在低空经济加速落地的背景下，无人机作为核心载体正朝着“更轻、更强、更省”的方向突破，而复合材料的技术迭代成为这一突破的关键支撑。碳纤维增强聚合物（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、芳纶复合材料凭借各自独特的力学性能与成本优势，在无人机结构设计中形成了互补应用的格局，深刻影响着无人机的续航能力、任务适应性与产业化规模。

广化测评（广州合成材料研究院有限公司/广州老化所）基于复合材料等方面领先的检测能力和材料老化等领域70年历史积累，可为无人机提供从材料到零部件及制品的可靠性安全性评价和寿命预测服务。      

哈博森zino型多旋翼无人机

一、核心复合材料的特性与适配场景

不同复合材料的性能差异，使其在无人机结构中承担着差异化的功能角色，精准匹配不同场景的核心需求。以碳纤维增强聚合物（CFRP）为例，其是目前无人机轻量化的“标杆材料”。这种“轻而强”的特性使其成为无人机核心承力结构的首选。

值得注意的是，在无人机高频次、长周期的低空作业中，CFRP的寿命和耐久性是决定结构可靠性的核心指标。与金属材料不同，CFRP不存在明确的寿命极限，其损伤具有累积性和隐蔽性，长期承受交变载荷（如气流扰动导致的机翼振动、旋翼旋转产生的周期性应力）可能引发纤维断裂、树脂开裂或界面脱粘，最终导致结构突发性失效。

因此，精准评估CFRP的疲劳特性和长期受载条件下的蠕变特性并通过测试优化结构设计，成为无人机安全运行的关键环节。

二、全维度测试手段

针对CFRP的耐久性能测试，我们工程师形成了一套成熟的技术体系，涵盖从基础力学性能测试到仿真模拟的全维度测试手段：

（1）基础疲劳测试：循环载荷下的失效监测

实验设备采用ZwickRoell LTM 电子疲劳试验机，该仪器具备疲劳测试全流程功能，可支持S-N曲线的从103到108循环的应力-寿命关系，满足实验室认证需求。

工程师会根据材料特性及所应用的工况场景，进行静态力学性能试验如压缩或拉伸强度，随后采用拉-拉、压-压、三点弯曲和四点弯曲疲劳试验，疲劳试验和在疲劳试验机上施加正弦交变载荷，通过控制应力比（最小应力/最大应力）和加载频率，记录材料从初始加载到失效的循环次数。 

拉力机 与 ZwickRoell LTM 电子疲劳试验机

例如，对某低空飞行器CFRP材料进行拉-拉疲劳测试（应力比0.1，频率10Hz），可获取其在不同应力水平下的疲劳寿命数据，为结构设计提供阈值参考。

 要保证CFRP材料的可靠性，光测疲劳还不够，还要把蠕变和应力松弛也纳入测试体系，形成“全方位体检”。

（2）蠕变测试：长期受载下的变形追踪

在进行蠕变测试之前，我们工程师采用ZwickRoell先进高低温材料试验机，测定CFRP材料的压缩、弯曲或拉伸强度和屈服强度。根据断裂强度，利用ZwickRoell Kappa Multistation多工位电动蠕变试验机对CFRP试样施加恒定载荷，该仪器可做到多工位共享同一温控环境和基准校准，减少不同批次试验的环境波动影响，数据重复性更优。

ZwickRoell Kappa Multistation多工位电动蠕变试验机

通过绘制“应变/应力-时间曲线”来检测材料的使用寿命。例如，某CFRP材料在50MPa载荷、-40℃环境下，1000小时蠕变变形量达0.3%，刚好控制在设计允许范围内。

（3）应力松弛测试：固定变形下的应力衰减监测

将CFRP试样拉伸或压缩至指定应变，然后用传感器长期监测应力变化。测试设备采用ZwickRoell Kappa Multistation多工位电动蠕变试验机，该设备同样支持应力松弛测试，尤其适用于需要多试样并行测试的场景（如材料批次验证、工艺优化对比等），该设备通过电动伺服驱动系统+高精度载荷/位移控制，可直接满足应力松弛测试的核心需求：固定试样变形，监测应力随时间的衰减过程。一般来说，无人机设计中必须预留应力松弛余量，比如将初始预紧力提高20%。

（4）多轴冲击测试：评估材料在应力状态下的抗冲击性能、韧性、断裂行为

多轴冲击试验可模拟材料在实际应用中可能受到的碰撞、爆炸、跌落等冲击载荷，比单轴冲击更接近真实工况。测量材料在冲击过程中吸收的能量，评估其抗冲击性能（如汽车防撞部件、防护材料）。同时可以分析出金属、复合材料、塑料材料在高应变速率下的脆性/韧性断裂行为。尤其可在高低温环境下进行冲击试验，研究材料在不同温度下的性能变化。

实际作业中，CFRP同时承受交变载荷（疲劳）和长期静载荷（蠕变）等多种影响因素，还可能在不同交变温度下持续作业，要实现对CFRP寿命的准确检测，离不开仿真技术的应用。在CFRP材料寿命的仿真推算中，温度是不可忽视的关键影响因素，Arrhenius公式作为描述温度与反应速率关系的经典模型，为量化温度对CFRP损伤的加速效应提供了重要工具。损伤的加速效应提供了重要工具。

三、基于Arrhenius公式的CFRP寿命仿真技术

CFRP的损伤本质上是树脂基体老化、纤维-树脂界面弱化等微观过程的宏观体现，这些过程的速率与温度密切相关（温度升高会加速分子运动），导致树脂交联结构破坏速度加快，界面粘结力衰减加剧，最终缩短材料寿命。

Arrhenius公式的核心思想是用指数函数描述温度对反应速率的影响，在CFRP寿命仿真中，这一公式被用于建立不同温度下疲劳损伤速率的关联，实现从高温加速试验数据到实际工况寿命的外推。

公司简介&服务能力

 广化测评，全称广州合成材料研究院有限公司，成立于1960年，前身为化学工业部合成材料老化研究所（广州老化所），现隶属于世界500强中国中化控股有限责任公司。是国家级高新技术企业，取得国家资质（CMA、CNAS)。在合成材料老化领域拥有60余年的研究和发展历史，累计主导或参与制修订的国际、国家、行业、团体等各级标准和技术规范共 200余件。

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