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一文詳細了解復合材料在無人機中的應用

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

自從航空事業起步以來，工程師們一直致力于開發無人機（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

無人機的首次使用是在1849年第一次意大利獨立戰爭期間，當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。

盡管全球各地的現代化軍隊對這些無人機有著廣泛的軍事應用，從情報到沖突地區的行動，但在威尼斯“無人機”轟炸170年后，這些無人機已經從軍事用途轉移到民用用途。

目前，世界各地的政府、私營公司和個人都在使用這些系統進行監視和執法，改善物流，甚至拍攝令人嘆為觀止的照片或視頻。

減輕無人機重量

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

然而，由于無人機往往比傳統飛機小，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。當考慮到運載工具的有效載荷時，這個問題變得更加嚴重，有效載荷的范圍可能從一組地獄火導彈到民用小型攝像機。

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

復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上具有不同物理或化學性質的成分（基體/粘合劑和增強纖維）加工而成的材料。當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，載荷由增強纖維（70-90%的載荷）承擔，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展，從而使單個元件可以單獨發揮作用。

但是，在使用復合材料時，最重要的特征之一是，其機械性能（如強度）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千年，并且木材和骨頭是天然的復合材料。

復合材料在航天工業中的歷史

復合材料對航空航天工業而言并不陌生，早在20世紀40年代，玻璃纖維增強聚合物（GFRP）就開始進入海洋工業。1944年，第一架帶有復合材料機身結構的飛機在美國起飛，這是一架經過實驗改進的Vulete BT-15。

1960年初，復合材料以預浸料的形式使用，預浸料由一系列預先浸漬環氧樹脂的纖維增強塑料（FRP）組成。AV-8B鷂式飛機的機翼和前機身以及A-320的尾部，以及歐洲戰斗機2000等其他軍用飛機都可以看到這樣的例子。

最近，空客將復合材料的使用率從標志性的A380的25%提高到新A350 XWB的53%。波音也做了同樣的事情：777飛機的12%的結構是由復合材料制成的，現在他們最新的飛機787由50%的復合材料組成。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險，減少了計劃和非常規維護。

利用復合材料設計無人機

這種復合材料的使用在無人機行業中得到了體現。2009年，composite world對200個模型進行了調查，發現所有模型都具有復合材料組件，許多案例報告了使用碳纖維建造機身的情況。

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

無人機設計的未來

據復合材料世界（composite world）統計，在2007年和2008年，為支持無人機生產了231和247公噸復合材料，預計2018年，市場將生產738公噸機身結構。

隨著無人機在民用和軍用領域的市場份額不斷增加，對更具機動性、有效載荷的無人機的需求將不斷增加，而復合材料在這些新型飛機的開發中起著至關重要的作用。

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

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