中小型無人機國產碳纖維復合材料剪切性能研究

段國晨 趙景麗 李欣

摘 要 研究測試了不同國產碳纖維預浸料的剪切性能，包括層間剪切性能和縱橫剪切性能。TT700S層間剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料層間性能達到81.8 MPa，CQ材料層間性能達到79.3 MPa，EM118材料層間性能達到64.5 MPa。T700高溫碳纖維，層間剪切強度達到97.3 MPa， T800高溫碳纖維層間剪切強度達到102 MPa?？v橫剪切性能均高于MTM28進口材料。結果表明，目前國產碳纖維預浸料力學性能基本與進口材料相當，能夠應用中小型無人機的設計和生產。

關鍵詞 無人機；復合材料；國產化；剪切性能

Shear Performance of Localization of Carbon Fiber

Composite for Unmanned Aerial Vehicles

DUAN Guochen1，2，ZHAO Jingli2， LI Xin2

（1. North Western Polytechnic University， Xian 710072;? 2.ASN technology group， Xian 710065）

ABSTRACT The shear behavior of different domestic carbon fiber prepreg， including interlaminar shear behavior and transverse shear behavior， was studied and tested. The interlaminar shear properties of TT700S， ZT7G， CQ and EM118 are 60.3 MPa， 81.8 MPa， 79.3 MPa and 64.5 MPa respectively. The interlaminar shear strength of T700 high temperature carbon fiber is 97.3MPa， and that of T800 high temperature carbon fiber is 102 MPa. The shear and shear properties are higher than those of MTM28 imported materials. The results show that the mechanical properties of domestic carbon fiber prepreg are similar to those of imported materials， and it can be used in the design and production of small and medium-sized UAV.

KEYWORDS unmanned aerial vehicles（UAV）; composite material; localization; sheering properties

通訊作者：段國晨，男，高級工程師。研究方向為無人機樹脂基復合材料。E-mail：dgc08@163.com

1 引言

纖維增強樹脂基復合材料具有高的比強度、比模量、可設計性強、耐腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、船舶、醫用、體育等方面應用越來越廣泛，2019年全球碳纖維需求量達到了10.19萬噸［1-3］，航空航天達到用量的22.68%。合理的設計，可以大幅度減輕結構重量，提高機體的綜合性能，增加任務載荷，提高續航時間等。B787復合材料占飛機結構重量高達50%，A400M大型軍用運輸機復合材料用量超過35%，而無人機結構幾乎達到全復合材料機體結構，機身、機翼、尾撐、舵面等［4-6］。在武器裝備研制過程中，選用過多的進口器材，會給未來發展帶來一定的隱患和制約。所以對國產化的復合材料進行研究和應用，具有深遠意義。為了適應發展需求，國內生產碳纖維及預浸料的廠家越來越多，例如航天703所、中航復材、中復神鷹、江蘇恒神、精密集團和光威集團等。對國產材料力學性能的深入研究，能夠推動材料廠商的材料開發以及加快國產碳纖維材料在中小型無人機上的設計應用。

