Muligheden for at anvende basaltfiber på små dronestrukturer
Oversigt over egenskaberne ved Basaltfiberforstærket polymer (bfrp)
Hvis vi tager en 5 mm tyk pultruderet plade som eksempel, er dens typiske fysiske parametre som følger: - Trækstyrke: ≥500 MPa
- Elasticitetsmodul: ≥40 GPa
- Densitet: 1,8–2,0 g/cm³
- Brudforlængelse: 2,5–3,0%
- KorrosionsbestandighedFremragende (resistent over for syrer, baser og UV-stråling)
- Termisk udvidelseskoefficient: Ligner beton; god ydeevne ved lave temperaturer
Gennemførlighedsanalyse af anvendelse i små dronestrukturer
- Fordele
- Potentiale for vægtreduktion: Med en densitet lavere end aluminiumslegering (2,7 g/cm³) muliggør den strukturel vægtreduktion, hvilket forbedrer flyveudholdenhed og manøvredygtighed.
- Specifik styrke og specifikt modul: Specifik styrke (styrke/densitet): ≈250–280 MPa·cm³/g, bedre end aluminiumlegering (≈140), men lavere end kulfiber (≈600).
- Specifikt modul (modul/densitet): ≈20–22 GPa·cm³/g, sammenlignelig med aluminiumlegering, men kun en tredjedel af kulfiber.
- Vibrationsdæmpningsegenskaber: Højere dæmpningskoefficient end kulfiber, hvilket reducerer flyvevibrationer og forbedrer sensorstabiliteten. • Elektromagnetisk gennemsigtighed: Forstyrrer ikke kommunikationssignaler, hvilket gør den velegnet til radar- eller antennerum.
- Miljøbestandighed: Modstandsdygtig over for fugtig varme og korrosion, egnet til droner i maritime eller industrielle miljøer.
- Anbefalede applikationer
- Strukturer med mellem til lav belastning: Skrogrammer, landingsstelsstøtter, vingeribber.
- Ikke-bærende komponenter: Antennebeslag, batteribakker, sensorhuse.
- Komponenter til særlige miljøer: Dele udsat for pesticidopløsninger på landbrugs-droner, skrog på maritime droner.
Omkostnings-ydelsessammenligning med kulfiber (CFRP)
Sammenligning: Basaltfiber (BFRP) vs. kulfiber (CFRP)
| Dimension | Basalt Fiberforstærket polymer (BFRP) | Kulfiberforstærket polymer (CFRP) |
| Materialeomkostninger | Tallerkener: ca. 60-100 RMB/kg (indenlandsk) | Plader: ca. 150-300 RMB/kg (T300-kvalitet) |
| Specifik styrke | Mellem (≈250) | Høj (≈600) |
| Specifik modul | Relativt lav (≈20) | Høj (≈60-100) |
| Slagfasthed | Medium (Højere sprødhed end CFRP) | Relativt høj (god sejhed) |
| Behandlingsomkostninger | Pultruderede plader er nemme at bearbejde, men kompleks støbning kræver yderligere processer. | Omkostningerne ved prepreg-varmpresning er høje, men muliggør integreret støbning. |
| Holdbarhed | God træthedsbestandighed, fremragende korrosionsbestandighed. | Fremragende udmattelsesevne, men kræver beskyttelse mod galvanisk korrosion. |
| Vægttab | 20-30% vægtreduktion sammenlignet med aluminiumslegering. | 40-50% vægtreduktion sammenlignet med aluminiumslegering. |
Analyse af omkostningseffektivitetsscenarier
- Lavprisdroner med prioritet (f.eks. inspektions- og landbrugsdroner): – BFRP kan erstatte nogle komponenter af aluminiumslegering med omkostninger, der er 30-50 % lavere end CFRP og har overlegen korrosionsbestandighed, hvilket giver høj samlet omkostningseffektivitet.
- Anvendelser, der kræver høj stivhed og letvægtsdesign (f.eks. racerdroner, luftfotograferingsdroner): – CFRP tilbyder en betydelig fordel i elasticitetsmodulet, hvilket reducerer aerodynamisk deformation; selvom det er dyrere, er dets ydeevne uerstattelig.
- Anvendelser med særlige funktionelle krav: Hvis der kræves elektromagnetisk transparens eller dæmpning/vibrationsreduktion, kan BFRP fungere som et supplerende materiale til specifikke komponenter (f.eks. radarkupler).
- Tekniske udfordringer og optimeringsretninger
- Hybridstrukturdesign: BFRP + CFRP-laminater: Læg kulfiber lokalt op i områder med høje stivhedskrav for at afbalancere omkostninger og ydeevne.
- Procesforbedringer: Udvikling af BFRP-prepregs eller 3D-printede fiberforstærkede materialer for at forbedre evnen til at danne komplekse strukturer.
- Samlingsteknologi: Brug klæbende, nittede kompositsamlinger eller ultralydssvejsning for at forbedre samlingernes effektivitet.
Baseret på ovenstående analyse er BFRP egnet til strukturer med mellem til lav belastning i små droner og tilbyder anvendelsesværdi med hensyn til vægtreduktion, korrosionsbestandighed og dæmpning/vibrationsreduktion; det bør dog undgås i områder, der kræver høj stivhed. Hvis stivhed ikke er en kritisk faktor, men omkostningerne er, tilbyder BFRP betydeligt bedre omkostningseffektivitet end CFRP.
Derudover kan et BFRP/CFRP-hybriddesign overvejes for at optimere omkostningerne.
Finite element analyse (FEA) kan også bruges til at simulere specifikke komponenter (såsom flyskrog) ved at sammenligne vægten og omkostningerne ved BFRP og CFRP under tilsvarende sikkerhedsfaktorer for at drive materialevalg baseret på data.
