碳纤维织物在无人机上的应用

  微小型无人飞行器通常具有以下特点:重量轻(起飞重量一般不超过7kg),载荷较小,飞行高度低(不高于500m),速度慢(0-300km/h),续航时间通常较短,动力系统较弱等。但由于起降场地小,飞行作业环境复杂,则又要求飞机具有一定抗毁伤能力。目前,主流的微小型飞行器包括固定翼飞机和多旋翼飞机,以及小型旋翼直升机。

  传统的微小型无人机通常采用轻木结构框架,表面加以热缩蒙皮,或者是采用EPP等材质发泡成型;对多旋翼而言,机体通常采用铝合金型材,或者塑料。这些材料虽然重量轻,但是极易在外力作用下形变,抗毁伤能力不强,也就造成了使用寿命有限。于是,碳纤维增强树脂等材料便成为了更好的选择。

  碳纤维一般不单独使用,常被加工成织物、毡、席、带、纸等,作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式之一。按照碳纤维织物中纱线的取向, 碳纤维织物可分为单向织物、双向织物(分平纹、斜纹和缎纹) 和多轴向织物。上述3种形式的碳纤维织物在目前市场上应用较为广泛, 主要应用形式有浸胶和无浸胶两大类。

  对于小型飞行器,大面积应用碳纤维材料的部位在机翼,机翼既要承受全机的载荷,气动升力和阻力,也要承受拉力,扭力,剪切力等,这些力作用在机翼的各个方向上。显然,单向碳纤维织物并不能满足要求,双向织物便成了最佳的选择,造价合理,且工艺相对简单。因此,对于小型固定翼飞行器,在机翼部位选择使用单层双向编织碳纤维布,即可满足机翼的强度需求。

  碳纤维有大丝束和小丝束之分,按照每束碳纤维丝所含的单丝数目,以K为1000根:常用的可分为1K、3K、12K、24K、48K等等。显然,单丝数目越多,单位长度的重量也就越大,强度也对应会升高。小型飞行器的重量要求十分苛刻,有限的电池容量、更多的任务载荷等的种种原因,使得每减轻一克重量,飞行性能都可能会得到巨大的提升。所以,复合材料在小型飞行器上的一大使命,便是减重。

  以日本东邦公司生产的HTA40型1K碳纤维丝为例,其拉伸强度为3800MPa,模量为238GPa,以此纤维丝编程成的1K碳纤维布,重量约80-120g/㎡,单就数据而言,单层织物即可可以满足机翼等部位的需求。而如果使用展宽碳纤维布,则可进一步降低重量。因此,在小型无人机的复合材料选择上,以小丝束,重量轻的纤维织物最佳。

  随着复合材料在航空、航天领域应用的越来越广泛,小型无人机上也越来越多的采用碳纤维复合材料。江苏博实碳纤维科技有限公司在碳纤维领域有着十余年的定制经验,能够为客户提供定制服务,如果您有需求,可直接与我司技术联系。