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 無人機(jī)（Unmanned aerial vehicle， UAV）已經(jīng)發(fā)展并使用了很多年，也有一些其他術(shù)語來形容這個(gè)市場，包括通常用于描述小型系統(tǒng)的無人機(jī)和用于軍事用途的無人機(jī)系統(tǒng)（Unmanned aerial system, UAS）。

美國空軍引進(jìn)了ORB這個(gè)術(shù)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(tǒng)。ORB可以載人、載物或傳感器，并可用于商業(yè)和軍事應(yīng)用。在這里，將專注于無人機(jī)以及該市場對(duì)材料和飛機(jī)結(jié)構(gòu)需求。目前，幾乎所有的無人機(jī)結(jié)構(gòu)都是由碳纖維復(fù)合材料制成的，下面來討論一下是何原因讓無人機(jī)系統(tǒng)大量采用了碳纖維？

輕量化

所有航空航天系統(tǒng)都需要具備輕量化特性。結(jié)構(gòu)越輕，運(yùn)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(shí)間也越長。由于無人機(jī)為無人駕駛，它們需要傳感器、攝像機(jī)和電子設(shè)備。減輕結(jié)構(gòu)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(shí)間。

小型無人機(jī)主要依靠電池供電，而且電池很重，因此這就進(jìn)一步需要減輕結(jié)構(gòu)其余部分的重量。如今，幾乎所有的無人機(jī)結(jié)構(gòu)都是由碳纖維復(fù)合材料制成的。與之形成鮮明對(duì)比的是，如今的商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)大部分除了碳纖維復(fù)合材料以外，還采用了鋁和鈦等金屬制成。最新的商用飛機(jī)系統(tǒng)使用約50%的碳纖維復(fù)合材料，并且在未來應(yīng)用可能會(huì)進(jìn)一步增加。

復(fù)合材料為輕型飛機(jī)提供了一些了優(yōu)勢。碳纖維本身重量輕，密度低于2g/cm³。作為對(duì)比，水的密度為1g/cm³，鋁為2.7g/cm³，鈦為4.5g/cm³。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料，碳纖維通常被嵌入環(huán)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(fù)合材料通常由35%到45%的碳纖維組成，因此復(fù)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(gè)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(shí)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(jié)構(gòu)應(yīng)用的材料越好。

高比剛度材料廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。一般而言，鈦的比剛度為25，鋁的比剛度為26，碳纖維復(fù)合材料的比剛度為113。對(duì)于航空航天應(yīng)用，剛度是非常重要的。對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)，希望結(jié)構(gòu)保持相對(duì)剛性以保持其空氣動(dòng)力學(xué)形狀。此外，剛度對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片（如轉(zhuǎn)子、螺旋槳或發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片）和承受增壓循環(huán)的結(jié)構(gòu)非常重要。

強(qiáng)度重量比（比強(qiáng)度）

與剛度重量比相似，航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要高強(qiáng)度重量比的材料，這也被稱為比強(qiáng)度。強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)在斷裂或失效前所能承受的載荷量。比強(qiáng)度越高，材料在給定結(jié)構(gòu)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(duì)于金屬而言，由于產(chǎn)生塑性變形，金屬在斷裂前往往會(huì)出現(xiàn)明顯拉伸和變形。金屬結(jié)構(gòu)在承受高負(fù)荷時(shí)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(fù)合材料不會(huì)永久變形，但會(huì)在延伸率很小的情況下斷裂。

由于碳纖維復(fù)合材料非常堅(jiān)硬，在斷裂之前需要承受很大的載荷。對(duì)于航空航天而言，高比剛度和高比強(qiáng)度材料是首選的，并且兩者的組合是材料選擇的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)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(yīng)能承受高飛行載荷而不斷裂。鋁的比強(qiáng)度為115，鈦的比強(qiáng)度為76，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度為785。

因此，碳纖維復(fù)合材料具有很高的比剛度和強(qiáng)度，這使得它成為航空航天應(yīng)用的首選材料。下圖1顯示了碳纖維優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度。

圖1 碳纖維優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度（比模量）

易于設(shè)計(jì)與裝配

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要方面是設(shè)計(jì)和裝配。可以增加重量設(shè)計(jì)的一個(gè)方面是緊固件的使用。在結(jié)構(gòu)中用于緊固件連接部件的鉆孔會(huì)增加重量，且這些孔會(huì)削弱結(jié)構(gòu)。

連接點(diǎn)也會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，因此它們可以承受比周圍結(jié)構(gòu)更高的局部載荷，因此需要通過澆注、成型和模制等技術(shù)來減少對(duì)緊固件的需。使用碳纖維增強(qiáng)材料的增材制造技術(shù)也可以生產(chǎn)傳統(tǒng)上需要復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件。

性能優(yōu)異且更輕的蜂窩材料

蜂窩芯材料是航空航天系統(tǒng)中常用的材料。結(jié)構(gòu)剛度特別是彎曲剛度，會(huì)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(zhì)材料結(jié)構(gòu)，用于增加厚度而不增加很多重量。蜂窩芯材的一個(gè)典型用途是將其夾在兩個(gè)復(fù)合材料面板之間。這充分利用了復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)以最小的附加重量增加了結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。蜂窩芯材料由塑料和紙基系統(tǒng)或鋁制成。蜂窩芯材料還可以提高結(jié)構(gòu)的沖擊壽命，并有助于抑制來自發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的噪音。

可靠性

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已有50多年的歷史。它們作為軍用和商用飛機(jī)以及旋翼機(jī)的主要結(jié)構(gòu)也已經(jīng)使用了30多年。碳纖維復(fù)合材料被聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐盟航空安全局（EASA）批準(zhǔn)使用，并進(jìn)行了重要的材料和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，制定了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。安全可靠的運(yùn)行是民航防止人員傷亡的關(guān)鍵，但對(duì)無人系統(tǒng)來說也是非常重要的。如果無人機(jī)在軍事應(yīng)用中出現(xiàn)故障，信息丟失可能導(dǎo)致重大損失。

其他優(yōu)異特性

復(fù)合材料可以改善無人機(jī)系統(tǒng)的電磁特性。由于這些系統(tǒng)是無人操作的，因此需要通過無線或衛(wèi)星通信與地面站進(jìn)行高效可靠的通信。復(fù)合材料可以調(diào)諧以吸收某些電磁頻率并通過其他頻率。復(fù)合材料用于保護(hù)發(fā)射和接收天線的天線罩，天線罩的材料和結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成允許有效通信，同時(shí)屏蔽來自其他來源的信號(hào)。蜂窩芯材料也常用于天線罩。碳纖維復(fù)合材料也是隱身技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料能夠使得無人機(jī)“隱藏”不被敵人發(fā)現(xiàn)。

復(fù)合材料提供了更多的性能，進(jìn)一步提高了其可靠性。它們不會(huì)腐蝕，因此無需進(jìn)行腐蝕檢查和修復(fù)。復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗疲勞性能，因此與金屬不同，它們不會(huì)在反復(fù)循環(huán)荷載作用下形成裂紋。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾十年來一直是軍用航空和航天作戰(zhàn)的一部分，在極端惡劣的環(huán)境和熱載荷下表現(xiàn)良好。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以采用成熟的修補(bǔ)方法進(jìn)行修補(bǔ)，在使用壽命結(jié)束時(shí)，材料可以回收再利用，并在其他應(yīng)用中重復(fù)使用。（主要參考Hexcel）