无人机用碳纤维复合材料的性能及应用现状＊

闫丽君

（吕梁职业技术学院，山西吕梁 032300）

0 引言

无人机技术自诞生以来，轻量化一直是该研发领域追求的目标，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有质量轻、强度高、耐疲劳等优点，因此碳纤维复合材料在无人机上的应用成为无人机领域主要的研究方向［1］。碳纤维复合材料应用于无人机结构件的制造，能极大地改善和提高无人机的性能。近年来，世界各国在无人机制造中大量使用碳纤维复合材料，使用量占其结构总量的60%～80%，可使机体减重25%以上［2］。碳纤维树脂基复合材料是应用最广泛的碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂复合而成，可增强机体的结合程度，提升材料的力学性能。韩艳霞［3］采用环氧树脂基对碳纤维进行铺层设计，并采用有限元分析碳纤维树脂基复合产品，证实其具有优异的力学性能。碳纤维复合材料作为一种特殊材料，其加工需要采用特殊的工艺。刘向等［4］研究一种新型的无人机机翼一体成型技术，采用该技术的机翼表面均匀性好、平整度高、不易断裂，提高了机翼的整体性及使用寿命。我国碳纤维复合材料的研发起步虽然较晚，但是经过科研工作者多年的努力，已拥有生产碳纤维复合材料的自主产权，并且应用碳纤维复合材料制造的无人机在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等领域得到成熟的应用。

1 碳纤维的制备过程

碳纤维是高分子有机母体纤维在特定条件下进行热解制得到的一种新型纤维状材料，其含碳量在90%以上。目前，碳纤维工业化生产采用的母体纤维主要有聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青纤维和粘胶纤维，由这三大纤维生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。沥青基碳纤维虽然碳化收率高、原料来源丰富、成本低，但是强度较低，因此其应用受到一定的限制；粘胶基碳纤维不仅制造工艺复杂，而且碳化收率低、产量小，成本相对较高；聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品具备优异的力学性能，因此应用广泛，在市场中占据主流地位。聚丙烯腈基碳纤维的制备过程分为预氧化、碳化、石墨化3个阶段。

1.1 预氧化阶断（第一阶段）

PAN原丝的预氧化一般在180～300 ℃的空气中进行。此时，PAN 大分子链形成环状结构和梯形结构，使原丝在高温条件下不熔不燃，始终处于纤维状，从而保持热力学的稳定状态。原丝在预氧化过程中会对纤维施加适当张力牵伸抑制收缩，以维持大分子链对纤维轴向的择优取向。在当前的工业化生产中，预氧化普遍采用的是梯度升温法。

1.2 碳化阶段（第二阶段）

碳化是在400～1 900 ℃的高纯氮氛围中进行，该阶段纤维中大量的氮、氢、氧等非碳元素被脱除，纤维中含碳量达90%以上，PAN 纤维的有机高分子由预氧化阶段形成的梯形结构转变为乱层石墨结构（如图1所示），同时纤维的强度和模量大幅度地提高。

1.3 石墨化阶段（第三阶段）

石墨化是在2 500～3 000 ℃的温度下、用高纯氩气做保护的密封装置中进行的，其目的是使纤维中无定型的二维乱层结构向三维有序结构转化，从而提高碳纤维的弹性模量［5］。

碳纤维一般以束状存在，图2为放大后的碳纤维束断裂面示意图，从图2可以看出，碳纤维束是由一根根的纤维丝构成。经过数倍放大后，碳纤维丝截面如图3所示，单根纤维轴向表面粗糙，包含许多不规则的凹槽，这些不规则的凹槽与碳纤维的生产方式有很大关系。碳纤维丝表面的不规则凹槽增大了与基体材料的接触面积，增强了纤维界面的结合力。碳纤维丝的横截面是不平整的，直径通常为5～10 μm。

