蔡智超

（西安愛生技術集團公司，陜西 西安 710065）

復合材料憑借出色的綜合性能在無人機制造中得到了廣泛的應用。復合材料的變化性較強，設計人員可以根據(jù)實際的需求設計出質量輕且彈性高的復合材料結構，可以直接在復合材料上噴涂隱身圖層，或者是在復合材料結構中植入傳感器、智能芯片，實現(xiàn)對無人機的實時監(jiān)控和智能化控制。夾層結構和層壓板結構是無人機符合材料結構的主要形式，翼身融合結構就是典型的復合材料結構應用，該類結構和相關制造技術也成為無人機制造發(fā)展的重要方向。

1 復合材料應用于無人機制造的優(yōu)勢

相較于常規(guī)機，無人機不需要搭載駕駛員，因而其機體結構和材料應用不需要特殊考慮人的生理承受能力。無人機所應用的設備和技術都比較先進，對于無人機的機體結構和材料性能也提出了一些要求，無人機與有人機的設計存在顯著的差異。相較于常規(guī)金屬材料，復合材料的比剛度、比強度、抗振性和抗疲勞性較高且熱膨脹系數(shù)低，通過復合材料的應用可以將無人機的結構重量降低四分之一左右。相關統(tǒng)計資料顯示，目前技術較為成熟的無人機中復合材料成為無人機機體結構的主要材料，用料占比超過90%。

復合材料在無人機制造中具有突出的應用優(yōu)勢。首先復合材料的可設計性較強，在不改變機體結構重量的前提下可以調整材料結構的強度和剛度，可以實現(xiàn)大面積整體成型滿足無人機翼身高度融合的需求。此外未來有望通過對具有特殊電磁性能的聚合物基復合材料的改性，使其滿足無人機高度隱身的要求。其次一些復合材料的耐腐蝕性較強，可以滿足無人機特殊環(huán)境下儲存或者是飛行的需求，提高其使用壽命降低維護成本。最后還可以通過芯片、合金刀體的植入使復合材料成為智能材料。目前復合材料已經成為無人機的主要結構材料，蜂窩夾層符合材料、碳纖維復合材料以及玻璃纖維復合材料等都得了廣泛的應用。復合材料的應用是實現(xiàn)無人機小型化、高性能化和輕質化的關鍵。

2 無人機復合材料結構

2.1 無人機復合材料體結構類型

在無人機制造中可以通過恰當?shù)膹秃喜牧象w結構設計和恰當?shù)脑鰪姴牧蠎脤崿F(xiàn)機體在重量、強度、剛度等特性上的要求。夾層架構和層壓板結構是無人機設計中應用最廣的兩種結構。橫向框、蒙皮和縱向梁凸緣是無人機機身的主要構成，其中梁凸緣多采用層壓板結構，蒙皮的復合材料多為層壓板結構。翼面的結構類型比較多樣化，夾層盒結構、蒙皮空腔結構以及夾層板梁式結構都很常見。

面板和夾芯組合而成的結構就是夾層結構，面板、夾芯層的性能、膠接性能直接決定了夾層結構比強度和比剛度。GFRP、CFRP在無人機中常被作為面板材料，夾芯的種類包括泡沫塑料、蜂窩夾芯、木質夾芯等等。無人機的垂尾安定面等強度和剛度要求不高的部位多采用風味夾層結構，升降舵面等曲面較小、形狀不規(guī)則的部分常采用泡沫夾層結構，木質夾層結構多用于對于強度要求比較高的部件。

無人機的機身蒙皮、機頭頭罩以及大梁等需要高剛度和高強度的部位大多采用層壓板復合材料結構。為了保證強度常需要預成型，層合板的制造中，基體材料、增強纖維的種類、加壓工藝、鋪設角度以及加熱溫度等都需要進行嚴格的控制。

2.2 無人機復合材料體結構工藝選擇

在無人機的設計制造中，為了實現(xiàn)其結構彈性和剛度分布要求，常常會通過鋪設角和材料的層數(shù)進行調整。玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧樹脂以及雙馬來酰胺樹脂都是常見的復合材料制造件增強材料，其中環(huán)氧樹脂體系的工藝更為成熟，而雙馬來酰胺樹脂體系耐溫性更為出色。增強材料不同復合材料構件的性能也會有顯著的差異，需要結合無人機面對的環(huán)境特征和受力特點進行材料的選擇。復合材料層壓板結構中所應用的增強轄內的鋪設角度、方法和層數(shù)以及固化工藝會直接決定無人機損傷容限和阻抗。對于常溫下飛行損傷阻抗小、容限要求高的機身梁、隔框等簡單的部件，可以采用長壽命機織碳纖維預浸環(huán)氧樹脂復合材料，較為復雜的部件采用自動鋪陳機制實現(xiàn)鋪設角度和鋪設方法的要求。對于高溫下運行損傷阻抗大、損傷容限要求高的尾噴管等部件采用碳纖維雙馬樹脂復合材料、中溫熱壓罐固化。

