航模結構材料的選擇與加工(下)

韓宇

航模材料的選擇

一、木材的選取原則

航模用的木材主要分原木和膠合板兩類。原木是樹木在采伐后經初步加工而成的材料，接近木材生長時的原始狀態。根據樹種不同，木材的密度和受力特性有一定區別，航模所用木材一般優先考慮使用密度較低的種類。由于木材具有紋理特征，因此其受力各向異性，順紋理方向的抗拉壓強度較高、橫紋方向的抗拉壓強度較低。為了改善原木各向異性的特性，人們將木材切成單板，再用膠粘劑粘合成三層或多層板材（各層木材的紋理相互垂直），制成受力特性相對均勻、形狀穩定的膠合板。膠合板一般用于航模的結構件，可承擔多向受力。

航模用輕木板材

航模用桐木板材

用于填充補強的松木

1.原木材料

原木加工時，要先經過脫水干噪和防腐處理后，再制成板材，以便進一步切割等二次加工。由于原木人工加工程度較低、紋理清晰、單向受力特性明顯，因此使用時需嚴格控制受力方向。航模上常用的原木材料中，密度由低到高有輕木、桐木、松木、樺木等。

輕木是最輕的商用木材，也是最符合航空工業輕質要求的原木材料。干噪的輕木密度約0.06-0.36克/立方厘米，與其他木材密度相比優勢明顯，具有材質松軟、紋理均勻、不易變形、易于加工等特點。因輕木結構變異小、體積穩定性好，生活中可用于救生胸帶、水上浮標等要求使用小密度材料的情況。制作航模時，輕木常用于受力較小的零部件，是翼肋、水平尾翼、垂直尾翼、翼尖等部位整形和填充的主要材料。此外，輕木也被用于制作夾芯板材料，還有少量輕木層板被用于航模承力結構件的制作。

桐木的密度較輕木略大，經干燥處理后，密度為0.2-0.4克/立方厘米。桐木也屬于密度較小的木材，其木紋直而均勻。與輕木相比，桐木相對強度更大，且變形較小。其紋理特點適合用于縱向延伸較長的結構，如桁條、梁緣條等，可承擔拉壓應力。此外，桐木制成的方截面木條還可用于對機身的結構進行加強。在航模制作中，桐木常被用于做機翼前緣條、后緣條、輔梁、翼肋等承力結構。用桐木條貫穿機身，能起到良好的補強作用。由于桐木價格較輕木低很多，且密度較小，因此航模制作中常用其代替輕木結構。

樺木常用于制作模型螺旋槳

松木，是實木家具的原材料之一其密度比以上兩種航模用木材大，強度也更高。用于航模的松木一般為軟松木如東北紅松、西伯利亞紅松等。天然的松木，因對大氣溫度反應靈敏、容易脹大、難自然風干等問題，需經人工處理，如烘干、脫脂去除有機化合物、漂白統一樹色、中和樹性等。處理好的松木，不易變形，加工性較輕木和桐木高。經干燥脫脂后，松木的密度為0.4-0.7克/立方厘米。其紋理均勻、木質細密，具有一定的彈性，主要用于模型的受力件，如機翼主梁、機身縱梁、發動機架等。在以管材為機身、機翼承力件的模型上管材打孔處強度較弱的部位，可用松木填充補強。這種加強方式在鋁管和碳管中比較常用。

樺木，密度約0.7克/立方厘米，航模制造中也有使用。因其加工性較其他原木略差，一般僅限于工廠加工。樺木切面光滑、油漆和膠合性能好、材質堅硬、紋理細密、彈性比松木大、不易變形，可用于制作模型的螺旋槳、發動機架等受力較大的構件，也是膠合板中航空層板的主要原料。

2.膠合板材料

膠合板，也稱層板，包括鍛木層板和航空層板等。膠合板通常為奇數層單板，是由膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料。相鄰層單板的纖維方向互相垂直，受力特性優于原木，但因加入了粘接劑，密度較原木高。

