中小型无人机国产碳纤维复合材料剪切性能研究.pdf

第 1 期纤维复合材料No.1 902024 年 3 月FIBERCOMPOSITESMar.2024中小型无人机国产碳纤维复合材料剪切性能研究段国晨1,2,赵景丽2,李 欣2(1.西北工业大学,西安 710072;2.西安爱生技术集团有限公司,西安 710065)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 材料层间性能达到 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 FiberComposite for Unmanned Aerial VehiclesDUAN 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 andtransverse shear behavior,was studied and tested.The interlaminar shear properties of TT700S,ZT7G,CQ and EM118 are60.3 MPa,81.8 MPa,79.3 MPa and 64.5 MPa respectively.The interlaminar shear strength of T700 high temperaturecarbon fiber is 97.3MPa,and that of T800 high temperature carbon fiber is 102 MPa.The shear and shear properties arehigher than those of MTM28 imported materials.The results show that the mechanical properties of domestic carbon fiberprepreg 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: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 1 期中小型无人机国产碳纤维复合材料剪切性能研究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。表 1 主要原料名称牌号厂地牌号简写单向碳带预浸料T700S-12K/602B-34-UD135-1000703 所T700S单向碳带预浸料ZT7G/LT-03A中航复材ZT7G单向碳带预浸料CQ-C125/CQ1209-1000山东启辰CQ单向碳带预浸料EM118-33%-12KHF10-U-133gsm-1000江苏恒神EM118T700 单向碳带预浸料T700S-12K/603B703 所T700T800 单向碳带预浸料TG800H-12K/603B703 所T800T700 单向碳带预浸料MTM28/T700SCCytecMTM28 2.2 试验仪器和设备试验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仪器生产厂家电子天平FA2104上海精密仪器有限公司电热真空干燥箱021-1ASB北京科伟永兴仪器有限公司试验机INSTRON8801英斯特朗试验机INSTRON8802英斯特朗电子拉伸试验机INSTRON5966英斯特朗数据采集系统ST24英斯特朗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 6000 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,19纤维复合材料2024 年 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 60.3MPa,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。表 3 T700S 复合材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式T700S-16.142.1911.00956.3层间剪切T700S-26.22.1950.99654.9层间剪切T700S-36.352.1431.11261.3层间剪切T700S-46.232.1751.23468.3层间剪切T700S-56.152.2111.12562.1层间剪切T700S-66.152.1611.04959.2层间剪切平 均 值60.3/标 准 差4.79/CV/%7.95/表 4 ZT7G 材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式ZT7G-16.122.0581.35980.9层间剪切ZT7G-26.151.9781.35483.5层间剪切ZT7G-36.112.1161.32376.7层间剪切ZT7G-46.172.0871.41982.6层间剪切ZT7G-56.162.1021.44283.5层间剪切ZT7G-66.12.0671.40383.5层间剪切平 均 值81.8/标 准 差2.67/CV/%3.26/表 5 CQ 材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式CQ-16.181.6631.06277.5层间剪切CQ-26.221.9811.22774.7层间剪切CQ-36.341.9821.27676.2层间剪切CQ-46.141.9791.33882.6层间剪切CQ-56.192.0121.32779.9层间剪切CQ-66.121.9401.34985.2层间剪切平 均 值79.3/标 准 差4.01/CV/%5.06/表 6 EM118 材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式EM118-16.112.0771.06663.0层间剪切EM118-26.102.1071.12965.9层间剪切EM118-36.102.0541.13367.8层间剪切EM118-46.162.1721.03458.0层间剪切EM118-56.092.0611.11266.4层间剪切EM118-66.162.0641.11265.6层间剪切平 均 值64.5/标 准 差3.55/CV/%5.50/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。表 7 T700 材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式T700-16.192.0451.64697.5层间剪切T700-26.161.7201.33794.6层间剪切T700-36.162.0991.734101层间剪切T700-46.232.0691.65696.4层间剪切T700-56.192.0621.65397.1层间剪切T700-66.192.0561.65397.4层间剪切平 均 值97.3/标 准 差1.94/CV/%1.99/表 8 T800 材料层间剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN短梁强度sbs/MPa破坏模式T800-16.132.0711.66198.1非弹性变形T800-26.222.111.72498.5非弹性变形T800-36.122.1221.768102非弹性变形T800-46.102.0881.784105非弹性变形T800-56.162.1031.796104非弹性变形T800-66.142.1151.802104非弹性变形平 均 值102/标 准 差2.99/CV/%2.93/29 1 期中小型无人机国产碳纤维复合材料剪切性能研究图 2 短梁强度典型破坏模 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 70.5MPa,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计。