图2 碳纤维束断裂面

图3 碳纤维丝截面

碳纤维丝按产品规格的不同分为小丝束和大丝束，单位通常以k 计，1 k 相当于1 束碳纤维中含有1 000 根碳纤维丝，丝束数量小于24 k 的称为小丝束，大于24 k 的称为大丝束。大丝束碳纤维具有较高的强度和刚度，适用于制作大型构件，生产工艺相对小丝束更简单，通常是大规模生产，因而成本较低；小丝束碳纤维具有较高的韧性和抗冲击性，适于制作小型构件或高端应用。

2 碳纤维复合材料的性能

碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强体，与树脂、陶瓷、金属或其他基体材料复合而成的高新材料，因其轻质、高强度、耐腐蚀、耐高温等优点而被广泛应用于不同领域。

根据基体的不同，碳纤维复合材料可分为5种类型，各类型的主要特点见表1。其中，碳纤维树脂基复合材料比模量、比强度相当高，因此占据了碳纤维复合材料市场近90%的份额。

表1 碳纤维复合材料的类型及特点

2.1 力学性能

碳纤维具有较高的强度和刚度，基体能通过碳纤维与基体间的界面传递应力，因此碳纤维复合材料的力学性能与其他材料相比有明显的优势，其力学性能指标包括拉伸强度、剪切强度和弯曲强度等。

碳纤维复合材料的拉伸强度高于传统的金属材料，通常在1 000～3 000 MPa。碳纤维复合材料的比强度和比模量很高，这与碳纤维的原丝类型和纤维在基体中的排列方式有关，其拉伸破坏方式属于脆性破坏。

碳纤维复合材料剪切强度可达110 MPa，同时具有层间剪切强度，能抵抗材料分层的能力，这是金属材料不具备的性能。碳纤维复合材料具有高剪切强度主要是因为碳纤维和基体之间形成紧密的界面结合，纤维和基体的协同作用使材料的整体能有效地抵抗剪切力。

碳纤维复合材料在弯曲负荷下抗破坏的能力较强，其弯曲强度和弯曲模量均高于铝合金，弯曲强度通常在200～400 MPa，弯曲强度的大小与材料的组成、纤维的含量和纤维的方向有很大的关系。

2.2 热烧灼性能

碳纤维复合材料进行热烧灼时，其阻燃性是非金属材料中等级最高的，达到FV0；同时，发烟量级别为ZA1（准安全一级），说明其烟气无毒。碳纤维复合材料优良的热烧灼性能使其在高温环境下也能保持稳定的化学性能和机械性能，不会产生过多的烟雾和有毒物质，可应用于一些高要求的场景中。

2.3 热物理性能

碳纤维复合材料的热膨胀系数通常高于无机非金属材料，但低于普通金属材料。碳纤维复合材料的比热容高，能储存大量的热能，在高温下温升较小，有利于维持其力学性能；此外，其导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。在实际应用中，为充分发挥碳纤维复合材料的优势，可通过优化和改进其性能，提高材料的可靠性，以满足不同应用场景的需求。

3 无人机用碳纤维复合材料的要求

无人机技术的应用越来越广泛，对无人机载荷的要求也越来越高，在空间不变的情况下，无人机的结构件材料成为提高载荷的关键。在无人机上应用碳纤维复合材料可减轻机身重量、增加有效荷载、提高飞行的安全性，因此成为无人机的主力材料。

3.1 质轻且强度高

无人机飞行作业时要适应各种飞行环境和飞行条件，小型化、轻量化对无人机的性能和效率影响巨大。碳纤维复合材料比重轻，仅为钢材重量的1/4，可降低无人机的整体重量和结构占用空间，同时具有出色的强度和刚度。

3.2 耐腐蚀性

无人机在工作中会遇到各种复杂的环境，碳纤维复合材料的化学稳定性高，不易受到化学物质的侵蚀，在各种腐蚀环境下仍能保持稳定性和安全性，提高了无人机的使用寿命，降低了维护和更换成本。

3.3 耐高温性

无人机在工作过程中常常需要面对高温环境，碳纤维复合材料可在高温环境下保持较好的力学性能。在高温环境下，碳纤维复合材料的物理变化较小，对温度变化的敏感度较低，不会产生蠕变和疲劳现象，连续及长时间的使用对性能几乎没有影响，飞机外部结构的完整性和稳定性得到了保障，飞机的寿命也因此得到提高［6］。