鍛木層板，是由鍛木單板和酚醛膠膜紙壓制而成的膠合板，密度比航空層板小，強度適中、較易加工，常用作機身隔框。在航模設計制作中，若沒有合適的材料，可用鍛木層板替代桐木、樺木等作為承力結構件。鍛木層板耐氣候、耐水性能優于其他木質材料，價格又低于輕木、桐木等板材，是性價比較高的材料。筆者曾見到有人在制作航模機體時，除蒙板外的部件均使用椴木層板，整機強度極高，結構重量較大，但也能滿足飛行的基本要求。

大尺寸模型的機身隔框大量使用層板制作

航空層板，是由樺木單板和酚醛膠膜紙壓制而成的膠合板具有良好的耐水、耐氣候、抗震動和優良的力學性能。航空層板常用作翼根部位翼肋（零號肋）、隔框、加強片等需要高強度的部件，其密度約0.8克/立方厘米。早期因缺乏激光切割工具，航空層板常被用于加工機翼翼肋模具，以便倒模量產翼肋。目前，航空層板逐漸被碳纖維復合材料板材或其他材料取代，更多地被用作工裝等輔助固定材料，在航模結構材料中已不常見。

二、塑料材料的選取原則

現在的模友在入門時，第一架航模往往是由發泡塑料制造的模型。這類材料以聚苯乙烯為基礎做成，具有成本低廉、抗沖擊性好、容易量產、材料密度小等特點，常見于航模生產廠商批量制造。除發泡聚乙烯材料外，用于航模的泡沫材料還包括可發性聚苯乙烯和發泡聚丙烯等。聚苯乙烯原為建筑外層保溫材料，因其符合小型低速模型對結構材料的要求，故被大量用于航模的制造。下面具體介紹這幾種泡沫塑料材料在航模中的應用。

泡沫模型即使因碰撞導致損壞，也非常容易修復。

因成本低、易上手，遙控紙飛機深受模友們喜愛。

1.發泡聚乙烯

發泡聚乙烯（EPO）是由30%的聚乙烯（PE）和70%的聚苯乙烯（PS）組成的共聚物塑料，日常主要用于精密儀器、電子產品等的外包裝材料，具有良好的緩沖性。因其特殊的制造工藝，使得聚乙烯組分主要分布在粒子的外層，促進了顆粒之間的塑化和結合;聚苯乙烯組分主要分布在粒子的內部，對泡沫結構具有較強的支撐作用。這種結構可以保證良好的造形能力，沖擊后不會產生碎裂和碎屑，表觀質量好、抗沖擊性出色，特別是在多次跌落中能一直保持較高的抗沖擊性能。目前，市場上超過60%的航模練習機采用EPO材料制造。這類模型即使因碰撞墜機發生損壞，采用廉價的熱熔膠就能快速對結構進行粘接修復，非常適合外場維修。例如常見的翼展1米左右的固定翼模型，若降落時操縱不當導致發動機架出現較大損壞，木質航模至少需要2小時才能修好，甚至因結構損壞嚴重無法修復;而EPO材質的模型，最多只需半小時就可修好復飛。

2.其他發泡塑料材料

可發性聚苯乙烯板（EPS），是一種與EPO對比鮮明的材料，主要用作建筑保溫板建材。不同于EPO，這種材料在外力的沖擊下極易碎裂，并產生碎屑。EPS材料密度較大，但硬度比EPO好，在航模的應用中相對較少。

全國錦標賽上的競賽級F3P室內特技機使用D板制作

發泡聚丙烯（EPP），密度小、彈性好、抗震抗壓效果明顯、變形后易恢復、耐酸、耐堿、耐各種化學溶劑，而且它與水不相融、耐潮濕，無毒，可完全循環利用，且性能幾乎沒有降低。EPP材料的主要缺點是表面粗糙，因此常見于室內飛行的小型航模，很少被用在大型舟亢模上。

發泡板，俗稱KT板，是由聚苯乙烯發泡生成芯材，再用外覆膜壓合而成的材料。其板體輕、不易變質、易于加工，廣泛用于廣告展示促銷、建筑裝飾、文化藝術及包裝等方面。航模愛好者借鑒木材的加工方法，發掘出這種易于加工的塑料材料，用于各種簡易航模的制作。目前最常見的是被俗稱為“紙飛機”的航模，它由KT板制成，結構簡單、組裝容易、成本低廉，深受廣大愛好者的喜愛。也有航模愛好者甚至一些模型廠商，借鑒木質模型的制作工藝，用KT板制成各種像真機和表演機，其飛行性能也能達到EPO材料航模的標準。

