&

一文詳細(xì)了解復(fù)合材料在無人機(jī)中的應(yīng)用

2020-04-23 13:47:09 作者：本網(wǎng)整理來源：中科院碳纖維及其復(fù)合材料實驗室、新材料在線分享至：

自從航空事業(yè)起步以來，工程師們一直致力于開發(fā)無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles，縮寫UAVs），以便在不造成人員傷亡的情況下開展軍事行動。

從軍用到民用

無人機(jī)的首次使用是在1849年第一次意大利獨立戰(zhàn)爭期間，當(dāng)時奧地利軍隊使用裝有定時引信控制炸彈的無人駕駛氣球。

盡管全球各地的現(xiàn)代化軍隊對這些無人機(jī)有著廣泛的軍事應(yīng)用，從情報到?jīng)_突地區(qū)的行動，但在威尼斯“無人機(jī)”轟炸170年后，這些無人機(jī)已經(jīng)從軍事用途轉(zhuǎn)移到民用用途。

目前，世界各地的政府、私營公司和個人都在使用這些系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和執(zhí)法，改善物流，甚至拍攝令人嘆為觀止的照片或視頻。

減輕無人機(jī)重量

重于空氣的飛機(jī)、無線電控制和視頻等技術(shù)的發(fā)展，幫助我們建造了像MQ-1“捕食者”或DJI“幻影”無人機(jī)這樣的標(biāo)志性飛機(jī)，并增加了公眾對無人機(jī)的興趣。目前，無人機(jī)在未來的航空，特別是軍事應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。

然而，由于無人機(jī)往往比傳統(tǒng)飛機(jī)小，燃料容量有限，其飛行時間往往大大低于有人駕駛的同類飛機(jī)。當(dāng)考慮到運(yùn)載工具的有效載荷時，這個問題變得更加嚴(yán)重，有效載荷的范圍可能從一組地獄火導(dǎo)彈到民用小型攝像機(jī)。

為了改善這一點，飛機(jī)的輕量化至關(guān)重要，在無人機(jī)的建造中，使用常規(guī)航空航天材料，如鋁6061-T6，可能不是一個可行的設(shè)計選擇。因此，復(fù)合材料在無人機(jī)的設(shè)計和制造中起著核心作用。

復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有不同物理或化學(xué)性質(zhì)的成分（基體/粘合劑和增強(qiáng)纖維）加工而成的材料。當(dāng)這些材料組合在一起時，新材料具有不同于單個部件的特性。

通常，載荷由增強(qiáng)纖維（70-90%的載荷）承擔(dān)，而剛度和形狀由基體提供，而且基體可將載荷傳遞給纖維，并通過隔離纖維阻止或減緩裂紋的擴(kuò)展，從而使單個元件可以單獨發(fā)揮作用。

但是，在使用復(fù)合材料時，最重要的特征之一是，其機(jī)械性能（如強(qiáng)度）通常取決于施加荷載的方向。這些材料以混凝土和泥磚的形式使用了數(shù)千年，并且木材和骨頭是天然的復(fù)合材料。

復(fù)合材料在航天工業(yè)中的歷史

復(fù)合材料對航空航天工業(yè)而言并不陌生，早在20世紀(jì)40年代，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）就開始進(jìn)入海洋工業(yè)。1944年，第一架帶有復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)的飛機(jī)在美國起飛，這是一架經(jīng)過實驗改進(jìn)的Vulete BT-15。

1960年初，復(fù)合材料以預(yù)浸料的形式使用，預(yù)浸料由一系列預(yù)先浸漬環(huán)氧樹脂的纖維增強(qiáng)塑料（FRP）組成。AV-8B鷂式飛機(jī)的機(jī)翼和前機(jī)身以及A-320的尾部，以及歐洲戰(zhàn)斗機(jī)2000等其他軍用飛機(jī)都可以看到這樣的例子。

最近，空客將復(fù)合材料的使用率從標(biāo)志性的A380的25%提高到新A350 XWB的53%。波音也做了同樣的事情：777飛機(jī)的12%的結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料制成的，現(xiàn)在他們最新的飛機(jī)787由50%的復(fù)合材料組成。這使得787的重量減少了20%，并且由于減少了腐蝕和疲勞的風(fēng)險，減少了計劃和非常規(guī)維護(hù)。

利用復(fù)合材料設(shè)計無人機(jī)

這種復(fù)合材料的使用在無人機(jī)行業(yè)中得到了體現(xiàn)。2009年，composite world對200個模型進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所有模型都具有復(fù)合材料組件，許多案例報告了使用碳纖維建造機(jī)身的情況。

然而，對有效載荷能力和無人機(jī)性能的需求增加，使得工業(yè)界轉(zhuǎn)而采用另一種復(fù)合材料來建造無人機(jī)結(jié)構(gòu)：碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），它現(xiàn)在是無人機(jī)機(jī)身建造中使用的主要材料。一般來說，碳纖維復(fù)合材料使用熱固性樹脂，熱固性樹脂在加熱時固化，與碳纖維結(jié)合作為主要的結(jié)構(gòu)成分。這使得這種材料比玻璃纖維復(fù)合材料更輕，也更堅固，即使與金屬相比也是如此。

無人機(jī)設(shè)計的未來

據(jù)復(fù)合材料世界（composite world）統(tǒng)計，在2007年和2008年，為支持無人機(jī)生產(chǎn)了231和247公噸復(fù)合材料，預(yù)計2018年，市場將生產(chǎn)738公噸機(jī)身結(jié)構(gòu)。

隨著無人機(jī)在民用和軍用領(lǐng)域的市場份額不斷增加，對更具機(jī)動性、有效載荷的無人機(jī)的需求將不斷增加，而復(fù)合材料在這些新型飛機(jī)的開發(fā)中起著至關(guān)重要的作用。

將熔融沉積建模（FDM）和激光燒結(jié)（LS）等增材制造技術(shù)與復(fù)合材料結(jié)合使用，將有助于開發(fā)更有效的用于安全和軍事目的的無人機(jī)。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。