Перейти к содержимому
27

68. Композиты: углепластик, стеклопластик, layup, дефекты #

Карбон выигрывает у металла не в прочности, а в прочности на единицу массы: при том же весе ламинат в 3–4 раза жёстче алюминия. Но композит — анизотропный материал: его свойства задаются направлением волокон (layup), а главная опасность — скрытые ударные дефекты (дифминация), которых «не видно глазом». Здесь — свойства угле- и стеклопластика, правила layup, каталог дефектов и пять расчётных задач.

Содержание

1. Цели статьи

Справочник по композитам для рамы БПЛА: углепластик (CFRP) и стеклопластик (GFRP). Материал рассчитан на инженера, который выбирает композит под конкретный узел, понимает, откуда берутся его свойства (layup), и знает, какие дефекты убивают ламинат раньше, чем он «доживёт» до усталости (статья 67).

  • Отличить CFRP от GFRP по свойствам и назначению: карбон — силовые элементы, стеклопластик — второстепенные и влагозащищённые детали.
  • Понять анизотропию: ламинат прочный вдоль волокон и слабый поперёк; свойства задаёт layup.
  • Знать правила layup: симметрия, балансировка, не более 3–4 слоёв подряд под одним углом.
  • Знать главный враг — дифминацию от удара (BVID: damage без внешних следов) и порядок действий после удара винта.
  • Считать: специфические жёсткость и прочность (E/ρ, σ/ρ), массу деталей, потерю прочности после дефекта.
Связь с соседними статьями. Статья 66 — формулы (тут применяем к композиту, E — по layup). Статья 67 — усталость: у CFRP предел 40–60% плоскостной прочности. Статья 71 — крепёж в композите: втулки, моменты затяжки. Статья 72 — старение и УФ.
↑ К оглавлению

2. Глоссарий величин

Полный перечень величин с единицами измерения.

ВеличинаОбозначениеЕдиницыТипичные значения
Модуль упругости ламинатаEГПаCFRP: 70–155 (по волокну), 20–40 (плоскость); GFRP: 30–45
Плотностьρг/см³ (кг/м³)CFRP 1,45–1,6 (1450–1600); GFRP 1,8–2,0 (1800–2000)
Прочность на разрыв (плоскостная)σ_прМПаCFRP 300–600; GFRP 300–600
Специфическая жёсткостьE/ρГПа·см³/гCFRP ~100; Al 6061 ~26; сталь ~26
Специфическая прочностьσ/ρМПа·см³/гCFRP ~390; 6061 ~115; сталь 8.8 ~84
Объёмная доля волокнаVf%35–45 % (ручная укладка), до 60 % (автокла)
Пористость (voids)Vv%2–5 % (ручная), меньше 1 % (инфузия/автоклав)
Потеря прочности после удара—%30–80 % на зоне BVID
Температура стеклования смолыTg°Cэпоксид: 120–180
↑ К оглавлению

3. Углепластик и стеклопластик

Композит — материал из наполнителя (волокно несёт нагрузку) и матрицы (эпоксидная смола передаёт нагрузку волокнам и защищает их). [Композитный материал — Composite_material / Композитный материал]

3.1. Углепластик (CFRP)

Углеволокно (carbon fiber) + эпоксидная смола. Волокно — очень прочное и жёсткое (Eволокна 230–400 ГПа), но тонкое (5–7 мкм) и хрупкое; смола держит волокна вместе. Результат — материал, который на единицу массы в разы превосходит металл: [CFRP — Carbon-fiber_reinforced_polymer (рисунок — Wikipedia) / Углепластики; углеволокно — Carbon_fiber]

3.2. Стеклопластик (GFRP)

Стекловолокно (E-glass) + эпоксид или полиэстер. Жёсткость вдвое-втрое ниже углепластика, плотность на 20–30 % выше, цена в 2–4 раза ниже. [Стеклопластик — Fiberglass / Стеклопластик] В БПЛА: корпуса, боксы, декоративные и второстепенные силовые элементы, где важна влагостойкость (стекловолокно не боится воды в отличие от карбона, который набухает на границе волокно/смола).