此外，近幾年又出現了一種被稱為Depron板（也稱D板）的新材料。它也是一種聚苯乙烯材料，發泡均勻、重量輕、韌性和強度都很高，非常適合模型制作。而且它比EPP加工方便、修復容易，在國外日漸成為一種主流的模型制作材料。但因其價格較貴，在國內的應用不如KT板廣泛。

碳纖維復合材料以其優越的力學性能被譽為“黑色黃金”

三、復合材料的選取原則

復合材料在航模中的使用范圍相對較小，以碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料為主。

從應用的角度講，復合材料是一種剛性和強度較傳統材料更高的輕型材料。在不考慮成本的情況下，航模的結構材料中，絕大部分都可由碳纖維復合材料及玻璃纖維復合材料板材、管材代替。隨著復合材料加工成本逐漸降低，其在航模制造中的應用越來越多。其中用量最大的碳纖維具有化學性質穩定、耐高溫、強度高、密度小等優點。尤其是與木質材料對比，碳纖維材料優勢明顯。如果將一架全木質結構的模型用強度相當的碳纖維復合材料替換，全機減重可達40%。

目前，很多專業競技級比賽、航拍攝影、舞臺表演以及科研領域中所用的模型大都采用多種不同類型的材料進行制作，如泡沫芯+玻璃鋼殼（碳纖維螺旋槳）、木框架+玻璃鋼殼（固定翼模型機身承力結構），甚至完全使用碳纖維材料等。高檔航模，以及小型無人機的機體大量使用復合材料，如專業的F3A模型機體、模型直升機的頭罩和外殼等，均由玻璃纖維復合材料制成;大型模型直升機的機身側板、尾管和旋翼，則大都由碳纖維復合材料制造。這些復合材料部件通常由工廠的專業模具和制造設備批量生產，可在尺寸、重量、強度等方面達到最優。

機體完全使用碳纖維材料制作的F1C模型滑翔機

模型直升機上大量使用碳纖維復合材料。其機架、尾管分別為碳板和碳管。從破損的主槳葉能清楚地看到，它采用了碳纖維夾泡沫芯結構。

航模材料的加工制備

以下內容僅涉及個人、航模社團、航模隊等對材料進行二次加工時應注意的問題，針對各種木質板材及碳纖維復合材料等的加工制備，筆者給模友們一些建議。

一、木材板材的加工

對于喜歡自己動手制作模型的愛好者來說，激光雕刻機是必備的加工制造設備，它可以對木質板材和較薄的玻璃纖維復合材料等板材進行切割加工。常用的激光雕刻機可通過調整燒蝕速度和燒蝕功率，對不同材料進行切割，但加工的板材厚度一般小于5毫米。加工時影響切割質量的主要因素來源于設備、圖紙和材料本身。

對同一種材料進行大批量加工前，應注意首先調整好雕刻機的激光刀高，確保對焦點與材料切割高度一致。刀高一般應保持在距離切割材料4-6毫米之間。正式切割前，可以先進行“試刀”，即用邊角料對運行速度和功率進行調整，以保證切割質量。新機器安裝完成或進行零件更換后，都要再次“試刀”，將不同材料、厚度對應的運行速度、功率及刀高進行標定，以作為之后大批量加工的參考。

圖紙最小尺寸通常為毫米。但由于激光點在對焦到材料上時具有一定寬度，因此要在切割前對切割材料進行偏刀寬處理，偏移量一般為0.5倍激光點寬度，約0.1毫米。早期雕刻機的配套軟件不具備自動偏刀寬功能，有些具有孔結構的圖紙也不適合自動偏刀寬，這時就要對圖紙進行偏移操作，人為進行刀寬偏移。

