中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究.pdf

第2 期2023年6 月纤维复合材料FIBERCOMPOSITESNo.232Jun.2023中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究段国晨1，赵景丽，李欣（1西北工业大学，西安7 10 0 7 2；2 西安爱生技术集团公司，西安7 10 0 6 5）摘要研究测试了不同国产碳纤维预浸料的力学性能，包括0、9 0 压缩性能。0 压缩强度最大117 1MPa，压缩模量130 GPa，9 0 压缩强度最大可达18 7 MPa，压缩模量最大可达9.34GPa，而T800国产碳纤维的性能更加优异。结果表明，目前国产T700碳纤维预浸料压缩性能可以满足中小型无人机设计性能，能够应用于中小型无人机结构的设计和生产。关键词?无人机；复合材料；国产化；力学性能Compression Performance Study of Localization ofCarbon Fiber Composite for Unmanned Aerial VehiclesDUAN Guochen-2,ZHAO Jingli?,LI Xin?(1.North Western Polytechnic University,Xian 710072;2.ASN technology group,Xian 710065)ABSTRACT The mechanical properties of different domestic carbon fiber prepreg,including O/90 tensile properties,0/90 compression properties were tested.The maximum compression strength of 0 is 1171MPa,the compression modulusis 130GPa,the maximum compression strength of 90 is 187MPa,the maximum compression modulus is 9.34GPa,and theperformance of T800 domestic carbon fibers is more excellent.The results show that the compression performance of domes-tic T700 carbon fiber prepreg can meet the design performance of small and medium-sized UAV,and can be applied to thedesign and production of small and medium-sized UAV structure.KEYWORDS unmanned aerial vehicles(UAV);composite material;localization;compression performance增加任务载荷，提高续航时间等。B787复合材料1引言占飞机结构重量高达50%，A400M大型军用运输纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比机复合材料用量超过35%，而无人机结构几乎达到模量、可设计性强、耐腐蚀等特性，在航空、航全复合材料，包括机身、机翼、尾撑、舵面等天、汽车、船舶、医用、体育等方面应用越来越广等4-9 。在武器装备研制过程中，选用过多的进口泛。2 0 19 年，全球碳纤维需求量达到了10.19 万器材，会给未来发展带来一定的隐患和制约。所以吨1-3，航空航天占用量的2 2.6 8%。合理的设计对国产化的复合材料进行研究和应用，具有深远的可以大幅度减轻结构重量，提高机体的综合性能，意义。为了适应发展需求，国内生产碳纤维及预浸通讯作者：段国晨，男，高级工程师。研究方向为无人机树脂基复合材料。Ema i l：d g c 0 8 16 3.c o m2期料的厂家也越来越多，例如航天7 0 3所、中航复材、中复神鹰、江苏恒神、精密集团以及光威集团等。对国产材料力学性能的深入研究，能够推动材料厂商的材料开发以及加快国产碳纤维材料在中小型无人机上的设计应用。名称单向碳带预浸料单向碳带预浸料单向碳带预浸料单向碳带预浸料T700单向碳带预浸料中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究试验部分2.1试验原料试验的主要原料如表1所示。表1主要原料牌号T700S-12K/602B-34-UD135-1000ZT7G/LT-03ACQ-C125/CQ1209-1000EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000MTM28/T700SC332厂家703所中航复材山东启辰江苏恒神Cytec牌号简写T700SZT7GCQEM118MTM281402.2试验仪器和设备试验的主要仪器和设备如表2 所示。表2 主要仪器和设备试验仪器名仪器型号电子天平FA2104电热真空干燥箱021-1ASB试验机INSTRON8801试验机INSTRON8802电子拉伸试验机INSTRON5966数据采集系统ST242.3试验环境温度2 32、湿度50%RH10%RH;2.4测试标准ASTMD6641-16“采用组合加载压缩（CLC)试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的试验方法；2.5试验方法所有试验件在试验前均在标准试验环境（温度232、湿度50%RH10%RH）下至少放置24h。