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发泡结构芯材|见证无人机从天空飞向太空的无敌进化

发布时间:2022-08-31 09:12:56 来源:立博app官方网站 作者:立博客户端app下载

内容简介:  2021 年 2 月 18 日,毅力号火星车将携带它的侦察兵—Ingenuity无人机在火星着陆,碳纤维发泡夹心层设计的螺旋桨将助力Ingenuity开启征服另一个星球的旅行。  无人机,承载着人类探索世界的梦想。而发泡材料作为无人机的翅翼护甲,见证了无人机从天空进入太空的无敌进化,助力人类的梦想实现得更轻、更快、更逼格。  无人机——无人驾驶飞行器(UAV),通常被称为无人驾驶飞机,是一种没有人类飞行员的飞机。UAV的飞行具有不同程度的自主性:要么由操作员远程控制,要么由机载计算机自主控制。早年无人机主要应用在军事领域,近些年随...

  2021 年 2 月 18 日,毅力号火星车将携带它的侦察兵—Ingenuity无人机在火星着陆,碳纤维发泡夹心层设计的螺旋桨将助力Ingenuity开启征服另一个星球的旅行。

  无人机,承载着人类探索世界的梦想。而发泡材料作为无人机的翅翼护甲,见证了无人机从天空进入太空的无敌进化,助力人类的梦想实现得更轻、更快、更逼格。

  无人机——无人驾驶飞行器(UAV),通常被称为无人驾驶飞机,是一种没有人类飞行员的飞机。UAV的飞行具有不同程度的自主性:要么由操作员远程控制,要么由机载计算机自主控制。早年无人机主要应用在军事领域,近些年随着科技进步,其用途正迅速扩展到商业、科学、娱乐、地理以及其他应用领域,如警务、维和、救援、产品运输、航空摄影、农业、监控和无人机竞赛等等。

  最近十年的无人机市场神级提速,使发泡材料制作应用异军突起。相对于木质材料以及碳纤维、玻璃纤维等复合材料,发泡材料成本更低、实用更强。无人机机身承载常用的材料分为发泡材料类、塑料、铜铁铝、碳纤维、尼龙、木材、玻璃钢等。由于无人机对重量的要求极为严格,为了减少机身的重量,机身往往采取发泡材料加碳纤维的复合材料实现其结构弹性和刚度分布要求。以发泡结构芯材为基础的夹层结构和层压板结构构成无人机复合材料的主要结构形式,成为当前最为热门的复合材料之一。为植入传感器、智能芯片,实现对无人机的实时监控和智能化控制做出了重要防护贡献。

  传统的微小型无人机通常采用轻木结构框架表面加以热缩蒙皮,或采用EPP等材质发泡成型;对多旋翼而言,机体通常采用铝合金型材,或者塑料。这些材料虽然重量轻,但是强度刚度不够,在外力的冲击下,能够轻而易举造成损伤,于是碳纤增强复合材料便成为了更好的选择。

  对于大型飞机而言,其机身主要采用薄壳结构,机翼以翼肋复合蒙皮。在小型无人机上并不能复制该种结构造型,这里面有成本控制、成型工艺等众多因素的影响。研究人员发现,碳纤维三明治夹芯结构能够减少这些影响。

  MetaBird仿生鸟的机身采用了坚固耐用的弹性软泡沫体,加上用于冲击阻尼的由碳纤维和液晶聚合物组成的柔性机翼翅膀,轻盈又坚不可摧。可以达到20公里/小时的速度,翅膀每秒可煽动高达18次。

  三明治夹心结构能保持完美的力学性能,能显著减轻重量提升机体轻量化。因此,三明治夹芯复合材料的应用变得越来越广泛。上下两层蒙皮选用碳纤增强复合材料(碳纤维树脂复合板材),芯材使用PET、PI、PMI等具有一定硬度和抗压能力的轻质发泡材料,通过一定的工艺,使之形成“碳纤维织物-发泡结构芯材-碳纤维”的复合夹心结构,这种方法多用于较为大型的无人机机体部件,能显著减轻重量,有效降低成本。

  模压成型工艺综合了热压罐成型技术和真空袋成型工艺的优点,模压成型工艺较为简单。无人机中舵面等采用发泡结构芯材的复合材料大多形成于该种成型工艺。模压成型就是先制作发泡结构芯材并将其铺贴蒙皮,铺贴好的发泡结构芯材便可以放入成型模之中,在成型模复合材料被压紧和固化。