3.3. Сравнение в цифрах

СвойствоCFRPGFRP6061-T6Сталь 8.8
E, ГПа (рабочее направление)70–15530–4569200
ρ, г/см³1,45–1,61,8–2,02,707,85
σ_пр (плоскость), МПа300–600300–600310660–800
E/ρ, ГПа·см³/г~100~18~26~26
σ/ρ, МПа·см³/г~390~180~115~84–102

Вывод из таблицы: CFRP — в 4 раза жёстче алюминия при той же массе; GFRP — на уровне алюминия по жёсткости, но легче на 30 %.

↑ К оглавлению

4. Layup: как складывается ламинат

Один слой (ламина) укладывается волокнами в одном направлении. Свойства ламина: вдоль волокон — очень высокие (σ 800–1500 МПа, E 130–230 ГПа), поперёк — в 5–10 раз ниже (Eпоперек 10–20 ГПа, σ_поперек 30–70 МПа). Ламинат — пакет ламин, и его свойства задаются layup — последовательностью и углами слоёв.

Layup (обозначение)СвойстваГде в БПЛА
Однонаправленный (все 0°)максимум прочности вдоль оси; поперёк слабтрубы, стержни на растяжение
[0/90] — крест накрестизотропнее; изгиб в двух осяхплиты, боксы
[±45]s — пакет на сдвигмаксимум на сдвиг/кручениерукава (кручение от удара винта)
[0/±45/90]s — квазиизотропныйпочти одинаково во всех направлениях плоскостиосновная рама, панели

Обозначение: [0/90]s — «s» означает симметрию: пакет зеркальный (0/90/90/0). Углы — к главной оси детали.

Правила layup (работают для всех композитов):

  • Симметрия. Пакет зеркальный относительно средней плоскости — иначе деталь «поплывёт» (изогнётся) после полимеризации.
  • Балансировка. Слои +45 и −45 в равном количестве — иначе ламинат имеет остаточный крутящий момент и «ведёт» при нагреве.
  • Не более 3–4 слоёв подряд под одним углом — иначе локальная дифминация при ударе не «рассеется», а пойдёт насквозь.
  • Несущие волокна — в плоскости нагрузки. Изгиб панели в одной оси — слоями 0°; кручение рукава — ±45.
CFRP-труба для рамы: намотка под ~45° даёт Eосевое 70–115 ГПа (изгиб) и достаточное сопротивление кручению. Если труба намотана под 60–70° (больше «по окружности»), осевая E падает до 30–50 ГПа — такую трубу под силовой рукав не берите.
↑ К оглавлению

5. Дефекты: дифминация и BVID

Дифминация — отслоение слоёв ламината друг от друга. [Delamination — Delamination (рисунок — Wikipedia) / Расслаивание] Главная причина в эксплуатации — удар: падение на твёрдое, удар винта о препятствие, посадка с креном. Волна сжатия (статья 67) «выдавливает» волокна в одну сторону, а на противоположной поверхности возникает отслоение.

BVID (barely visible impact damage) — ударный дефект без внешних следов: снаружи видно лёгкое матовое пятно, внутри — дифминация 10–30 мм. Потеря плоскостной прочности в зоне дефекта: 30–80 % (зависит от скорости удара и layup).

ДефектПричинаПотеря прочностиКонтроль
Дифминация от удара (BVID)удар, падение30–80 % в зонеперкуссия (стук пальцем), УЗИ, рентген
Поры (voids)ручная укладка, влага в смоле5–15 % (равномерно)визуально (на сечении), УЗИ
Волнистость волокон (waviness)неровная укладка, вмятины от инструмента10–30 % на сжатиевизуально на торце
Обрыв волокон на торцепила без подложки, сверловкалокально 20–40 %визуально, микроскоп
Неспрожжённая смола (dry spots)мало смолы, неправильная инфузия20–50 % в зоневизуально (блёклые пятна), УЗИ
Правило после удара. Любой удар, при котором деталь «звенит» иначе (перкуссия: здоровый карбон — звонкий, дифминированный — глухой), — повод снять деталь и проверить УЗИ. Деталь с BVID больше 10 мм в несущем элементе — на замену или на доработку (патч, статья 71).
↑ К оглавлению

