摘要:针对先进结构复合材料在无人机上的应用问题，介绍了先进结构复合材料的分类、基本特性和应用优势，论述了先进结构复合材料在无人机上应用的需求、发展历史和现状。分析结果表明:结构优化设计技术、轻量化制造工艺技术、低成本制造技术和无损维修维护技术等是未来无人机用先进结构复合材料亟待解决的关键技术与问题。分析结果为长航时、功能性、长寿命、经济性等高性能需求的无人机设计提供了参考意见。

关键词:复合材料;无人机;轻量化;结构设计与制造

近年来，无人机以其体积小、任务灵活等独特优势占据了军用、民用无人机市场。在军用方面，无人机已广泛应用于侦察监视、通信中继、空中预警、电子干扰、火炮校射、攻击格斗等诸多军事行动中。在高技术局部战争的推动下，未来战争的作战环境和作战模式都将发生突飞猛进的变化，需要进一步提高无人机的生存能力和作战效能。在民用方面，无人机应用于公共安全、海洋、气象、公路巡检、农业和通信中继等。在这些无人机中，均大量使用各类性能优异的复合材料来提升无人机的核心性能。飞机发展的历史表明，“一代材料，一代飞机”，未来无人机的研制，复合材料无疑将是其关键技术之一。

虽然先进结构复合材料得到了广泛的应用，但是相关的结构设计方法、制造技术、维修维护技术却未能跟上材料发展的步伐。对于无人机这样的复杂结构系统，为进一步降低无人机结构重量系数，提升无人机结构性能，如何更好的提升结构设计、制造工艺和维修维护仍是一个值得研究的课题。

本文首先介绍了先进结构复合材料的分类、基本性能和应用优势，又通过对先进结构复合材料在无人机上应用的发展脉络进行梳理，最后总结出无人机先进结构复合材料应用的关键技术。

1.1 先进结构复合材料

在具有同等结构功能的条件下，使用结构质量最轻的材料，是设计飞机时所追求的目标之一。复合材料是一种运用先进的材料制备技术将有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料组分优化组合而成的新材料，它既能保留原有各组分的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同，从而获得原组分材料无法比拟的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。复合材料主要分为结构复合材料和功能复合材料。其中，结构复合材料是本文讨论的重点。

结构复合材料的分类按材料构成的形式如表 1所示。多样化的复合材料已广泛应用于宇航及军事工业。其中，在无人机上应用较多的先进结构复合材料是纤维增强聚合物复合材料(FRP)，包括碳纤维树脂基复合材料(CFRP)和芳纶纤维复合材料(KFRP)等。

表1结构复合材料分类

在碳纤维之前，美国空军材料实验室开始了硼纤维复合材料的研究，并于20世纪60年代将环氧增强的硼纤维复合材料命名为先进复合材料(Advanced composite materials，ACM)，并开始应用于飞机尾翼，但终因其生产工艺复杂、成本高、纤维自身粗硬等原因被性能更优越的碳纤维取代碳纤维复合材料主要有两大类:聚丙烯腈基碳纤维与沥青基碳纤维。其中，以聚丙烯腈基碳纤维(又称pan基碳纤维)的应用最为广泛。目前，聚丙烯腈基碳纤维的产量约占全部碳纤维总产量的90%。芳纶纤维复合材料(KFRP)主要包括间位芳纶和对位芳纶，其对应的主要产品分别为Nomex蜂窝材料与Kevlar纤维材料。

pan基碳纤维与Nomex蜂窝材料被广泛应用于无人机的机体外壳、机翼蒙皮与前缘;pan基碳纤维板与泡沫材料复合制成的泡沫夹心复合材料或pan基碳纤维管被大量用作无人机主梁;Kevlar纤维材料应用于螺旋桨、机身、连接件等部位以大幅提高抗疲劳强度与抗冲击能力。复合材料在机体结构中的应用情况与无人机大小密切相关，统计结果如表 2所示。

表2结构复合材料在无人机结构中的应用

1.2 复合材料的优势

纤维增强聚合物复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等特点。复合材料的高比强度和高比模量能够大大减轻无人机质量，对无人机体积缩小、航时增长、载荷质量增加具有重大意义。考虑复杂应力状态和复合材料的各向异性特性，若采用FRP替代传统铝合金结构，一般可以实现30%以上的结构减重。研究表明，钢和铝的疲劳强度是静力强度的50%，而CFRP可达90%，具有良好的抗疲劳性能。此外，复合材料具有很高的可设计性和各向异性，虽然在设计、分析、计算这类材料时比各向同性材料更加复杂，但是复合材料的力学、机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或任务环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，消除材料冗余，满足设计要求并最大程度发挥材料及结构的潜力与效率。

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