3.4 抗电磁干扰

随着无人机应用场景不断扩大，其面临的电磁干扰环境越来越复杂。碳纤维复合材料具有较好的抗电磁干扰能力，可有效提高无人机的电磁兼容性。具体来说，碳纤维复合材料对电磁干扰的吸收能力较强，电磁干扰防护能力优于传统金属材料，较强的抗磁干扰能力可提高无人机的稳定性和可靠性。

4 碳纤维复合材料在无人机上的应用现状

目前的小型无人机可分为表演用无人机、侦察用无人机、农用无人机、气象无人机、测绘无人机等，这些无人机通过代替人工作业实现了降本增效。为了执行多样化的任务，无人机的载荷越来越大，无人机结构件的很多部位都采用碳纤维复合材料制造，如机身、旋翼、机翼、舵面、发动机部件等，碳纤维复合材料可有效降低无人机的重量，提高无人机的总体性能、飞行稳定性、动力性能及操控性能。

碳纤维复合材料的应用可通过降低机体结构质量，达到增大载荷、延长飞行距离和续航时间的目的。碳纤维无人机的外壳采用一体化成型技术大面积一次性成型，减少紧固件的使用，在减轻机身重量的同时，降低了生产成本。此外，碳纤维复合材料的抗腐蚀性和耐热性能良好，可满足无人机在各种环境下的飞行要求，采用碳纤维复合材料开发的吸波涂层，还可减少电磁波对机身外形的反射。

碳纤维复合材料的结构构型设计灵活多变，其中三明治夹芯结构是一种重要的结构减重方法，该方法以碳纤维增强复合材料作为蒙皮，形成碳纤维—芯材—碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时能显著减轻重量，在一定程度上降低了无人机的制造成本［7］。

无人机上使用碳纤维复合材料约占结构总质量的60%～80%，对无人机结构轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。美国“全球鹰”无人侦察机的机翼、翼梁、翼盒等大量采用碳纤维复合材料，占结构总量的65%以上；欧洲空中客车公司研发的Zephyr 无人机，翼展为25 m，由于采用了碳纤维复合材料机身，飞机重量仅为75 kg，轻巧的结构使Zephyr无人机能在21 340 m的高空携带重达23 kg的有效载荷，创造了42 d 无人飞行的持续时间纪录。我国第一架全碳纤维复合材料结构机体的无人试验机为“雷鸟”（LN60F），采用氢燃料电池动力，机身高2.2 m，机身长4.7 m，翼展为10.5 m，起飞质量为257 kg，巡航速度为120 km/h，续航时间为4 h。中国“翼龙”无人机发展到现在，机身全部采用碳纤维复合材料，因其性能足够稳定，除了用于侦查和打击犯罪，还被广泛应用于民用和科研领域，曾参与灾情巡查、反毒缉私、生态环境保护、大气成分研究、复杂地形勘探、高空气象观测、农田药物喷洒和森林防火等多个领域的任务。目前，该机已经出口到阿联酋和乌兹别克斯坦等国。

5 结语

碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、刚度高、耐疲劳、热膨胀系数小等优异性能，碳纤维复合材料适合大规模应用于无人机的结构制造，使无人机在保持高性能的同时，实现轻量化、小型化和高稳定性，同时能提高其耐久性，降低生产成本。采用碳纤维复合材料的无人机可在恶劣环境下长期使用，并且能够执行特殊任务。碳纤维复合材料在提高无人机性能、延长使用寿命及降低成本等方面有突出的优势，其重要价值已经得到广泛的验证。但是，碳纤维复合材料生产工艺复杂，材料费用较高，如何降低其成本在产品成本中的占比，将成为下一步的研究目标。此外，碳纤维复合材料在实现产业化的同时产生了大量的碳纤维复合材料废弃物，如何回收再利用这些废弃物成为亟待解决的问题。