6. Слабые стороны и эксплуатация

  • Поперечная нагрузка. Волокно поперёк слабое (σ_поперек 30–70 МПа против 800–1500 вдоль). Проектируйте так, чтобы основная нагрузка шла вдоль волокон; точечные нагрузки (болты) — только через втулки (статья 71).
  • Сжатие ниже растяжения. \(\sigma_{сжатие} = 0 \),5–0,7 от σ_растяжение (волнистость волокон). Стойки из CFRP считают по сжатию.
  • Влага. Граница волокно/смола набухает: при длительном контакте с водой усталость CFRP падает на 10–30 %. Стеклопластик (GFRP) на это не реагирует — для «мокрых» деталей (батарея, электрарматура) GFRP надёжнее.
  • Гальваническая пара. Карбон (проводящий) + алюминий в присутствии электролита (дождь, конденсат) — гальваника: алюминий разрушается вокруг болтов (анодное растворение). Изолируйте: полиамидные втулки/шайбы, краска, оксидная плёнка (статья 72).
  • Температура. Tg эпоксидной смолы 120–180 °C: выше — смола размягчается, свойства падают в 2–3 раза. Летом в закрытом корпусе БПЛА — до 60–70 °C, до Tg далеко.
  • Ремонт. Структурный ремонт — патч (усиление) поверх зоны дефекта: наждак до здоровых слоёв, смола + рубленое стекловолокно (или препрег), пресс. Неструктурный (декор) — смола + стекловолокно. Сверлить ламинат «насквозь» для болтов — плохая практика: втулка + прижимная пластина. [Эпоксидная смола — Epoxy / Эпоксидная смола]
↑ К оглавлению

7. Практика: типовые задачи

Задача 1. CFRP против Al: жёсткость и масса

Задача. Поперечина рамы: труба d12/10, пролёт \(L = 400\ \text{мм} \), в центре \(P = 100\ \text{Н} \). Сравнить прогиб и массу алюминиевой (6061, \(E = 69\ \text{ГПа} \)) и карбоновой (CFRP, \(E = 100\ \text{ГПа} \) по оси) трубы той же геометрии.

Заданные параметры:

Параметр6061CFRP
Трубаd12/10, I = 527,1 мм⁴, A = 34,6 мм², L = 400 мм
E, ГПа69100
ρ, г/см³2,701,50
P, Н100

Искомые параметры: δ (мм) и m (г) для каждой; отношение.

Решение.

  1. δ = P·L³/(48EI). 6061: \(\delta = 100\cdot \frac{64\,000\,000}{48\cdot 69\,000\cdot 527{,}1} = 3{,}67\ \text{мм} \).
  2. CFRP: \(\delta = 3{,}67 \cdot (69/100) = 2{,}53\ \text{мм} \) (жёстче в 1,45 раза при той же массе геометрии).
  3. Объём стенки: \(V = A\cdot L = 34{,}6\cdot 400 = 13\,840\ \text{мм}^{3} \).
  4. Масса: 6061: \(m = 13\,840\cdot 2{,}70 = 37\,368\ \text{мг} = 37{,}4\ \text{г} \); CFRP: \(m = 13\,840\cdot 1{,}50 = 20\,760\ \text{мг} = 20{,}8\ \text{г} \).
  5. Отношение масс: 37,4/20,8 = 1,80.
Ответ: 6061: \(\delta = 3{,}67\ \text{мм} \), 37,4 г; CFRP: \(\delta = 2{,}53\ \text{мм} \), 20,8 г. Карбон — на 44 % легче и на 45 % жёстче.

Вывод. При той же геометрии карбон выигрывает по обоим параметрам; реальное преимущество больше: карбоновую трубу делают тонкостенной (меньше масса при той же жёсткости), и E/ρ работает в полную силу.

