碳纖維織物在無人機上的應用

  微小型無人飛行器通常具有以下特點:重量輕(起飛重量一般不超過7kg),載荷較小,飛行高度低(不高于500m),速度慢(0-300km/h),續航時間通常較短,動力系統較弱等。但由于起降場地小,飛行作業環境復雜,則又要求飛機具有一定抗毀傷能力。目前,主流的微小型飛行器包括固定翼飛機和多旋翼飛機,以及小型旋翼直升機。

  傳統的微小型無人機通常采用輕木結構框架,表面加以熱縮蒙皮,或者是采用EPP等材質發泡成型;對多旋翼而言,機體通常采用鋁合金型材,或者塑料。這些材料雖然重量輕,但是極易在外力作用下形變,抗毀傷能力不強,也就造成了使用壽命有限。于是,碳纖維增強樹脂等材料便成為了更好的選擇。

  碳纖維一般不單獨使用,常被加工成織物、氈、席、帶、紙等,作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成復合材料。碳纖維織物是碳纖維重要的應用形式之一。按照碳纖維織物中紗線的取向, 碳纖維織物可分為單向織物、雙向織物(分平紋、斜紋和緞紋) 和多軸向織物。上述3種形式的碳纖維織物在目前市場上應用較為廣泛, 主要應用形式有浸膠和無浸膠兩大類。

  對于小型飛行器,大面積應用碳纖維材料的部位在機翼,機翼既要承受全機的載荷,氣動升力和阻力,也要承受拉力,扭力,剪切力等,這些力作用在機翼的各個方向上。顯然,單向碳纖維織物并不能滿足要求,雙向織物便成了最佳的選擇,造價合理,且工藝相對簡單。因此,對于小型固定翼飛行器,在機翼部位選擇使用單層雙向編織碳纖維布,即可滿足機翼的強度需求。

  碳纖維有大絲束和小絲束之分,按照每束碳纖維絲所含的單絲數目,以K為1000根:常用的可分為1K、3K、12K、24K、48K等等。顯然,單絲數目越多,單位長度的重量也就越大,強度也對應會升高。小型飛行器的重量要求十分苛刻,有限的電池容量、更多的任務載荷等的種種原因,使得每減輕一克重量,飛行性能都可能會得到巨大的提升。所以,復合材料在小型飛行器上的一大使命,便是減重。

  以日本東邦公司生產的HTA40型1K碳纖維絲為例,其拉伸強度為3800MPa,模量為238GPa,以此纖維絲編程成的1K碳纖維布,重量約80-120g/㎡,單就數據而言,單層織物即可可以滿足機翼等部位的需求。而如果使用展寬碳纖維布,則可進一步降低重量。因此,在小型無人機的復合材料選擇上,以小絲束,重量輕的纖維織物最佳。

  隨著復合材料在航空、航天領域應用的越來越廣泛,小型無人機上也越來越多的采用碳纖維復合材料。江蘇博實碳纖維科技有限公司在碳纖維領域有著十余年的定制經驗,能夠為客戶提供定制服務,如果您有需求,可直接與我司技術聯系。