3 無人機復合材料構件制造工藝

3.1 熱壓罐成型

采用熱壓罐成型工藝所制造的無人機復合材料構件的相對質量更輕、力學性能出色、內部質量較好且樹脂的含量較為均勻。對于速度要求較高的無人機的復合材料構件和主要承重構件多采用熱壓罐成型工藝進行生產制造。但是熱壓罐成型技術也存在一定的不足，該工藝對于設備的要求較高，前期投入和加工過程成本都比較高，經濟性相對比較差。對于預算有限的無人機生產制造，常常會選擇低溫低壓成型技術代替該技術，但是綜合來說熱壓罐成型工藝仍然是復合材料高性能成型工藝。熱壓罐成型工藝的輔助材料按照模具、隔離材料、擋塊、毛坯、吸膠材料、蓋板、透氣氈、真空袋和密封膠帶的順序進行裝袋。復合材料的熱壓罐成型過程中樹脂的流動、熱傳遞、化學交聯(lián)和空隙形成等相互影響相互作用，增加了熱壓罐成型工藝控制的難度，容易出現(xiàn)貧膠、高孔隙率等加工缺陷。為了保證復合材料構件的質量，必須要對熱壓罐工藝的壓力、溫度曲線進行良好的控制。目前相關學者和業(yè)界技術人員也建立了可以模擬熱壓罐成型過程中動力學變化、樹脂流動以及熱傳遞等現(xiàn)象的模型來對實際生產進行指導。

3.2 真空袋成型

真空袋成型工藝簡單且前期不需要過高的投入，操作難度適中，但是成型的壓力相對比較小，因而適用于對于質量標準要求不高的復合材料構件制作中。在實際的無人機制造中真空袋成型技術多用于不超過1.5mm的蜂窩夾層結構和層壓板結構的制造生產。在小型低速無人機的制造中，真空袋成型技術可以滿足大部分零件的生產要求，真空袋成型相較于熱壓罐成型其成本優(yōu)勢十分顯著，因而在低速無人機復合材料制造加工中得到了廣泛的應用。在正式進行真空袋成型之前，多采用預浸料鋪貼、濕法鋪貼等操作。在實際的生產過程中濕法操作容易受到人為因素的影響，導致膠液涂刷的不均勻，這種情況在夾層結構成型中尤為明顯。此外涂刷方向的不合理還容易導致纖維方向的彎曲、改變，威脅復合材料制造件的穩(wěn)定性。而采用預浸料鋪貼則不會產生上述問題，膠液的涂刷較為均勻，制件的穩(wěn)定性也可以得到保證。表1是兩種不同鋪貼方法成型的蜂窩夾層的結構性能相關數(shù)據(jù)的比較，通過表中的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)預浸料鋪貼的復合材料蜂窩夾層架構的穩(wěn)定性更高，因而在實際生產中該方法的應用也更多。

表1 兩種方式成型的蜂窩夾層結構性能比較

3.3 模壓成型

模壓成型工藝綜合了熱壓罐成型技術和真空袋成型工藝的優(yōu)點，模壓成型工藝較為簡單。無人機中舵面等采用泡沫夾層結構的復合材料大多采用該種成型工藝。模壓成型就是先制作泡沫芯并將其鋪貼蒙皮，鋪貼好的泡沫芯便可以放入成型模之中，在成型模復合材料被壓緊和固化。模壓成型技術制造構件的效率較高，且成型壓力大，設備投入和構件生產成本適中，經濟性較好。將該工藝應用與無人機翼板的制造中，可以確保無人機機翼的外觀質量和翼形精度，提高無人機的整體制造質量，加壓機的選擇是該工藝最為關鍵的工序。模壓成型工藝是泡沫夾芯復合材料構件生產十分出色的一種工藝，將其與泡沫芯材發(fā)泡工藝相結合有利于該技術的進步和無人機制造的發(fā)展。

3.4 低溫成型技術

低溫成型技術可以視作熱壓罐成型技術的補充，熱壓罐成型工藝成本和耗能都比較高，因而越來越多的國家開始研究其他的復合材料成型技術。低溫成型技術是一種在60～80℃將材料進行固化成型的工藝，低溫聚合樹脂可以通過該技術實現(xiàn)成型。該技術的適用性較廣，不會受到符合材料制造件的尺寸的限制，且直接在常溫常壓下就可以對材料進行固化。利用低溫成型技術制造的構件性能與在120～180℃高溫下成型的產品性能并無顯著差異，目前該技術在洛克希德、波音無人機以及X-36驗證機中都有所應用，低溫成型技術的應用可以顯著降低無人機復合材料的制造成本。樹脂和低溫成型預浸帶的研發(fā)制造是該低溫成型技術應用成效的關鍵。

4 結語

高性能復合材料的應用是無人機制造發(fā)展的重要趨勢，也是滿足無人機航程、航行時間、航行高度、制造成本和隱蔽性等要求的必然舉措。復合材料結構設計和制造工藝優(yōu)化也成為目前研制無人機的關鍵環(huán)節(jié)，在未來的研究中需要加大新型復合材料的研發(fā)應用，注重結構設計和制造工藝的優(yōu)化，不斷提高我國無人機的制造水準。