中小型无人机国产碳纤维复合材料剪切性能研究

段国晨 赵景丽 李欣

摘 要 研究测试了不同国产碳纤维预浸料的剪切性能，包括层间剪切性能和纵横剪切性能。TT700S层间剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料层间性能达到81.8 MPa，CQ材料层间性能达到79.3 MPa，EM118材料層间性能达到64.5 MPa。T700高温碳纤维，层间剪切强度达到97.3 MPa， T800高温碳纤维层间剪切强度达到102 MPa。纵横剪切性能均高于MTM28进口材料。结果表明，目前国产碳纤维预浸料力学性能基本与进口材料相当，能够应用中小型无人机的设计和生产。

关键词 无人机；复合材料；国产化；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。E-mail：dgc08@163.com

1 引言

纤维增强树脂基复合材料具有高的比强度、比模量、可设计性强、耐腐蚀等特性，在航空、航天、汽车、船舶、医用、体育等方面应用越来越广泛，2019年全球碳纤维需求量达到了10.19万吨［1-3］，航空航天达到用量的22.68%。合理的设计，可以大幅度减轻结构重量，提高机体的综合性能，增加任务载荷，提高续航时间等。B787复合材料占飞机结构重量高达50%，A400M大型军用运输机复合材料用量超过35%，而无人机结构几乎达到全复合材料机体结构，机身、机翼、尾撑、舵面等［4-6］。在武器装备研制过程中，选用过多的进口器材，会给未来发展带来一定的隐患和制约。所以对国产化的复合材料进行研究和应用，具有深远意义。为了适应发展需求，国内生产碳纤维及预浸料的厂家越来越多，例如航天703所、中航复材、中复神鹰、江苏恒神、精密集团和光威集团等。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。

2 试验部分

2.1 试验原料

试验主要原料如表1所示。

2.2 试验仪器和设备

试验主要仪器和设备如表2所示。

2.3 试验环境

23 ℃±2 ℃，50%RH±10%RH。

2.4 测试标准

ASTM D2344-16 “聚合物基复合材料及其层压板短梁强度标准试验方法”；

ASTM D3518-18 “采用±45°层压板拉伸试验测量聚合物基复合材料面内剪切响应的标准试验方法”。

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23 ℃±2 ℃，湿度50 %RH±10 %RH）下至少放置了24 h。

2.5.1 层间剪切试验

层间剪切试验参照ASTM D2344-16标准实施，试验在±10 kN 试验机上进行，具体试验步骤如下。

（1）按4∶1的跨距-厚度比，取试验件的名义厚度计算跨距，其精度为±0.3 mm，支座半径均为1.5 mm，加载头的半径均为3 mm；

（2）将试验件放入三点弯曲试验夹具中，将试验件中心对齐；

（3）以1.0 mm/min的加载速率对试验件施加压缩载荷，当载荷下降了超过最大载荷的30%，停止试验，记录最大载荷和破坏模式。

2.5.2 纵横剪切试验

纵横剪切试验参照ASTM D3518-18标准实施，试验在±100kN试验机上进行，具体试验步骤如下。

（1）在试样中心按规定位置背靠背粘贴4 个应变计，如图1 所示。

图1 纵横剪切试件贴片图（单位：mm）

（2）将试样对中夹持于试验机的夹头中，试样的纵轴与加载方向一致；

（3）以2～5 mm/min的加载速度对试验件连续加载至破坏，连续采集试验件的载荷-应变数据，并记录破坏载荷和失效模式。

（4）根据采集的载荷-应变数据进行数据处理，剪切模量在2000 με～6000 με的纵向应变区间内测量。

3 试验结果

3.1 层间剪切性能测试与分析

对4个预浸料厂家的中温固化碳纤维预浸料层间剪切性能进行测试，破坏模式为层间剪切破坏，如图2（a）所示。4种国产预浸料的层间剪切性能如表3～表6所示，TT700S层间剪切性能是60.3 MPa，ZT7G材料层间性能达到81.8 MPa，CQ材料层间性能达到79.3 MPa，EM118材料层间性能达到64.5 MPa。可以得知：最高可以达到81.8 MPa，最低60.3 MPa，而中小型无人机设计准则层间剪切性能≥60 MPa，均可以替代进口材料用于中小型无人机的结构设计。

同时研究了T700/T800高温预浸料的层间剪切性能，如表7和表8所示。两种材料同样的环氧树脂体系，表7采用T700碳纤维，层间剪切强度达到97.3 MPa，破坏模式为层间剪切破坏，如图2（a）所示。表8采用是T800碳纤维，层间剪切强度达到102 MPa，破坏模式为非弹性变形，如图2（b）所示。对比可知，层间剪切性能均远高于中温固化预浸料，树脂基复合材料层间性能弱是自身的劣势，对于层间性能要求较高的结构可以采用这两种预浸料。

3.2 纵横剪切性能测试与分析

5种预浸材料的纵横剪切性能如表5-表13所示，破坏模式如图9所示。T700S材料最大剪强度达到77.6 MPa，剪切模量达到4.67 GPa。EM118材料最大剪强度达到55.8 MPa，剪切模量达到4.49 GPa。ZT7G材料最大剪强度达到70.5 MPa，剪切模量达到4.31 GPa。CQ材料最大剪强度达到66.1 MPa，剪切模量达到4.36 GPa。MTM28材料最大剪强度达到62.3 MPa，剪切模量达到4.10 GPa。分析可知，T700S材料、ZT7G材料、CQ材料的剪切强度均高于MTM28进口材料，国产材料的剪切模量均高于MTM28进口材料，所以，仅从剪切性能考虑，4种国产材料均可替代MTM进口材料，应用于中小型无人机结构设計。

4 结语

本文测试了几种国产碳纤维预浸料层间剪切性能和纵横剪切性能，性能优异，可以替代MTM28进口材料，能够满足中小型无人机结构性能，应用于无人机结构设计和生产。

参 考 文 献

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［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／复合材料，2001（4）：37-39.

［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整体制造工艺［J］.中国塑料，2018， 32（8）：92-95.