中國粉體網訊 在1000米內的低空空域，能做什么？早高峰打個“飛的”，無人機穿行送快遞？天空更加繁忙的日子或許就要來臨。
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。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。
圖片來源 吉林化纖
1.碳纖維復合材料性能
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，根據基體的不同，碳纖維復合材料可分為5種類型。其中，碳纖維樹脂基復合材料比剛度、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。
碳纖維復合材料的類型及特點
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1000～3000 MPa。碳纖維復合材料的比強度和比剛量很高，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110MPa，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。
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。
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。
2.碳纖維復合材料在低空無人機上的應用現狀
可以說，以碳纖維復合材料為核心的無人機結構設計、制造技術成為無人機發展的關鍵性技術。在機身制造上，由于其輕質的優點可以顯著降低無人機的重量，提升有效載荷，延長續航時長。此外，碳纖維復合材料還可用于制造無人機的旋翼、舵面、電池箱以及機載設備支撐架等部件，充分展現其高比剛度與比強度的優勢。
碳纖維復合材料應用于機身制造
通常情況下，碳纖維復合材料相較于傳統金屬材料，可減輕約25%-30%的重量。以某無人機廠商定制的碳纖維無人機部件為例，據廠商反饋，采用碳纖維材料的無人機整體重量明顯減輕。這一優勢不僅使無人機在攜帶相同設備和能源時能飛行更遠距離，還能延長滯空時間。例如國內碳纖維制品商智上新材為一款大型電動無人飛行器定制的碳纖維復合材料固定翼，該款電動無人機設計航程為 280KM，設計續航時間90分鐘，碳纖維復合材料的翼體設計使其兼具垂直起降和滑行起降模式，通過降低翼體部分的重量減少能耗，滿足長航距、長航時的飛行需求。
碳纖維復合材料應用于機體多部件提升綜合性能
比強度越高的材料，其在保證同等強度的情況下，可以更加輕便，比剛度越高的材料能夠在相同的負載下較小的變形，相比于其它復合材料，在滿足無人機機體相同強度和剛度的前提下，碳纖維復合材料高比強度和高比剛度的特性能夠大大減輕無人機的機身質量，降低無人機的載荷成本，對無人機結構的輕質化、小型化和高性能化意義重大，以確保無人機擁有更長的飛行距離和飛行時間。
無人機使用材料的比強度和比剛度
碳纖維復合材料應用于制造無人機的旋翼、舵面、電池箱、機載設備支撐架等部件。在這些部件中，充分發揮其高比強度和比剛量的優勢，在保證部件性能的同時，進一步降低無人機的整體重量，提高其綜合性能。例如大疆Matrice 600 Pro的旋翼采用碳纖維復合材料，顯著提升了飛行穩定性和抗風能力，適用于專業航拍和工業巡檢。恒神股份開發了碳纖維復合材料無人機多墻式機翼，通過一體成型技術實現輕量化和低成本制造，適用于高性能無人機的舵面設計。光威復材的碳纖維預浸料已應用于多種無人機舵面，提升了舵面的強度和耐久性等。
來源：光威復材
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。
參考來源：
陳紹杰. 無人機上復合材料的應用與研究
孔 娜，王增加，王希杰. 無人機超輕碳纖維復合材料結構件成型技術研究
閆麗君. 無人機用碳纖維復合材料的性能及應用現狀
(中國粉體網編輯整理/月明)
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