Задача 2. Масса рамы: CFRP против 6061

Задача. Рама из поперечин и рёбер: суммарный объём материала \(V = 2000\ \text{см}^{3} (= 2\cdot 10^{6}\ \text{мм}^{3}) \). Оценить массу в CFRP \((\rho = 1{,}55\ \text{г/см}^{3}) \) и в \(6061 (\rho = 2{,}70\ \text{г/см}^{3}) \).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Объём материалаV = 2000 см³
Плотность CFRP1,55 г/см³
Плотность 60612,70 г/см³

Искомые параметры: m для каждого материала; экономия.

Решение.

  1. m_CFRP = 2000 · 1,55 = 3100 г.
  2. m_Al = 2000 · 2,70 = 5400 г.
  3. Экономия: \(5400 - 3100 = 2300\ \text{г} = 43 \% \).
Ответ: CFRP 3100 г; 6061 5400 г; экономия 2300 г (43 %).

Вывод. Для 5-килограммового БПЛА 2,3 кг — это 46 % от массы: каждый килограмм, сэкономленный на раме, позволяет поставить батарею поменьше, а время полёта такого БПЛА растёт на 20–30 %. Это не только «лёгче» — это и центр тяжести, и автономность.

Задача 3. Удар винта: что делать дальше

Задача. Рукав CFRP после удара винта о землю: на торце — матовое пятно 10 × 10 мм, перкуссия — глухая. Зная, что BVID снижает плоскостную прочность на 50 %, оценить пригодность рукава: до удара он держал \(P_{доп} = 800\ \text{Н} \), рабочая нагрузка 350 Н, \(n_{треб} = 2 \).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Зона BVID10 × 10 мм, перкуссия глухая
Снижение прочности50 % (типично для средней скорости удара)
Расчётная нагрузка до удараPдоп = 800 Н
Рабочая нагрузка350 Н
Требуемый запасn_треб = 2

Искомые параметры: Pдоп после удара; n; решение (летать/ремонт/замена).

Решение.

  1. Pдоп после удара = 800 · 0,5 = 400 Н.
  2. Проверка рабочей нагрузки: 350 меньше 400 — «держит», но \(n = \frac{400}{350} = 1{,}14 \).
  3. n_треб = 2 не выполняется; плюс дефект — точка старта усталости (статья 67).
Ответ: Pдоп после удара = 400 Н; \(n = 1{,}14 \) (нужно 2) — летать нельзя. Варианты: структурный патч (статья 71) или замена рукава.

Вывод. «Держит на рабочей нагрузке» для детали с BVID — не критерий: запас 1,14 означает, что любой пик (удар, рывок) её доведёт до дифминации дальше. Карбон после удара — либо на УЗИ, либо в ремонт.

Задача 4. Нагрузка поперёк волокон

Задача. Плита CFRP 10 × 2 мм, волокна вдоль стороны 10 мм. На неё действует сила 600 Н: (а) вдоль волокон, (б) поперёк. Оценить напряжение и запас (\(\sigma_{вдоль} = 1200\ \text{МПа} \), \(\sigma_{поперек} = 40\ \text{МПа} \)).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Плита10 × 2 мм, волокна вдоль 10 мм
Площадь сечения (перпендикулярно нагрузке)A = 20 мм²
СилаP = 600 Н
Прочность вдоль волокон1200 МПа
Прочность поперёк40 МПа

Искомые параметры: σ и n для (а) и (б).

Решение.

  1. σ = P/A = 600/20 = 30 МПа (для обоих направлений — сечение одно).
  2. (а) Вдоль волокон: \(n = \frac{1200}{30} = 40 \).
  3. (б) Поперёк волокон: \(n = \frac{40}{30} = 1{,}33 \) — ниже 2, деталь не проходит.
Ответ: \(\sigma = 30\ \text{МПа} \); вдоль волокон n = 40 (запас огромный), поперёк \(n = 1{,}33 \) (не проходит). Та же деталь несёт 40-кратный запас в одну сторону и почти не несёт в другую.

Вывод. Анизотропия — главная «ловушка» композита: при конструировании всегда рисуйте вектор нагрузки и направление волокон. Поперечная нагрузка — через втулки, крест-накрест ([0/90]) или ±45.

