中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究

段国晨 赵景丽 李欣

摘 要 研究测试了不同国产碳纤维预浸料的力学性能，包括0°、90°压缩性能。0°压缩强度最大1171MPa，压缩模量130GPa，90°压缩强度最大可达187MPa，压缩模量最大可达9.34GPa，而T800国产碳纤维的性能更加优异。结果表明，目前国产T700碳纤维预浸料压缩性能可以满足中小型无人机设计性能，能够应用于中小型无人机结构的设计和生产。

关键词 无人机；复合材料；国产化；力学性能

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

纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀等特性，在航空、航天、汽车、船舶、医用、体育等方面应用越来越广泛。2019年，全球碳纤维需求量达到了10.19万吨［1-3］，航空航天占用量的22.68%。合理的设计可以大幅度减轻结构重量，提高机体的综合性能，增加任务载荷，提高续航时间等。B787复合材料占飞机结构重量高达50%，A400M大型军用运输机復合材料用量超过35%，而无人机结构几乎达到全复合材料，包括机身、机翼、尾撑、舵面等等［4-9］。在武器装备研制过程中，选用过多的进口器材，会给未来发展带来一定的隐患和制约。所以对国产化的复合材料进行研究和应用，具有深远的意义。为了适应发展需求，国内生产碳纤维及预浸料的厂家也越来越多，例如航天703所、中航复材、中复神鹰、江苏恒神、精密集团以及光威集团等。对国产材料力学性能的深入研究，能够推动材料厂商的材料开发以及加快国产碳纤维材料在中小型无人机上的设计应用。

2 试验部分

2.1 试验原料

试验的主要原料如表1所示。

2.2 试验仪器和设备

试验的主要仪器和设备如表2所示。

2.3 试验环境

温度23℃±2℃、湿度50%RH±10%RH；

2.4 测试标准

ASTM D 6641-16“采用组合加载压缩（CLC）试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的试验方法”；

2.5 试验方法

所有试验件在试验前均在标准试验环境（温度23℃±2℃、湿度50%RH±10%RH）下至少放置24h。

压缩试验参照ASTM D6641-16标准实施，试验在±100kN试验机上进行，具体试验步骤如下：

（1）在试样中心位置背靠背的粘贴2个应变计，如图1所示；

（2）将试样对中安装在试验夹具内，试验夹具上的夹紧螺钉的拧紧力矩为3N·m；

（3）以 1.3mm/min 的加载速率对试样施加压缩载荷直到试样破坏，连续采集试样的载荷-应变数据，并记录破坏载荷和破坏模式；

（4）根据采集的载荷-应变数据进行数据处理，压缩模量在1000με-3000με的纵向应变区间内测量。

3 试验结果

3.1 碳纤维0°压缩性能分析

对4个预浸料厂家的中温固化碳纤维预浸料0°压缩性能进行测试，破坏模式为工作段内横向破坏（LGM）和夹持内破坏（CIT），如图2所示。4种国产预浸料的0°压缩性能如表3-表6所示。从表中可知，703所的单向带预浸料（T700S-12K/602B-34-UD135-1000） 压缩强度可以达到1213MPa，拉伸模量125GPa；中航复材单向带预浸料（ZT7G/LT-03A） 压缩强度可以达到1173MPa，拉伸模量132GPa；山东启辰单向带预浸料（CQ-C125/CQ1209-1000） 压缩强度可以达到1140MPa，拉伸模量120GPa；江苏恒神单向带预浸料（EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000） 压缩强度可以达到1075MPa，拉伸模量115GPa。经过对比，几种国产预浸料的拉伸强度与进口材料拉伸性能相当，703所最高，可达1213MPa。

3.2 碳纤维90°压缩性能分析

对4个预浸料厂家的中温固化碳纤维预浸料90°压缩性能进行测试，破坏模式为端头压破坏（HAT），如图2所示。4种国产预浸料的90°压缩性能如表7-表10所示。从表中可知，703所的单向带预浸料（T700S-12K/602B-34-UD135-1000）压缩强度可以达到112MPa，模量9.34GPa；中航復材单向带预浸料（ZT7G/LT-03A） 压缩强度可以达到187MPa，拉伸模量8.9GPa；山东启辰单向带预浸料（CQ-C125/CQ1209-1000） 压缩强度可以达到159MPa，拉伸模量8.69GPa；江苏恒神单向带预浸料（EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000） 压缩强度可以达到131MPa，拉伸模量9.16GPa。经过对比，几种国产预浸料的压缩强度与进口材料性能相当，中航复材最高，可达187MPa。

4 结语

本文测试了几种国产碳纤维预浸料的0°压缩性能、90°压缩性能，了解其破坏模式，优异的性能能够满足中小型无人机结构性能设计。

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