2 試驗部分

2.1 試驗原料

試驗主要原料如表1所示。

2.2 試驗儀器和設備

試驗主要儀器和設備如表2所示。

2.3 試驗環境

23 ℃±2 ℃，50%RH±10%RH。

2.4 測試標準

ASTM D2344-16 “聚合物基復合材料及其層壓板短梁強度標準試驗方法”；

ASTM D3518-18 “采用±45°層壓板拉伸試驗測量聚合物基復合材料面內剪切響應的標準試驗方法”。

2.5 試驗方法

所有試驗件在試驗前均在標準試驗環境（溫度23 ℃±2 ℃，濕度50 %RH±10 %RH）下至少放置了24 h。

2.5.1 層間剪切試驗

層間剪切試驗參照ASTM D2344-16標準實施，試驗在±10 kN 試驗機上進行，具體試驗步驟如下。

（1）按4∶1的跨距-厚度比，取試驗件的名義厚度計算跨距，其精度為±0.3 mm，支座半徑均為1.5 mm，加載頭的半徑均為3 mm；

（2）將試驗件放入三點彎曲試驗夾具中，將試驗件中心對齊；

（3）以1.0 mm/min的加載速率對試驗件施加壓縮載荷，當載荷下降了超過最大載荷的30%，停止試驗，記錄最大載荷和破壞模式。

2.5.2 縱橫剪切試驗

縱橫剪切試驗參照ASTM D3518-18標準實施，試驗在±100kN試驗機上進行，具體試驗步驟如下。

（1）在試樣中心按規定位置背靠背粘貼4 個應變計，如圖1 所示。

圖1 縱橫剪切試件貼片圖（單位：mm）

（2）將試樣對中夾持于試驗機的夾頭中，試樣的縱軸與加載方向一致；

（3）以2～5 mm/min的加載速度對試驗件連續加載至破壞，連續采集試驗件的載荷-應變數據，并記錄破壞載荷和失效模式。

（4）根據采集的載荷-應變數據進行數據處理，剪切模量在2000 με～6000 με的縱向應變區間內測量。

3 試驗結果

3.1 層間剪切性能測試與分析

對4個預浸料廠家的中溫固化碳纖維預浸料層間剪切性能進行測試，破壞模式為層間剪切破壞，如圖2（a）所示。4種國產預浸料的層間剪切性能如表3～表6所示，TT700S層間剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料層間性能達到81.8 MPa，CQ材料層間性能達到79.3 MPa，EM118材料層間性能達到64.5 MPa?？梢缘弥鹤罡呖梢赃_到81.8 MPa，最低60.3 MPa，而中小型無人機設計準則層間剪切性能≥60 MPa，均可以替代進口材料用于中小型無人機的結構設計。

同時研究了T700/T800高溫預浸料的層間剪切性能，如表7和表8所示。兩種材料同樣的環氧樹脂體系，表7采用T700碳纖維，層間剪切強度達到97.3 MPa，破壞模式為層間剪切破壞，如圖2（a）所示。表8采用是T800碳纖維，層間剪切強度達到102 MPa，破壞模式為非彈性變形，如圖2（b）所示。對比可知，層間剪切性能均遠高于中溫固化預浸料，樹脂基復合材料層間性能弱是自身的劣勢，對于層間性能要求較高的結構可以采用這兩種預浸料。

3.2 縱橫剪切性能測試與分析

5種預浸材料的縱橫剪切性能如表5-表13所示，破壞模式如圖9所示。T700S材料最大剪強度達到77.6 MPa，剪切模量達到4.67 GPa。EM118材料最大剪強度達到55.8 MPa，剪切模量達到4.49 GPa。ZT7G材料最大剪強度達到70.5 MPa，剪切模量達到4.31 GPa。CQ材料最大剪強度達到66.1 MPa，剪切模量達到4.36 GPa。MTM28材料最大剪強度達到62.3 MPa，剪切模量達到4.10 GPa。分析可知，T700S材料、ZT7G材料、CQ材料的剪切強度均高于MTM28進口材料，國產材料的剪切模量均高于MTM28進口材料，所以，僅從剪切性能考慮，4種國產材料均可替代MTM進口材料，應用于中小型無人機結構設計。

4 結語

本文測試了幾種國產碳纖維預浸料層間剪切性能和縱橫剪切性能，性能優異，可以替代MTM28進口材料，能夠滿足中小型無人機結構性能，應用于無人機結構設計和生產。

參 考 文 獻

［1］趙渠森，郭恩明.先進復合材料手冊［M］.機械工業出版社.

［2］李文曉，吳文平．PMI泡沫芯材填充GFRP帽型筋梁彎曲性能研究［J］.工程塑料應用.2009，37（1）：56-59.

［3］胡培，陳秀華．PMI泡沫夾芯結構在A380后壓力框上的應用［J］.復合材料結構件制造技術.2009（15）：46-49.

［4］趙鵬飛，張元明，何穎，等．玻璃鋼蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夾芯結構無人機機翼制造，一、工藝方案設計［J］.玻璃鋼／復合材料，2001（3）：29-31.

［5］趙鵬飛，張元明，何穎，等．玻璃鋼蒙皮／聚氨酯泡沫塑料夾芯結構無人機機翼制造，二、制造工藝過程［J］.玻璃鋼／復合材料，2001（4）：37-39.

［6］段國晨，趙景麗，趙偉超．小型無人機復合材料機身壁板與梁整體制造工藝［J］.中國塑料，2018， 32（8）：92-95.