 MPa?？v橫剪切性能均高于MTM28進(jìn)口材料。結(jié)果表明，目前國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料力學(xué)性能基本與進(jìn)口材料相當(dāng)，能夠應(yīng)用中小型無人機(jī)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；剪切性能

Shear Performance 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 shear behavior of different domestic carbon fiber prepreg， including interlaminar shear behavior and transverse shear behavior， was studied and tested. The interlaminar shear properties of TT700S， ZT7G， CQ and EM118 are 60.3 MPa， 81.8 MPa， 79.3 MPa and 64.5 MPa respectively. The interlaminar shear strength of T700 high temperature carbon fiber is 97.3MPa， and that of T800 high temperature carbon fiber is 102 MPa. The shear and shear properties are higher than those of MTM28 imported materials. The results show that the mechanical properties of domestic carbon fiber prepreg are similar to those of imported materials， and it can be used in the design and production of small and medium-sized UAV.

KEYWORDS unmanned aerial vehicles（UAV）; composite material; localization; sheering properties

通訊作者：段國晨，男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)闊o人機(jī)樹脂基復(fù)合材料。E-mail：dgc08@163.com

1 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、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］，航空航天達(dá)到用量的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)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)，機(jī)身、機(jī)翼、尾撐、舵面等［4-6］。在武器裝備研制過程中，選用過多的進(jìn)口器材，會(huì)給未來發(fā)展帶來一定的隱患和制約。所以對(duì)國產(chǎn)化的復(fù)合材料進(jìn)行研究和應(yīng)用，具有深遠(yuǎn)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)和光威集團(tuán)等。對(duì)國產(chǎn)材料力學(xué)性能的深入研究，能夠推動(dòng)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)主要原料如表1所示。

2.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器和設(shè)備如表2所示。

2.3 試驗(yàn)環(huán)境

23 ℃±2 ℃，50%RH±10%RH。

2.4 測試標(biāo)準(zhǔn)

ASTM D2344-16 “聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短梁強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”；

ASTM D3518-18 “采用±45°層壓板拉伸試驗(yàn)測量聚合物基復(fù)合材料面內(nèi)剪切響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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）下至少放置了24 h。

2.5.1 層間剪切試驗(yàn)

層間剪切試驗(yàn)參照ASTM D2344-16標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)在±10 kN 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體試驗(yàn)步驟如下。

（1）按4∶1的跨距-厚度比，取試驗(yàn)件的名義厚度計(jì)算跨距，其精度為±0.3 mm，支座半徑均為1.5 mm，加載頭的半徑均為3 mm；

（2）將試驗(yàn)件放入三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具中，將試驗(yàn)件中心對(duì)齊；

（3）以1.0 mm/min的加載速率對(duì)試驗(yàn)件施加壓縮載荷，當(dāng)載荷下降了超過最大載荷的30%，停止試驗(yàn)，記錄最大載荷和破壞模式。

2.5.2 縱橫剪切試驗(yàn)

縱橫剪切試驗(yàn)參照ASTM D3518-18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）在試樣中心按規(guī)定位置背靠背粘貼4 個(gè)應(yīng)變計(jì)，如圖1 所示。

圖1 縱橫剪切試件貼片圖（單位：mm）

（2）將試樣對(duì)中夾持于試驗(yàn)機(jī)的夾頭中，試樣的縱軸與加載方向一致；

（3）以2～5 mm/min的加載速度對(duì)試驗(yàn)件連續(xù)加載至破壞，連續(xù)采集試驗(yàn)件的載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，并記錄破壞載荷和失效模式。

（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，剪切模量在2000 με～6000 με的縱向應(yīng)變區(qū)間內(nèi)測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 層間剪切性能測試與分析

對(duì)4個(gè)預(yù)浸料廠家的中溫固化碳纖維預(yù)浸料層間剪切性能進(jìn)行測試，破壞模式為層間剪切破壞，如圖2（a）所示。4種國產(chǎn)預(yù)浸料的層間剪切性能如表3～表6所示，TT700S層間剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料層間性能達(dá)到81.8 MPa，CQ材料層間性能達(dá)到79.3 MPa，EM118材料層間性能達(dá)到64.5 MPa?？梢缘弥鹤罡呖梢赃_(dá)到81.8 MPa，最低60.3 MPa，而中小型無人機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則層間剪切性能≥60 MPa，均可以替代進(jìn)口材料用于中小型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

同時(shí)研究了T700/T800高溫預(yù)浸料的層間剪切性能，如表7和表8所示。兩種材料同樣的環(huán)氧樹脂體系，表7采用T700碳纖維，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到97.3 MPa，破壞模式為層間剪切破壞，如圖2（a）所示。表8采用是T800碳纖維，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到102 MPa，破壞模式為非彈性變形，如圖2（b）所示。對(duì)比可知，層間剪切性能均遠(yuǎn)高于中溫固化預(yù)浸料，樹脂基復(fù)合材料層間性能弱是自身的劣勢(shì)，對(duì)于層間性能要求較高的結(jié)構(gòu)可以采用這兩種預(yù)浸料。

3.2 縱橫剪切性能測試與分析

5種預(yù)浸材料的縱橫剪切性能如表5-表13所示，破壞模式如圖9所示。T700S材料最大剪強(qiáng)度達(dá)到77.6 MPa，剪切模量達(dá)到4.67 GPa。EM118材料最大剪強(qiáng)度達(dá)到55.8 MPa，剪切模量達(dá)到4.49 GPa。ZT7G材料最大剪強(qiáng)度達(dá)到70.5 MPa，剪切模量達(dá)到4.31 GPa。CQ材料最大剪強(qiáng)度達(dá)到66.1 MPa，剪切模量達(dá)到4.36 GPa。MTM28材料最大剪強(qiáng)度達(dá)到62.3 MPa，剪切模量達(dá)到4.10 GPa。分析可知，T700S材料、ZT7G材料、CQ材料的剪切強(qiáng)度均高于MTM28進(jìn)口材料，國產(chǎn)材料的剪切模量均高于MTM28進(jìn)口材料，所以，僅從剪切性能考慮，4種國產(chǎn)材料均可替代MTM進(jìn)口材料，應(yīng)用于中小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文測試了幾種國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料層間剪切性能和縱橫剪切性能，性能優(yōu)異，可以替代MTM28進(jìn)口材料，能夠滿足中小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］趙渠森，郭恩明.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］李文曉，吳文平．PMI泡沫芯材填充GFRP帽型筋梁彎曲性能研究［J］.工程塑料應(yīng)用.2009，37（1）：56-59.

［3］胡培，陳秀華．PMI泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在A380后壓力框上的應(yīng)用［J］.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造技術(shù).2009（15）：46-49.

［4］趙鵬飛，張?jiān)?，何穎，等．玻璃鋼蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)無人機(jī)機(jī)翼制造，一、工藝方案設(shè)計(jì)［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2001（3）：29-31.

［5］趙鵬飛，張?jiān)?，何穎，等．玻璃鋼蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)無人機(jī)機(jī)翼制造，二、制造工藝過程［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2001（4）：37-39.

［6］段國晨，趙景麗，趙偉超．小型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)身壁板與梁整體制造工藝［J］.中國塑料，2018， 32（8）：92-95.