Възможност за прилагане на базалтови влакна към малки конструкции на безпилотни летателни апарати
Преглед на свойствата на Базалтов влакнесто армиран полимер (бфрп)
Вземайки за пример пултрудиран лист с дебелина 5 мм, неговите типични физични параметри са следните: - Якост на опън: ≥500 MPa
- Модул на еластичност: ≥40 GPa
- Плътност: 1,8–2,0 г/см³
- Удължение при скъсване: 2,5–3,0%
- Устойчивост на корозияОтлична (устойчива на киселини, основи и UV лъчение)
- Коефициент на термично разширение: Подобен на бетона; добри нискотемпературни характеристики
Анализ на осъществимостта на приложението в малки безпилотни летателни апарати
- Предимства
- Потенциал за намаляване на теглото: С плътност, по-ниска от тази на алуминиевата сплав (2,7 g/cm³), позволява структурно намаляване на теглото, като по този начин подобрява издръжливостта на полета и маневреността.
- Специфична якост и специфичен модул: Специфична якост (якост/плътност): ≈250–280 MPa·cm³/g, по-добра от алуминиевата сплав (≈140), но по-ниска от въглеродните влакна (≈600).
- Специфичен модул (модул/плътност): ≈20–22 GPa·cm³/g, сравним с алуминиева сплав, но само една трета от този на въглеродните влакна.
- Характеристики на амортизиране на вибрациите: По-висок коефициент на амортизиране от въглеродните влакна, което намалява вибрациите по време на полет и подобрява стабилността на сензорите. • Електромагнитна прозрачност: Не пречи на комуникационните сигнали, което го прави подходящ за радарни или антенни отделения.
- Устойчивост на околната среда: Устойчив на влажна топлина и корозия, подходящ за безпилотни летателни апарати в морска или индустриална среда.
- Препоръчителни приложения
- Конструкции със средно до ниско натоварване: рамки на фюзелажа, опори на колесника, ребра на крилата.
- Неносещи компоненти: стойки за антени, кутии за батерии, корпуси на сензори.
- Компоненти за специални среди: Части, изложени на пестицидни разтвори на селскостопански безпилотни летателни апарати, корпуси на морски безпилотни летателни апарати.
Сравнение на разходите и производителността с въглеродни влакна (CFRP)
Сравнение: Базалтови влакна (BFRP) срещу въглеродни влакна (CFRP)
| Размер | Базалт Полимер, подсилен с влакна (BFRP) | Полимер, подсилен с въглеродни влакна (CFRP) |
| Разходи за материали | Чинии: приблизително 60–100 RMB/кг (местни) | Плочи: приблизително 150–300 RMB/кг (клас T300) |
| Специфична якост | Среден (≈250) | Високо (≈600) |
| Специфичен модул | Относително ниско (≈20) | Високо (≈60-100) |
| Устойчивост на удар | Среден (по-висока крехкост от CFRP) | Относително висока (добра издръжливост) |
| Разходи за обработка | Пултрудираните плочи са лесни за обработка, но сложното формоване изисква допълнителни процеси. | Цената на горещо пресоване на препрег е висока, но позволява интегрирано формоване. |
| Издръжливост | Добра устойчивост на умора, отлична устойчивост на корозия. | Отлична устойчивост на умора, но изисква защита срещу галванична корозия. |
| Намаляване на теглото | 20–30% намаление на теглото в сравнение с алуминиевата сплав. | 40–50% намаление на теглото в сравнение с алуминиевата сплав. |
Анализ на сценариите за рентабилност
- Дронове с ниска цена и приоритет (напр. инспекционни, селскостопански дронове): – BFRP може да замени някои компоненти от алуминиеви сплави, като разходите са с 30–50% по-ниски от CFRP и има превъзходна устойчивост на корозия, предлагайки висока обща рентабилност.
- Приложения, изискващи висока твърдост и лека конструкция (напр. състезателни дронове, дронове за аерофотография): – CFRP предлага значително предимство в модула на еластичност, намалявайки аеродинамичната деформация; въпреки че е по-скъп, неговите характеристики са незаменими.
- Приложения със специални функционални изисквания: Ако е необходима електромагнитна прозрачност или затихване/намаляване на вибрациите, BFRP може да служи като допълнителен материал за специфични компоненти (напр. радарни куполи).
- Технически предизвикателства и насоки за оптимизация
- Хибриден дизайн на конструкцията: BFRP + CFRP ламинати: Локално полагане на въглеродни влакна в зони с високи изисквания за твърдост, за да се балансират разходите и производителността.
- Подобрения в процеса: Разработване на BFRP препреги или 3D-отпечатани влакнести армирани материали, за да се подобри способността за формиране на сложни структури.
- Технология на съединяване: Използвайте лепилно-нитови композитни съединения или ултразвуково заваряване, за да подобрите ефективността на съединяването.
Въз основа на горния анализ, BFRP е подходящ за конструкции със средно до ниско натоварване в малки безпилотни летателни апарати и предлага приложна стойност по отношение на намаляване на теглото, устойчивост на корозия и намаляване на затихването/вибрациите; въпреки това, трябва да се избягва в области, изискващи висока твърдост. Ако твърдостта не е критичен фактор, но цената е, BFRP предлага значително по-добра икономическа ефективност от CFRP.
Освен това, може да се обмисли хибриден дизайн от BFRP/CFRP, за да се оптимизират разходите.
Анализът на крайните елементи (FEA) може да се използва и за симулиране на специфични компоненти (като например корпуса на самолета), като се сравнява теглото и цената на BFRP и CFRP при еквивалентни коефициенти на безопасност, за да се определи изборът на материали въз основа на данните.
