1.引言

　　航空工業需要開發用于航天器、宇航服和衛星技術的先進材料。近年來，在對提高性能、效率和可持續性的不懈追求的推動下，航空航天材料可實現多種進步，包括降低成本、減輕重量、提高強度、增強韌性、提高耐用性并降低燃料消耗。碳纖維復合材料編織層壓板就是這樣一種備受關注的材料，尤其是由于其出色的強度重量比和在航空領域的超輕應用潛力。20 世紀 60 年代，美國國家航空航天局 (NASA) 開始探索碳復合材料在航空航天領域的應用。1963 年，波音 727 在垂直穩定器和方向舵中采用了碳復合材料。15年后，通用動力公司的F-16戰斗機采用了碳纖維增強復合材料機翼。在商用層面，許多飛機在重要部件中加入了碳復合材料，例如空中客車 A310 是第一架在 1983 年將碳復合材料納入垂直尾翼的商用飛機，又或是1995 年采用復合材料尾翼部件（包括水平穩定器和垂直尾翼）的波音 777。2011 年推出的波音 787 夢想飛機在機身、機翼和尾翼上大量使用碳復合材料，標志著一個重要的里程碑，碳復合材料也為軍用飛機做出了巨大貢獻。洛克希德·馬丁公司于 2005 年推出的 F-22 猛禽戰斗機的主要結構部件采用了碳復合材料，從而減輕了重量并提高了機動性。類似地，洛克希德·馬丁公司的 F-35 Lightning II 在 2006 年大量采用了碳復合材料，纖維增強層壓板和聚合物 CFRP（碳纖維增強聚合物）幾乎占據了機身重量的35%。與此同時，碳纖維復合材料對無人機市場產生了重大影響，在減輕重量方面帶來了顯著的進步，與鋁等傳統材料相比，這提高了無人機的性能，包括飛行時間、機動性和有效載荷能力。碳復合材料還表現出優異的抗疲勞、腐蝕和環境條件性能，提高了無人機的可靠性和使用壽命，同時降低了維護要求。

　　新型碳基復合材料在航空航天應用中的有效性是通過大量測試、分析和認證的嚴格過程來驗證的。驗證過程的第一步是材料特性，通過測試碳復合材料以評估其機械性能，例如拉伸強度、彎曲強度和抗沖擊性。第二步是通過有限元分析或 FEA 模擬碳基復合材料在各種負載條件下的結構行為。FEA 有助于評估諸如固有頻率、應力分布、變形和故障模式等因素，為復合材料性能提供有價值的見解。之后，為了確保新復合材料的有效性，還需對其進行全面的結構測試。最后一步是滿足嚴格的認證要求并遵守行業法規，包括機械性能、制造工藝、結構完整性和安全性。對于無人機來說，驗證其投入使用后的維護和修理也很重要。

　　本文介紹的新型超輕碳基復合材料 (ULCC)專為航空領域的超輕應用而設計，聚焦于無人機 (UAV) 市場。因此對其進行了機械性能和結構模擬研究。研究分為兩部分：首先，評估編織層壓板的機械性能；其次，通過 FE 模型評估其是否適合集成到下一代飛機設計中，以實現前所未有的燃油效率和性能水平。ULCC 的機械特性與兩種不同的碳纖維復合編織層壓板：T300 /環氧樹脂和T1000 /環氧樹脂進行了比較。通過有限元模型對新設計的無人機的不同部件進行了比較，從而得出此種先進復合材料的潛在優勢。

　　近年來，無人駕駛飛行器（UAV）的使用率顯著增加。UAV因為能夠輕松進入人類難以到達的區域而備受關注。TERSA 項目旨在開發起飛重量低于50 公斤的 SAPR（遙控飛機系統）的電力推進技術。該項目的預期成果是顯著提高陸地和海上監視、數據收集的雙重作戰能力，以及融入民航交通的能力。該項目有兩種配置，一種是傳統固定翼，一種是垂直起降固定翼，這兩種配置都配備電力推進系統和感知與避讓 (S&A) 系統，可以直接將飛機并入空中交通。該項目制造出了一種新型碳纖維材料，以用來滿足許多要求：機械性能、與碳氫化合物的兼容性；在極低溫度下或者在很寬的溫度范圍內保持穩定的性能；避免在聚合物基質內產生微裂紋等。