Задача 5. Кронштейн антенны: CFRP или GFRP

Задача. Кронштейн антенны: труба d10/8, консоль \(L = 150\ \text{мм} \), \(P = 2\ \text{Н} \) (требование \(\delta \leq \frac{L}{200} = 0{,}75\ \text{мм} \)). Сравнить CFRP (\(E = 100\ \text{ГПа} \), \(\rho = 1{,}5 \)) и GFRP (\(E = 35\ \text{ГПа} \), \(\rho = 1{,}9 \)); масса трубы при \(A = 28{,}3\ \text{мм}^{2} \).

Заданные параметры:

ПараметрCFRPGFRP
E, ГПа10035
ρ, г/см³1,51,9
Геометрияd10/8 (I = 289,8 мм⁴, A = 28,3 мм²), L = 150 мм, P = 2 Н

Искомые параметры: δ (мм) и m (г) для каждого; выбор.

Решение.

  1. δ = P·L³/(3EI). CFRP: \(\delta = 2\cdot \frac{3\,375\,000}{3\cdot 100\,000\cdot 289{,}8} = 0{,}078\ \text{мм} \).
  2. GFRP: \(\delta = 0{,}078 \cdot (100/35) = 0{,}222\ \text{мм} \).
  3. Оба меньше \(\frac{L}{200} = 0{,}75\ \text{мм} \) — требование выполнено обоими.
  4. Объём: \(V = 28{,}3\cdot 150 = 4245\ \text{мм}^{3} \). Масса: CFRP = 4245·1,5 = 6,4 г; GFRP = 4245·1,9 = 8,1 г.
Ответ: CFRP: \(\delta = 0{,}078\ \text{мм} \), 6,4 г; GFRP: \(\delta = 0{,}222\ \text{мм} \), 8,1 г. Оба подходят; CFRP — в 2,8 раза жёстче и на 21 % легче.

Вывод. Для антенны (где прогиб = потеря сигнала) — CFRP. GFRP оправдан, если деталь работает во влажной среде, или когда цена решает. Правило: для жёсткостных деталей — карбон, для влагозащитных и декоративных — стеклопластик.

↑ К оглавлению

8. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
CFRPE 70–155 ГПа, ρ 1,45–1,6, E/ρ ~100 — в 4 раза жёстче алюминия при той же массе.
GFRPE 30–45, ρ 1,8–2,0 — на уровне алюминия, дешевле и влагостойкий.
Layupсимметрия, балансировка ±45, не более 3–4 слоёв подряд под одним углом; несущие волокна — вдоль нагрузки.
BVIDудар без внешних следов, потеря 30–80 % прочности; перкуссия и УЗИ — контроль.
Слабые стороныпоперёк волокон (в 5–10 раз слабее), сжатие ниже растяжения, влага, гальваника с алюминием.
После ударадеталь с BVID больше 10 мм — на УЗИ или на замену, не «летать до первого отлома».
↑ К оглавлению

9. Источники

  1. Wikipedia, «Carbon Fiber» — свойства углеволокна. en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fiber Carbon_fiber_reinforced_polymer
  2. Wikipedia, «Carbon Fiber Reinforced Polymer» — CFRP, свойства ламинатов. en.wikipedia.org/wiki/Carbon-fiber_reinforced_polymer / ru.wikipedia.org/wiki/Углепластики (Углепластики)
  3. Wikipedia, «Fiberglass» — стеклопластик. en.wikipedia.org/wiki/Fiberglass / ru.wikipedia.org/wiki/Стеклопластик (Стеклопластик)
  4. Wikipedia, «Composite Material» — композиты в целом. en.wikipedia.org/wiki/Composite_material / ru.wikipedia.org/wiki/Композитный_материал (Композитный материал)
  5. Wikipedia, «Delamination» — дифминация. en.wikipedia.org/wiki/Delamination / ru.wikipedia.org/wiki/Расслаивание (Расслаивание)
  6. Wikipedia, «Epoxy» — эпоксидные смолы. en.wikipedia.org/wiki/Epoxy / ru.wikipedia.org/wiki/Эпоксидная_смола (Эпоксидная смола)

Проверено: 05.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Воскресенье, 13 сентября 2026