無人機技術自誕生以來，輕量化一直是該研發領域追求的目標，碳纖維復合材料與傳統金屬材料相比，具有質量輕、強度高、耐疲勞等優點，因此碳纖維復合材料在無人機上的應用成為無人機領域主要的研究方向。碳纖維復合材料應用于無人機結構件的制造，能極大地改善和提高無人機的性能。近年來，世界各國在無人機制造中大量使用碳纖維復合材料，使用量占其結構總量的60%～80%，可使機體減重25%以上。碳纖維樹脂基復合材料是應用最廣泛的碳纖維復合材料，由碳纖維與樹脂復合而成，可增強機體的結合程度，提升材料的力學性能。采用環氧樹脂基對碳纖維進行鋪層設計，并采用有限元分析碳纖維樹脂基復合產品，證實其具有優異的力學性能。碳纖維復合材料作為一種特殊材料，其加工需要采用特殊的工藝。

我國碳纖維復合材料的研發起步雖然較晚，但是經過科研工作者多年的努力，已擁有生產碳纖維復合材料的自主產權，并且應用碳纖維復合材料制造的無人機在農林植保、電力巡檢、地理測繪、航拍等領域得到成熟的應用。

二、性能特點

碳纖維具有較高的強度和剛度，基體能通過碳纖維與基體間的界面傳遞應力，因此碳纖維復合材料的力學性能與其他材料相比有明顯的優勢，其力學性能指標包括拉伸強度、剪切強度和彎曲強度等。碳纖維復合材料的拉伸強度高于傳統的金屬材料，通常在 1 000～3 000 MPa。碳纖維復合材料的比強度和比模量很高，這與碳纖維的原絲類型和纖維在基體中的排列方式有關，其拉伸破壞方式屬于脆性破壞。

碳纖維復合材料剪切強度可達110 MPa，同時具有層間剪切強度，能抵抗材料分層的能力，這是金屬材料不具備的性能。碳纖維復合材料具有高剪切強度主要是因為碳纖維和基體之間形成緊密的界面結合，纖維和基體的協同作用使材料的整體能有效地抵抗剪切力。

碳纖維復合材料在彎曲負荷下抗破壞的能力較強，其彎曲強度和彎曲模量均高于鋁合金，彎曲強度通常在 200～400 MPa，彎曲強度的大小與材料的組成、纖維的含量和纖維的方向有很大的關系。

無人機技術的應用越來越廣泛，對無人機載荷的要求也越來越高，在空間不變的情況下，無人機的結構件材料成為提高載荷的關鍵。在無人機上應用碳纖維復合材料可減輕機身重量、增加有效荷載、提高飛行的安全性，因此成為無人機的主力材料。具體性能需求如下：

目前的小型無人機可分為表演用無人機、偵察用無人機、農用無人機、氣象無人機、測繪無人機等，這些無人機通過代替人工作業實現了降本增效。為了執行多樣化的任務，無人機的載荷越來越大，無人機結構件的很多部位都采用碳纖維復合材料制造，如機身、旋翼、機翼、舵面、發動機部件等，碳纖維復合材料可有效降低無人機的重量，提高無人機的總體性能、飛行穩定性、動力性能及操控性能。碳纖維復合材料的應用可通過降低機體結構質量，達到增大載荷、延長飛行距離和續航時間的目的。碳纖維無人機的外殼采用一體化成型技術大面積一次性成型，減少緊固件的使用，在減輕機身重量的同時，降低了生產成本。此外，碳纖維復合材料的抗腐蝕性和耐熱性能良好，可滿足無人機在各種環境下的飛行要求，采用碳纖維復合材料開發的吸波涂層，還可減少電磁波對機身外形的反射。

碳纖維復合材料的結構構型設計靈活多變，其中三明治夾芯結構是一種重要的結構減重方法，該方法以碳纖維增強復合材料作為蒙皮，形成碳纖維—芯材—碳纖維的復合夾芯結構。這種三明治夾芯結構在保持力學性能的同時能顯著減輕重量，在一定程度上降低了無人機的制造成本。

無人機上使用碳纖維復合材料約占結構總質量的60%~80%，對無人機結構輕質化、小型化和高性能化起到了至關重要的作用。美國“全球鷹”無人偵察機的機翼、翼梁、翼盒等大量采用碳纖維復合材料，占結構總量的 65% 以上；歐洲空中客車公司研發的Zephyr無人機，翼展為 25 m，由于采用了碳纖維復合材料機身，飛機重量僅為75 kg，輕巧的結構使Zephyr無人機能在21 340 m的高空攜帶重達23 kg的有效載荷，創造了42 d無人飛行的持續時間紀錄。我國第一架全碳纖維復合材料結構機體的無人試驗機為“雷鳥”（LN60F），采用氫燃料電池動力，機身高2.2 m，機身長 4.7 m，翼展為 10.5 m，起飛質量為 257 kg，巡航速度為120 km/h，續航時間為4 h。中國“翼龍”無人機發展到現在，機身全部采用碳纖維復合材料，因其能足夠穩定，除了用于偵查和打擊犯罪，還被廣泛應用于民用和科研領域，曾參與災情巡查、反毒緝私、生態環境保護、大氣成分研究、復雜地形勘探、高空氣象觀測、農田藥物噴灑和森林防火等多個領域的任務。

目前，該機已經出口到阿聯酋和烏茲別克斯坦等國。

[1]閆麗君.無人機用碳纖維復合材料的性能及應用現狀[J].企業科技與發展,2023(12):46-49.