2.1 .材料

　　此種重量極輕的預浸料織物密度為65 g/m2，環氧樹脂含量為47%，以確保性能、成本和污染排放的平衡。所用材料是預浸碳纖維和環氧樹脂基質。在最常見的樹脂體系（如乙烯基酯、聚酯等）中，環氧樹脂雖然價格較貴，但機械性能最佳。此外，還采用了預浸漬織物層，需要通過溫度和壓力來激活和鞏固層壓板的聚合過程。進一步的測試包括材料的機械特性測試（對特定樣品的破壞性測試）、動態機械分析（DMA），這是一種通過測量固化樣品的應變或應力來分析其動力學特性的技術，敲擊檢查與超聲波（US）檢查（都是用于快速檢測可能的分層現象）等。

2.2 .均質化

　　為了更好地比較，將航空航天工業中常用的T300/環氧樹脂和T1000/環氧樹脂材料與這種材料進行了對比。采用混合法則測量這些復合材料的機械性能，并采用材料數據表中報告的相同體積百分比：纖維和基體的體積分數分別為Vf = 0.55和Vm = 0.45。T300/環氧樹脂和T1000/環氧樹脂的性能由供應商提供，而ULCC的性能則通過混合法則確定。表1為均質復合材料的機械性能。

表1復合材料的機械性能

　　本測試使用了有限元（FE）模型分析，以檢驗使用三種復合材料（T300/環氧樹脂、T1000/環氧樹脂和ULCC）制造的結構的動態特性。進行自由振動測試旨在測試組件的整體動態行為（包括幾何形狀、層壓板、材料等），以驗證飛機設計，而不僅僅測試此種復合材料的特性。選取了三個不同結構元件的模型，每個元件分別使用這三種材料進行單獨檢查（這些元件的CAD模型如圖1所示）。所研究的三個元件為：

1.吊臂內側支撐

2.吊臂外側支撐

3.電動馬達鼻架

　　前兩項分別代表無人機吊臂的內支撐和外支撐，第三項代表無人機電動動力系統的機頭。此類部件必須考慮高強度和剛度。本次測試使用ABAQUS 軟件進行。

　　表2為內吊臂支撐的前 6 個自然頻率。當使用 ULCC 材料時，可以觀察到最高頻率，并且剛度結構組件的剛度會大幅增加。這是因為 ULCC 在保持相同密度的情況下與其他材料相比具有最高的彈性模量。ULCC 材料的彈性模量比傳統的 T300/環氧樹脂高 87.5%，而密度僅增加約 1.5%。前 6 個模態形狀的圖形表示如下圖 2。

　　本結構部件應與內側支撐配合支撐吊臂。因此，兩個不同幾何形狀的部件應具有相似的動態特性。事實上，正如表3頻率與之前表 2的頻率規律一致。在本例中，ULCC 也表現出更高的剛度和結構模態形狀。

圖3.吊臂外側支撐組件的前六階模態

　　最后分析的部件是無人機電力傳動系統的機頭框架支撐結構。這種結構的形狀是錐形殼與圓形板的組合，圓形板用螺栓固定在頂部開孔的錐體底部。前 6 個自然頻率列于表4，使用 ULCC 的效果在高模態下尤其明顯，此時差異約為+36%。前 6 個模態形狀已列在圖 4。其中，邊界條件對當前結構的影響清晰可見。

　　新型超輕碳基復合材料 (ULCC)已被用于航空工業。將 ULCC 與兩種常用于飛機的傳統材料（即 T300/環氧樹脂和 T1000/環氧樹脂）進行了比較分析，結果表明，新型 ULCC 具有更高的剛度和更低的密度，在航空航天應用領域具有優勢。為了進一步評估在行業中實施 ULCC 的可行性，采用有限元模型進行驗證。研究結果表明，作為航空工業的創新材料，新型 ULCC材料應用前景廣闊，它可以減輕飛機的整體重量、提高性能特征并產生積極的經濟影響。未來，研究重點將會落在使用新型 ULCC 生產物理樣本上，并進一步將其推向市場。

編譯自《復合材料 C 部分：open access》第 14 卷，2024 年 7 月，100447

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