复合材料具有轻质、比强度高、比模量高、抗疲劳能力强、抗震能力强的优点。同时，根据不同的加工工艺，它具备各向异性的特点，本身具有可设计性，在不改变结构重量的情况下，可根据无人机的强度、刚度要求进行优化设计。复合材料的耐腐蚀性能，可满足无人机恶劣环境下长储存寿命的特殊要求。据了解，复合材料应用于无人机结构可以减重20%-30%，无人机复合材料应用占比达到整体材料应用的60%-80%以上。

复合材料包括基体树脂（热固树脂：环氧、酚醛、双马来酰亚胺等；热塑树脂：PET、PEEK、PE、PP等）和增强体纤维（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等）。

碳纤维复合材料是无人机和eVTOL机身结构的主要材料，具有质量轻、强度大，兼具抗疲劳、耐腐蚀等特点，将碳纤维复合材料用于打造eVTOL，能够帮助机身整体重量减少30%-40%。分析人士认为，未来几年eVTOL是碳纤维复合材料的绝对增量市场，这种轻量化材料主要用于框架、翼面、螺旋桨等部件。据悉，单台eVTOL对碳纤维需求在100-400kg之间。

玻璃纤维增强塑料以其耐腐蚀、耐高低温、耐辐射、阻燃和抗老化的特性，在低空飞行器如无人机的制造中发挥着重要作用，有助于减轻飞行器重量，增加有效载荷，节省能源，并实现美观的外观设计。

基体树脂分为热固性树脂和热塑性聚合物。常用的热塑性聚合物有PEEK、PA、PE、PP、PVC等 ，热固性聚合物有环氧树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺和双马来酰亚胺等。

复合材料在无人机及飞行汽车上的应用越来越多，可用于制造机身、机翼、尾翼、电池壳等无人机部件。

复合材料成型加工工艺

复合材料的加工工艺主要包括预浸料制备、层叠成型、固化硬化等步骤。成型工艺的关键是在使制品的形状尺寸及表面质量满足要求的前提下，让增强材料与基体材料尽量良好的结合，并尽量减少其性能降级，在基体材料充分固化后，制品的孔隙率应尽量减少，浸渍率尽量提高，从而保证制品的力学性能。

1. 热压罐工艺

热压罐工艺是纤维复合材料应用较多、最为常见的一种成型方式。热压罐工艺生产的制品占整个复合材料制品产量50%以上，在航空航天领域的比重更是高达80%以上。

热压罐成型是将复合材料毛胚、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，在真空（或非真空）状态下，利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料坯料进行加热、加压以完成固化成型。

热压罐工艺优点：

• 罐内压力均匀，构件孔隙率较低、树脂含量均匀；

• 罐内各点气体温度基本一致，升降温过程中各点温差不大，可以保证成型零件的质量稳定；

• 模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型；

• 热压罐的温度和压力条件几乎能满足所有聚合物基复合材料的成型工艺要求。

热压罐工艺缺点：

• 投资大，成本高，热压罐系统庞大，结构复杂；

• 每次固化都需要耗费大量价格昂贵的真空袋、密封胶条、隔离膜、透气毡、脱模布等辅助材料，同时成型中要耗费大量的水、电、气等能源。

2. 高压树脂传递模塑成型HP-RTM

HP-RTM利用高压压力将树脂对冲混合，并注入到预先铺设有纤维增强材料和预置嵌件的真空密闭模具内，经树脂流动充模、浸渍、固化和脱模，获得复合材料制品的成型工艺。

工艺优点：可以生产尺寸公差较小、表面光洁度较好的小型复杂结构零件，实现复合材料零件的一致性；RTM工艺相比于成熟的预浸料/热压罐成型工艺，在降低材料成本和制造成本方面效果显著。HP-RTM是RTM工艺的优化升级，具有低成本、短周期、大批量、高质量生产（良好的制件表面）等优势，是现在广泛应用在多行业的复合材料成型工艺之一。

工艺缺点：可制造零件尺寸有限；由于树脂压力高和纤维压实松散，可能会冲刷分散纤维。此外，注射浇口和排气口的位置不当可能会导致复合材料中出现宏观空隙。

3. 非热压罐成型（out of autoclave,OoA）

非热压罐成型技术是在航空制件中低成本复合材料成型技术，与热压罐成型工艺的主要区别在于材料成型时不需施加外压。在降低成本、超大型制件等方面具有明显优势。

非热压罐成型工艺示意图

成型优点：

• 可确保均匀的树脂分布；

• 可在较低的压力和温度下固化；

• 成型模具要求相对热压罐成型模具大大降低，较低的温度下，成型工具和部件的热膨胀系数(CTE)之间的不匹配性也更小一些，因而更容易掌控产品的质量；

• 常适合复合材料零件修补。

4. 模压成型工艺

模压成型工艺是将一定量预浸料放入到金属模具的对模模腔中，利用带热源的压机产生一定的温定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满流动、充满模腔成型和固化品的一种工艺方法。

模压成型工艺的特点是在成型过程中需要加热，加热的目的是使预浸料中树脂软化流动，充慢模腔并加速树脂基体材料的固化反应。预浸料充满模腔过程中，不仅树脂基体流动，增强材料也随之流动，树脂基体和增强纤维同时填满模腔的各个部位。

模压成型的优点是生产效率较高、制品尺寸准确、表面光洁，尤其对结构复杂的复合材料制品一般可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。

缺点是是模具设计与制造较为复杂，初次投入较大。

5. 纤维缠绕成型

缠绕成型是一种适用于制备旋转体制品的复合材料成型工艺。它将增强材料按照一定的规律缠绕在芯模上，然后注入树脂并固化，最终得到制品。

优点：

• 可以制备高性能的旋转体制品；

• 适用于各种增强材料和基体树脂的组合；

• 生产效率较高。

缺点：

• 需要使用专门的缠绕设备和模具，设备成本较高；

• 制品的形状和尺寸受到一定限制；

• 需要控制好缠绕的规律和树脂注入量，操作难度较大。

6. 增材制造（3D打印）工艺

3D打印技术能够快速加工制造形状复杂的精密部件，无需模具即可实现个性化生产。3D打印技术是将三维模型进行切片处理后，按照预设路径逐层堆叠，最终制备出所需制品，该成型技术能有效缩短零部件的生产周期，提高材料的利用率，降低制造成本，突破了传统成型方式制备一体式复杂零件的技术障碍，特别是针对小批量复杂零件的制造和零件市场化前的设计优化。其主要技术包括立体光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）。

同济大学连续碳纤维增强复合材料3D打印无人机

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