碳纤维是由有机纤维 (聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶纤维或酚醛纤维等) 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。其含碳量在90%以上, 呈黑色, 具有强度高、比模量高 (强度为钢铁的10倍, 质量仅有铝材的一半) 、质轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦因数小、耐高低温等优越性能,被称为“新材料之王”。
碳纤维及其复合材料广泛应用于航空航天等领域。其中,树脂基碳纤维复合材料可用于制造飞机、卫星、火箭等飞行器的部件, 重量轻而且强度高,抗疲劳性能优良。新一代民用客机例如Boeing787、Airbus350等,飞机结构中复合材料的占比超过了50%,机翼蒙皮等部位大量采用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。复合材料的使用不仅降低了飞机的重量,还增加了使用寿命。因此,在微小型民用无人机领域,复合材料也得到了广泛的应用。
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。所以碳纤维复合材料能够成为微小型无人机的选材。
阅读延伸:《碳纤维复合材料助力飞机实现轻量化》