压缩试验参照ASTMD6641-16标准实施，试验在10 0 kN试验机上进行，具体试验步骤如下：（1）在试样中心位置背靠背的粘贴2 个应变计，如图1所示；（2）将试样对中安装在试验夹具内，试验夹具上的夹紧螺钉的拧紧力矩为3Nm；（3）以1.3mm/min的加载速率对试样施加压70仪器生产厂家图1压缩试件贴片图（单位：mm）上海精密仪器有限公司缩载荷直到试样破坏，连续采集试样的载荷应变北京科伟永兴仪器有限公司数据，并记录破坏载荷和破坏模式；英斯特朗（4）根据采集的载荷应变数据进行数据处英斯特朗理，压缩模量在10 0 0 830 0 0 s的纵向应变区间英斯特朗内测量。英斯特朗3试验结果3.1碳纤维0 压缩性能分析对4个预浸料厂家的中温固化碳纤维预浸料0 压缩性能进行测试，破坏模式为工作段内横向破坏（LG M）和夹持内破坏（CIT），如图2 所示。4种国产预浸料的0 压缩性能如表3表6 所示。从表中可知，7 0 3所的单向带预浸料（T700S12 K/602B34U D 13510 0 0）压缩强度可以达到1213MPa，拉伸模量12 5GPa；中航复材单向带预浸料（ZT7G/LT-03A）压缩强度可以达到117 3MPa，拉伸模量132 GPa；山东启辰单向带预浸料（CQ-C125/CQ1209-1000）压缩强度可以达到1140 MPa，拉伸模量12 0 CPa；江苏恒神单向带预浸料(EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000)压缩强度可以达到10 7 5MPa，拉伸模量115GPa。经过对比，几种国产预浸料的拉伸强度与进口材料拉伸性能相当，7 0 3所最高，可达12 13MPa。34试件编号T700S-0Y-RTD-1T700S-0Y-RTD-2T700S-0Y-RTD-3T700S-0Y-RTD-4T700S-0Y-RTD-5试件编号ZT7G-0Y-RTD-1ZT7G-0Y-RTD-2ZT7G-0Y-RTD-3ZT7G-0Y-RTD-4ZT7G-0Y-RTD-5ZT7G-0Y-RTD-6试件编号CQ-OY-RTD-1CQ-OY-RTD-2CQ-OY-RTD-3CQ-OY-RTD-4CQ-OY-RTD-5CQ-OY-RTD-63.2碳纤维9 0 压缩性能分析对4个预浸料厂家的中温固化碳纤维预浸料90压缩性能进行测试，破坏模式为端头压破坏（H A T），如图2 所示。4种国产预浸料的9 0 压缩性能如表7 表10 所示。从表中可知，7 0 3所的单向带预浸料（T700S-12K/602B-34 U D 1351000）压缩强度可以达到112 MPa，模量9.34GPa;中航复材单向带预浸料（ZT7G/LT-03A）压缩强纤维复合材料表3T700S材料0 压缩试验结果宽度厚度/mm/mm11.872.01511.962.11511.962.14911.992.03011.922.020平均值标准差Cv(%)宽度/mm11.8811.9112.0112.0811.9212.04平均值标准差Cv(%)宽度/mm11.9611.8711.9312.0211.9211.96平均值标准差Cv(%)2023年X./MPaEie/CPa/kN测量值正则化测量值正则化28.619119727.686109530.689119430.200124127.5891146117455.94.76表4ZT7G材料0 压缩试验结果厚度X./MPa/mm/kN1.94929.6132.09230.2482.08925.7481.96126.3672.04928.1212.05628.439表5CQ材料0 压缩试验结果厚度Pmx/mm/kN2.05325.3661.98326.1192.07125.4952.08129.4622.17329.9032.13527.108破坏应变/ue12061211157121128311912591241157121121312157.71.744.761.44Efe/CPa测量值正则化测量值正则化1279124612141270102610721113109111511180114911811155117386.379.77.476.79X./MPa测量值正则化测量值正则化1033106011101100103210691178122611541254106211331095114062.581.85.717.17度可以达到18 7 MPa，拉伸模量8.9 GPa；山东启辰单向带预浸料（CQ-C125/CQ1209-1000）压缩强度可以达到159 MPa，拉伸模量8.6 9 GPa；江苏恒神单向带预浸料（EM11833%-12 K H F10-U-133gsm-1000）压缩强度可以达到131MPa，拉伸模量9.16 GPa。经过对比，几种国产预浸料的压缩强度与进口材料性能相当，中航复材最高，可达187MPa。破坏模式122988712890121281005512610034122945712596892.96448.52.364.63破坏应变/u81331291291351281341271251351381301331301322.794.682.143.54Ele/CPa1191221171161131171161211111211171251161202.733.172.362.63LCMLGMLGMLGMLCM破坏模式9650LGM9406CIT8000LCM8754LGM8559CIT8870CIT88735946.7破坏应变/ue8699946991121016510358907694806556.9破坏模式CITLGMLCMLITLGMLGM2期试件编号EM118-0Y-RTD-1EM118-0Y-RTD-2EM118-0Y-RTD-3EM118-0Y-RTD-4EM118-0Y-RTD-5试件编号T700S-90Y-RTD-1T700S-90Y-RTD-2T700S-90Y-RTD-3T700S-90Y-RTD-4T700S-90Y-RTD-5T700S-90Y-RTD-6试件编号ZT7G-90Y-RTD-1ZT7G-90Y-RTD-2ZT7G-90Y-RTD-3ZT7G-90Y-RTD-4ZT7G-90Y-RTD-5ZT7G-90Y-RTD-6试件编号CQ-90Y-RTD-1CQ-90Y-RTD-2CQ-90Y-RTD-3CQ-90Y-RTD-4CQ-90Y-RTD-5CQ-90Y-RTD-6中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究表6EM118材料0 