實際切割時還會遇到一些問題。以木材為例，對原木（包括輕木、桐木板材等）和膠合板（包括鍛木層板、航空層板等）進行切割時，操作中會存在較大差異。切割原木時，雕刻機功率較小、速度較快，木質很容易被激光氣化;而若放慢切割速度，會導致木材炭化，嚴重時甚至會使木材燃燒。切割膠合板時，功率應較原木更大，速度也需調慢。值得注意的是，膠合板外觀也具有紋理方向，與原木類似，應注意承受拉應力的方向，選好切割方向。在加工過程中，要考慮材料的燒蝕問題。即使偏刀寬調整合適，切割面仍然會存在炭化現象，粘接前要用細砂紙將浮炭打磨掉，露出原木的顏色。較薄的板材可以一次性切削成形，而較厚的板材燒蝕更加嚴重，如果單次切割，切割面將呈現梯形，影響精度。為此，在保證刀寬的情況下，可考慮高速多次切削。另一種解決措施是選用較薄的材料切割出多片零件，再用粘接劑將它們粘接在一起。只要保證粘接強度足夠，這樣也可以達到與厚板材相當的強度。但粘接劑凝固后，密度較木材高，會導致重量增加，影響模型的飛行性能。

常用的激光雕刻機

用復合材料制作機體

二、碳纖維復合材料的加工

碳纖維復合材料主要分為碳纖維布和碳纖維型材（包括板材和管材）兩類。嚴格意義上講，碳纖維布屬于纖維材料，加工程度低，要通過樹脂粘接劑加工后才能稱為復合材料。模型上很多造型復雜的復合材料部件，要依靠模具進行加工，即將纖維布鋪設在模具上，涂抹樹脂粘接劑后進行烘烤成形，這種加工好的部件才屬于復合材料范疇。而碳纖維板材和管材，則是商品級的復合材料。

用纖維布自制復合材料時，需要掌握加工過程中樹脂粘接劑的使用。樹脂粘接劑一般分為雙組分和三組分，主劑是有機大分子、具有活性的樹脂，輔劑則包括固化劑、促進劑、增塑劑等添加成分。纖維材料包括碳纖維材料、玻璃纖維材料、芳綸纖維材料、石棉纖維材料等。以雙組分環氧樹脂粘接劑為例其適用于碳纖維、玻璃纖維和木質纖維等材料的粘接。根據固化劑用量不同，在常溫條件下，固化時長在兩小時至幾十小時不等。通過烤箱加熱或紫外線燈光照射，可縮短固化時間。根據筆者的經驗，碳纖維布經定型和樹脂均勻涂刷，在80℃烤箱中烘烤，可將2小時的固化時間縮短至40分鐘。樹脂粘接劑還可用于粘接木質結構，即使是關鍵的連接部位，也能滿足可靠性要求。但木質纖維內有一定的水分，用樹脂粘接時要嚴格控制固化劑用量。若用量過高，會導致局部木質纖維失水變形。用量偏差超過4%，還可能因固化熱導致木材達到燃點。因此，僅在可靠性要求很高的地方，才會采用雙組分或多組分樹脂粘接木質纖維材料，且最好用支架固定，在常溫下固化?？紤]到存在安全隱患，使用樹脂粘接劑時，建議配套使用大口徑醫用針頭或精度0.1克以上的電子稱，按照使用說明配置。

各種規格與形狀的碳纖維管材

碳纖維板材的加工程度較高，在使用過程中與木質板材類似。為滿足特定需求，愛好者采購商用碳纖維板材和管材后，可使用數控銑床和砂輪再加工。數控銑床的工作方式與激光雕刻機類似，也要導入AutoCAD圖紙。不同之處是，碳纖維復合材料由銑刀高速切削，刀寬偏移量更大，要根據銑刀頭直徑而定。銑刀頭直徑隨板材厚度增加而增大，板材厚度超過2毫米時，通常采用2一3毫米的銑刀頭加工。

以上，筆者依次對木材、泡沫塑料、復合材料等常見的航模結構材料做了梳理，分析了航模對這些材料的要求，并根據實際制作經驗。對不同材料的選取原則及加工制備方法做了介紹，希望能對愛好者在航模的選材與制作方面提供參考。如有不當之處，歡迎指正。