图 9 纵横剪切典型破坏模式表 9 T700S 材料纵横剪切性试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN最大载荷Pmax/kN破坏强度Sb/MPa最大剪强度Smax/MPa剪切模量G12/GPa偏移强度S0.2%/MPa偏移应变0.2%/最大剪应变max/破坏模式T700S-ZJ-125.022.22811.6969.07410581.44.7356.01353150000AGMT700S-ZJ-225.062.24010.1488.90190.479.34.6552.21301850000AGMT700S-ZJ-325.102.2469.7588.60386.676.34.6852.61310250000AGMT700S-ZJ-425.072.2348.6838.47377.575.74.7651.61270850000AGMT700S-ZJ-525.132.2399.6678.57285.976.24.5452.81340050000AGMT700S-ZJ-625.072.2449.5808.64085.276.84.6852.61304950000AGM平 均 值88.477.64.6753.01313450000/标 准 差9.112.250.071.522940.00/CV/%10.32.901.602.882.240.00/表 10 EM118 材料纵横剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN最大载荷Pmax/kN破坏强度Sb/MPa最大剪强度Smax/MPa剪切模量G12/GPa偏移强度S0.2%/MPa偏移应变0.2%/最大剪应变max/破坏模式EM118-ZJ-124.992.07810.1245.68297.554.74.3844.11160450000AGMEM118-ZJ-225.032.07310.2335.94798.657.34.4845.21164450000AGMEM118-ZJ-325.002.06310.2645.53099.553.64.4242.11112750000AGMEM118-ZJ-425.062.0819.8535.81594.555.84.5444.91146350000AGMEM118-ZJ-525.052.0709.7775.83194.356.24.5544.41135150000AGMEM118-ZJ-625.012.0839.9295.92595.356.94.5845.21146250000AGM平 均 值96.655.84.4944.31144250000/标 准 差2.231.380.081.171870.00/CV/%2.312.481.792.651.640.00/39纤维复合材料2024 年 表 11 ZT7G 材料纵横剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN最大载荷Pmax/kN破坏强度Sb/MPa最大剪强度Smax/MPa剪切模量G12/GPa偏移强度S0.2%/MPa偏移应变0.2%/最大剪应变max/破坏模式ZT7G-ZJ-125.122.04413.7597.40113472.14.5045.11154050000AGMZT7G-ZJ-225.132.01913.6427.28213471.84.4744.21149050000AGMZT7G-ZJ-325.182.06913.6657.18413169.04.1541.91176950000AGMZT7G-ZJ-425.202.04113.7107.31113371.14.3943.81160550000AGMZT7G-ZJ-525.132.06413.8657.21313469.54.1543.51199250000AGMZT7G-ZJ-625.152.08613.7517.27013169.34.1842.91183750000AGM平 均 值13370.54.3143.61170550000/标 准 差1.461.350.171.091940.00/CV/%1.101.923.852.501.650.00/表 12 CQ 材料纵横剪切性能试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN最大载荷Pmax/kN破坏强度Sb/MPa最大剪强度Smax/MPa剪切模量G12/GPa偏移强度S0.2%/MPa偏移应变0.2%/最大剪应变max/破坏模式CQ-ZJ-125.151.97311.8286.60611966.64.2342.81180550000AGMCQ-ZJ-225.071.96211.9806.37212264.84.2143.21188150000AGMCQ-ZJ-325.161.96911.9836.38112164.44.2142.11160550000AGMCQ-ZJ-425.071.81310.9236.37612070.24.8046.91127650000AGMCQ-ZJ-525.081.90411.6686.31812266.24.4344.01148150000AGMCQ-ZJ-625.111.96711.7286.36011964.44.2643.21171150000AGM平 均 值12166.14.3643.71162650000/标 准 差1.402.200.231.672230.00/CV/%1.163.335.353.831.920.00/表 13 MTM28 材料纵横剪切试验结果试件编号宽度/mm厚度/mm破坏载荷Pb/kN最大载荷Pmax/kN破坏强度Sb/MPa最大剪强度Smax/MPa剪切模量G12/GPa偏移强度S0.2%/MPa偏移应变0.2%/最大剪应变max/破坏模式MTM28-ZJ-125.192.07213.4236.38712961.24.1240.71145550000AGMMTM28-ZJ-225.132.03913.3306.28713061.44.0140.41180950000AGMMTM28-ZJ-325.232.05313.2306.57612863.54.1241.21159950000AGMMTM28-ZJ-425.222.06913.3916.37012861.14.0940.31144850000AGMMTM28-ZJ-525.122.03513.1826.28512961.54.0240.41163150000AGMMTM28-ZJ-625.152.07713.4366.79912965.14.2442.01129650000AGM平 均 值12962.34.1040.81153950000/标 准 差0.771.650.080.671790.00/CV/%0.602.652.051.651.550.00/4 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1 赵渠森,郭恩明.先进复合材料手册 M.机械工业出版社.2 李文晓,吴文平.PMI 泡沫芯材填充 GFRP 帽型筋梁弯曲性能研究 J.工程塑料应用.2009,37(1):56-59.3 胡培,陈秀华.PMI 泡沫夹芯结构在 A380 后压力框上的应用J.复合材料结构件制造技术.2009(15):46-49.4 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,一、工艺方案设计 J.玻璃钢/复合材料,2001(3):29-31.5 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 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