压缩试验结果宽度厚度/mm/mm12.002.03311.961.97811.921.98311.911.85612.011.984平均值标准差Cv(%)宽度/mm12.0612.04.12.0612.0612.0512.07平均值标准差Cv(%)宽度/mm12.1712.1912.1312.1212.1812.1平均值标准差Cv(%)宽度/mm12.0412.0312.0512.0512.0312.05平均值标准差Cv(%)35PmaxX./MPa/kN测量值正则化测量值正则化24.916102125.286106926.240111022.421101429.7231247109294.98.69表7T700S材料9 0 压缩试验结果厚度/mmPmax/kN2.1942.7622.1923.1702.2012.2522.2023.7542.2332.7292.1953.244表8ZT7G材料9 0 压缩试验结果厚度/mmPmax/kN2.0974.8302.1014.9722.0944.6492.0924.1702.0884.9452.0944.914表9CQ材料9 0 压缩试验结果厚度/mmPmax/kN2.0073.8192.0143.9932.013.7342.0013.7632.0023.9561.9953.768Ele/CPa10381211057117110111194111612371181075116107.93.810.043.23Y./MPaE2./GPa10410.31209.13859.031419.501018.731229.371129.3419.70.5317.55.69Ye/MPaE2e/CPa1898.731948.741839.051648.981948.941948.951878.9011.70.136.31.51Y/MPaE2e/CPa1588.681658.881548.651568.691648.931578.341598.694.460.212.802.39破坏应变/ue123844611691351101003310787721171058811593956.2892.75.409.50820/ue1143913104858914784110791290011983212517.782/ue312263396529742225893322032273305034152.913.6820/ue2617528045233842453428505254402601419907.65破坏模式LGMLGMLGMLGMLGM破坏模式HATHATHATHATHATHAT破坏模式HATHATHATHATHATHAT/破坏模式HATHATHATHATHATHAT/36试件编号EM118-90Y-RTD-1EM118-90Y-RTD-2EM118-90Y-RTD-3EM118-90Y-RTD-4EM118-90Y-RTD-5EM118-90Y-RTD-6纤维复合材料表10EM118材料9 0 压缩试验结果宽度/mm厚度/mm12.042.05412.012.06412.012.07112.032.07112.012.07312.022.078平均值标准差Cv(%)2023年Pmax/kNYe/MPa3.4701403.4171383.5701443.1421262.8891163.00712013111.48.73E2e/CPa9.379.409.019.479.118.609.160.333.5682e/ue18637159011858518068142211506216746193011.5破坏模式HATHATHATHATHATHAT/ZT7G-0T-RT工作段内横向破坏2776-907-32T端头压坏Y2T73-9-T2T76-9T-RT0夹持内破坏7G图2压缩破坏模式合材料.2 0 0 1（3）：2 9-31.4结语5赵鹏飞，张元明，何颖，等玻璃钢蒙皮/聚氨酯泡沫塑料夹芯结构无人机机翼制造，二、制造工艺过程J玻璃钢/复本文测试了几种国产碳纤维预浸料的0 压缩性合材料，2 0 0 1（4)：37-39.能、9 0 压缩性能，了解其破坏模式，优异的性能6段国晨，赵景丽，赵伟超小型无人机复合材料机身壁板与梁能够满足中小型无人机结构性能设计。整体制造工艺J中国塑料，2 0 18，32（8）：9 2-9 5.7辛志东，杜娟，聂彦平，毛森鑫某全泡沫夹芯复合材料无人参考文献机平尾的强度分析与验证J纤维复合材料，2 0 2 2，391】先进复合材料手册【M赵渠森，郭恩明，机械工业出版社.(04):61-64.2】李文晓，吴文平PMI泡沫芯材填充GFRP帽型筋梁弯曲性能8】刘甲秋，伊翠云，王秋野，刘芳芳，李军PMI泡沫在树脂基研究J工程塑料应用2 0 0 9，37（1)：56-59.复合材料舱段中的应用研究J纤维复合材料，2 0 2 0，373胡培，陈秀华PMI泡沫夹芯结构在A380后压力框上的应用(01):47-50.J复合材料结构件制造技术2 0 0 9，（15）：46-49.9杨金水，梁威，曾竟成，尹昌平缝合增强泡沫夹芯结构复合4赵鹏飞，张元明，何颖，等玻璃钢蒙皮/聚氨酯泡沫塑料夹材料的制备与性能J纤维复合材料，2 0 2 0，37（0 4）：43芯结构无人机机翼制造，一、工艺方案设计J玻璃钢/复-50.