Faisabilité de l'application de fibres de basalte aux structures de petits drones
Aperçu des propriétés de Polymère renforcé de fibres de basalte (bfrp)
Prenons l'exemple d'une tôle pultrudée de 5 mm d'épaisseur ; ses paramètres physiques typiques sont les suivants : - Résistance à la traction : ≥ 500 MPa
- Module d'élasticité : ≥ 40 GPa
- Densité : 1,8–2,0 g/cm³
- Allongement à la rupture : 2,5–3,0 %
- résistance à la corrosionExcellente résistance (aux acides, aux alcalis et aux rayons UV).
- Coefficient de dilatation thermique : similaire à celui du béton ; bonnes performances à basse température
Analyse de faisabilité de l'application aux petites structures de drones
- Avantages
- Potentiel de réduction de poids : Avec une densité inférieure à celle de l'alliage d'aluminium (2,7 g/cm³), il permet une réduction du poids structurel, améliorant ainsi l'endurance en vol et la maniabilité.
- Résistance spécifique et module spécifique : Résistance spécifique (résistance/densité) : ≈250–280 MPa·cm³/g, supérieure à l'alliage d'aluminium (≈140) mais inférieure à la fibre de carbone (≈600).
- Module spécifique (module/densité) : ≈20–22 GPa·cm³/g, comparable à l'alliage d'aluminium mais seulement un tiers de celui de la fibre de carbone.
- Caractéristiques d'amortissement des vibrations : Coefficient d'amortissement supérieur à celui de la fibre de carbone, réduisant les vibrations en vol et améliorant la stabilité des capteurs. • Transparence électromagnétique : N'interfère pas avec les signaux de communication, ce qui la rend adaptée aux compartiments radar ou antenne.
- Résistance environnementale : Résistant à la chaleur humide et à la corrosion, convient aux drones en environnements maritimes ou industriels.
- Applications recommandées
- Structures à charge moyenne à faible : cadres de fuselage, supports de train d'atterrissage, nervures d'aile.
- Composants non porteurs : supports d'antenne, plateaux de batterie, boîtiers de capteurs.
- Composants pour environnements spéciaux : pièces exposées aux solutions pesticides sur les drones agricoles, coques de drones maritimes.
Comparaison du rapport coût-performance avec la fibre de carbone (CFRP)
Comparaison: Fibre de basalte (BFRP) par rapport à la fibre de carbone (CFRP)
| Dimension | Basalte Polymère renforcé de fibres (PRF) | Polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) |
| Coût des matériaux | Assiettes : environ 60–100 RMB/kg (marché intérieur) | Plaques : environ 150–300 RMB/kg (qualité T300) |
| Force spécifique | Moyen (≈250) | Élevé (≈600) |
| Module spécifique | Relativement faible (≈20) | Élevé (≈60-100) |
| Résistance aux chocs | Moyen (Fragilité supérieure à celle du CFRP) | Relativement élevé (Bonne résistance) |
| Coût de traitement | Les plaques pultrudées sont faciles à transformer, mais le moulage complexe nécessite des procédés supplémentaires. | Le coût du pressage à chaud des préimprégnés est élevé, mais permet un moulage intégré. |
| Durabilité | Bonne résistance à la fatigue, excellente résistance à la corrosion. | Excellentes performances en fatigue, mais nécessite une protection contre la corrosion galvanique. |
| Réduction de poids | Réduction de poids de 20 à 30 % par rapport à l'alliage d'aluminium. | Réduction de poids de 40 à 50 % par rapport à l'alliage d'aluminium. |
Analyse de scénarios de rentabilité
- Drones prioritaires à faible coût (par exemple, drones d'inspection, drones agricoles) : – Le BFRP peut remplacer certains composants en alliage d'aluminium, avec des coûts 30 à 50 % inférieurs à ceux du CFRP et une résistance à la corrosion supérieure, offrant une rentabilité globale élevée.
- Applications nécessitant une rigidité élevée et une conception légère (ex. : drones de course, drones de photographie aérienne) : – Le CFRP offre un avantage significatif en termes de module d'élasticité, réduisant la déformation aérodynamique ; bien que plus coûteux, ses performances sont irremplaçables.
- Applications avec des exigences fonctionnelles particulières : Si la transparence électromagnétique ou la réduction de l’amortissement/des vibrations est requise, le BFRP peut servir de matériau supplémentaire pour certains composants (par exemple, les dômes radar).
- Défis techniques et pistes d'optimisation
- Conception de structure hybride : stratifiés BFRP + CFRP : superposition locale de fibres de carbone dans les zones exigeant une rigidité élevée afin d’équilibrer coût et performance.
- Améliorations des procédés : développer des préimprégnés BFRP ou des matériaux renforcés de fibres imprimés en 3D pour améliorer la capacité à former des structures complexes.
- Technologie d'assemblage : Adopter des joints composites rivetés-collés ou le soudage par ultrasons pour améliorer l'efficacité de l'assemblage.
D'après l'analyse précédente, le BFRP convient aux structures soumises à des charges faibles à moyennes sur les petits drones et présente des avantages en termes de réduction de poids, de résistance à la corrosion et d'amortissement/réduction des vibrations ; toutefois, son utilisation est déconseillée dans les applications exigeant une rigidité élevée. Si la rigidité n'est pas un critère déterminant, mais que le coût l'est, le BFRP offre un rapport coût-efficacité nettement supérieur au CFRP.
De plus, une conception hybride BFRP/CFRP peut être envisagée pour optimiser les coûts.
L'analyse par éléments finis (FEA) peut également être utilisée pour simuler des composants spécifiques (tels que la cellule de l'avion), en comparant le poids et le coût du BFRP et du CFRP sous des facteurs de sécurité équivalents afin de guider la sélection des matériaux sur la base de données.
