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 無人機（Unmanned aerial vehicle， UAV）已經發展并使用了很多年，也有一些其他術語來形容這個市場，包括通常用于描述小型系統的無人機和用于軍事用途的無人機系統（Unmanned aerial system, UAS）。

美國空軍引進了ORB這個術語，用來描述自主或半自主的中小型有人和無人駕駛航空系統。ORB可以載人、載物或傳感器，并可用于商業和軍事應用。在這里，將專注于無人機以及該市場對材料和飛機結構需求。目前，幾乎所有的無人機結構都是由碳纖維復合材料制成的，下面來討論一下是何原因讓無人機系統大量采用了碳纖維？

輕量化

所有航空航天系統都需要具備輕量化特性。結構越輕，運行效率越高，覆蓋范圍越廣，承載的有效載荷越大，在高空停留的時間也越長。由于無人機為無人駕駛，它們需要傳感器、攝像機和電子設備。減輕結構的重量就意味著可以攜帶更多的傳感器、更多的有效載荷以及在空中停留更長時間。

小型無人機主要依靠電池供電，而且電池很重，因此這就進一步需要減輕結構其余部分的重量。如今，幾乎所有的無人機結構都是由碳纖維復合材料制成的。與之形成鮮明對比的是，如今的商用飛機結構大部分除了碳纖維復合材料以外，還采用了鋁和鈦等金屬制成。最新的商用飛機系統使用約50%的碳纖維復合材料，并且在未來應用可能會進一步增加。

復合材料為輕型飛機提供了一些了優勢。碳纖維本身重量輕，密度低于2g/cm³。作為對比，水的密度為1g/cm³，鋁為2.7g/cm³，鈦為4.5g/cm³。對于碳纖維復合材料，碳纖維通常被嵌入環氧樹脂或熱塑性材料的基體材料中，這些材料的密度通常在1到1.4g/cm³之間。而碳纖維復合材料通常由35%到45%的碳纖維組成，因此復合材料的總密度在1.3到1.6g/cm³之間。

剛度重量比（比剛度）

另一個重要的原因是碳纖維具有較高的剛度重量比，也稱為比剛度或比模量。剛度是測量施加荷載時材料拉伸的程度。在給定載荷下，較硬的材料的拉伸量比較低的材料小。比剛度越高，給定剛度臨界結構應用的材料越好。

高比剛度材料廣泛應用于航空航天領域。一般而言，鈦的比剛度為25，鋁的比剛度為26，碳纖維復合材料的比剛度為113。對于航空航天應用，剛度是非常重要的。對于空氣動力學，希望結構保持相對剛性以保持其空氣動力學形狀。此外，剛度對于旋轉葉片（如轉子、螺旋槳或發動機風扇葉片）和承受增壓循環的結構非常重要。

強度重量比（比強度）

與剛度重量比相似，航空航天結構設計也需要高強度重量比的材料，這也被稱為比強度。強度是結構在斷裂或失效前所能承受的載荷量。比強度越高，材料在給定結構荷載下的性能越好。

如前所述，碳纖維具有很高的剛度，但它可以以很少的伸長而斷裂。對于金屬而言，由于產生塑性變形，金屬在斷裂前往往會出現明顯拉伸和變形。金屬結構在承受高負荷時容易凹陷，并且可能需要大量力才能使金屬撕裂和斷裂。碳纖維復合材料不會永久變形，但會在延伸率很小的情況下斷裂。

由于碳纖維復合材料非常堅硬，在斷裂之前需要承受很大的載荷。對于航空航天而言，高比剛度和高比強度材料是首選的，并且兩者的組合是材料選擇的關鍵驅動力。在載荷下保持其形狀的剛性比永久變形的材料要好，它們應能承受高飛行載荷而不斷裂。鋁的比強度為115，鈦的比強度為76，碳纖維復合材料的比強度為785。

因此，碳纖維復合材料具有很高的比剛度和強度，這使得它成為航空航天應用的首選材料。下圖1顯示了碳纖維優異的比強度和比剛度。

圖1 碳纖維優異的比強度和比剛度（比模量）

易于設計與裝配

輕質結構的另一個重要方面是設計和裝配。可以增加重量設計的一個方面是緊固件的使用。在結構中用于緊固件連接部件的鉆孔會增加重量，且這些孔會削弱結構。

連接點也會成為應力集中點，因此它們可以承受比周圍結構更高的局部載荷，因此需要通過澆注、成型和模制等技術來減少對緊固件的需。使用碳纖維增強材料的增材制造技術也可以生產傳統上需要復雜幾何結構的部件。

性能優異且更輕的蜂窩材料

蜂窩芯材料是航空航天系統中常用的材料。結構剛度特別是彎曲剛度，會隨著厚度的增加而增加。蜂窩芯材料由于其主要由空氣組成，因此具有固有的輕質材料結構，用于增加厚度而不增加很多重量。蜂窩芯材的一個典型用途是將其夾在兩個復合材料面板之間。這充分利用了復合材料的剛度和強度，同時以最小的附加重量增加了結構的抗彎剛度。蜂窩芯材料由塑料和紙基系統或鋁制成。蜂窩芯材料還可以提高結構的沖擊壽命，并有助于抑制來自發動機和推進系統的噪音。

可靠性

碳纖維復合材料在航空航天領域的應用已有50多年的歷史。它們作為軍用和商用飛機以及旋翼機的主要結構也已經使用了30多年。碳纖維復合材料被聯邦航空管理局（FAA）和歐盟航空安全局（EASA）批準使用，并進行了重要的材料和結構試驗，制定了設計準則。安全可靠的運行是民航防止人員傷亡的關鍵，但對無人系統來說也是非常重要的。如果無人機在軍事應用中出現故障，信息丟失可能導致重大損失。

其他優異特性

復合材料可以改善無人機系統的電磁特性。由于這些系統是無人操作的，因此需要通過無線或衛星通信與地面站進行高效可靠的通信。復合材料可以調諧以吸收某些電磁頻率并通過其他頻率。復合材料用于保護發射和接收天線的天線罩，天線罩的材料和結構可以設計成允許有效通信，同時屏蔽來自其他來源的信號。蜂窩芯材料也常用于天線罩。碳纖維復合材料也是隱身技術中的一個關鍵組成部分，因為碳纖維復合材料能夠使得無人機“隱藏”不被敵人發現。

復合材料提供了更多的性能，進一步提高了其可靠性。它們不會腐蝕，因此無需進行腐蝕檢查和修復。復合材料具有很強的抗疲勞性能，因此與金屬不同，它們不會在反復循環荷載作用下形成裂紋。復合材料結構幾十年來一直是軍用航空和航天作戰的一部分，在極端惡劣的環境和熱載荷下表現良好。復合材料結構可以采用成熟的修補方法進行修補，在使用壽命結束時，材料可以回收再利用，并在其他應用中重復使用。（主要參考Hexcel）