  以PET、PI、PMI等结构性发泡芯材融入到碳纤维复合材料的设计中,成为高端无人机机翼以及部件的主流。

  PET发泡材料由聚对苯二甲酸乙二醇酯发泡而成,是世界上最普遍的高分子材料,也被行业内公认的未来复合材料行业的核心材料。PET发泡材料具有优异力学性能的闭孔泡沫,具有高刚、高温尺寸稳定、高温颜色稳定、抗蠕变、表面光泽好、易着色等性能优点,耐热性好、机械性能好、性价比高。可热成型直接生产指定形状和尺寸材料,而不用将材料进行分割,且可完全环保回收。

  CYGNUS A10既小又非常轻,机身主要是采用以Divinycell H发泡芯材(即PET发泡芯材)为三明治夹芯的高性能复合材料建造而成。Divinycell H被用于所有主要部件的制造,包括机身、机翼和尾翼组件。图源:戴铂新材料(张家港)有限公司

  PET发泡芯材的均衡性能使得在无人机在机身、机翼和尾翼组件的结构设计中有了更多的可设计空间。改性PET发泡芯材使PET发泡材料优异的力学性能更增强、稳定性更好、阻燃性更好,大大提升了无人机的轻量化、续航能力和工作时间。

  PI发泡材料,就是聚酰亚胺(英文名Polyimide,简称PI)泡沫,是聚酰亚胺树脂原材料与发泡剂、泡沫稳定剂等助剂通过聚合发泡反应而成的发泡材料。PI发泡材料种类多,具有优异的耐温、不燃、低烟密度等性能,还具有突出的耐辐射性、重量轻、柔性回弹好、便于施工等性能能,这些独特的性能是传统发泡塑料所无法比拟的。

  PI发泡材料满足了无人机应尽可能的轻质,实现了更高速、更远程、更强的有效载荷能力,同时提升了动态性能,这就使其成为要求具有抗震荡和抗冲击载荷领域的理想材料,节省能耗,提高载重。海绵状的、轻质PI发泡材料对于无人机而言,是作为夹层材料使用的。由于PI发泡结构芯材优良的高强度、重量比、高性价比等性能,让其成为民用无人机、商用无人机和军用无人机等理想发泡材料。

  PMI发泡材料,就是聚甲基丙烯酰亚胺发泡材料,也是当前无人机领域理想的发泡结构芯材,作为一种硬质闭孔发泡材料,具有轻质、高比强度、高比模量、高耐热、高阻燃、抗压缩、耐腐蚀、介电性好、易加工、耐疲劳、易粘接、高闭孔率等特点。PMI发泡材料用作复合材料夹层结构芯材,可以简化工艺,缩短周期,解决了蜂窝芯材所面临的孔格粗、易吸潮、易脱粘的问题,更解决了传统发泡芯材强度低、模量低、耐热性差的问题,提升复合材料夹层结构件的寿命和可靠性。

  因此,PMI发泡材料非常容易地解决了无人机飞行距离的行业挑战性难题——以PMI发泡芯材作为夹层结构的碳纤维复合材料,用于机身、机翼、桨叶等,可以显著降低无人机的重量并提供优异的机械性能,从而极大增加无人机的领续航能力。再加上一种加固和灵活的结构把各部分组合在一起,所以在着陆时可以重复撞击,所以不用担心无人机坠落或摔坏。

  PI/PMI发泡材料最早由NASA进行研究并生产用于军用和太空探索。NASA的“高速飞行器计划(High Speed Research Program)”来研制能满足在极端环境下使用的材料,TEEK系列PI发泡材料在此过程中应运而生。将于 2021 年 2 月 18 日在火星赤道以北的耶泽洛陨石坑(Jezero crater)上着陆的毅力号,搭载了机智号(Ingenuity)无人机。这架无人机重量仅为 1.8 公斤,装在探测器的腹部,将在火星的恶劣环境中尝试起飞。

  机智号无人机采用PMI发泡芯材作为完美的夹层复合到碳纤维叶片中——组成四叶螺旋桨叶片的设计转速可达每分钟2400转,对于无人机来说,这是极快的转速。轻质刚强的PMI发泡芯材将助力机智号无人机在稀薄的火星大气中自如飞行。这将是人造飞行器在地球以外的星球的首次飞行,或将开辟一条新的太阳系探索之路。

  关键词:Interfoam发泡材料展、无人机/UAV、结构发泡芯材、PET、PI、PMI、大疆无人机

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