Bazalta šķiedras pielietošanas iespējamība mazām bezpilota lidaparātu konstrukcijām
Pārskats par īpašībām Bazalta šķiedru pastiprināts polimērs (bfrp)
Ņemot par piemēru 5 mm biezu pultrudētu loksni, tās tipiskie fizikālie parametri ir šādi: - Stiepes izturība: ≥500 MPa
- Elastības modulis: ≥40 GPa
- Blīvums: 1,8–2,0 g/cm³
- Pagarinājums pārraušanas brīdī: 2,5–3,0%
- Korozijas izturībaIzcili (izturīgs pret skābēm, sārmiem un UV starojumu)
- Termiskās izplešanās koeficients: Līdzīgs betonam; labas zemas temperatūras īpašības
Mazo bezpilota lidaparātu konstrukciju pielietojuma priekšizpētes analīze
- Priekšrocības
- Svara samazināšanas potenciāls: Tā blīvums ir zemāks par alumīnija sakausējuma blīvumu (2,7 g/cm³), kas ļauj samazināt konstrukcijas svaru, tādējādi uzlabojot lidojuma izturību un manevrētspēju.
- Īpatnējā izturība un īpatnējais modulis: Īpatnējā izturība (stiprība/blīvums): ≈250–280 MPa·cm³/g, augstāka nekā alumīnija sakausējumam (≈140), bet zemāka nekā oglekļa šķiedrai (≈600).
- Īpatnējais modulis (modulis/blīvums): ≈20–22 GPa·cm³/g, salīdzināms ar alumīnija sakausējumu, bet tikai vienu trešdaļu no oglekļa šķiedras.
- Vibrāciju slāpēšanas raksturlielumi: Augstāks slāpēšanas koeficients nekā oglekļa šķiedrai, samazinot lidojuma vibrācijas un uzlabojot sensora stabilitāti. • Elektromagnētiskā caurlaidība: Netraucē sakaru signālus, padarot to piemērotu radaru vai antenu nodalījumiem.
- Vides izturība: Izturīgs pret mitru karstumu un koroziju, piemērots bezpilota lidaparātiem jūras vai rūpnieciskā vidē.
- Ieteicamie pielietojumi
- Vidējas līdz zemas slodzes konstrukcijas: fizelāžas rāmji, šasijas balsti, spārnu ribas.
- Nesošās sastāvdaļas: antenu stiprinājumi, akumulatoru paliktņi, sensoru korpusi.
- Komponenti īpašām vidēm: Detaļas, kas pakļautas pesticīdu šķīdumiem lauksaimniecības bezpilota lidaparātos, jūras bezpilota lidaparātu korpusi.
Izmaksu un veiktspējas salīdzinājums ar oglekļa šķiedru (CFRP)
Salīdzinājums: Bazalta šķiedra (BFRP) salīdzinājumā ar oglekļa šķiedru (CFRP)
| Izmērs | Bazalts Šķiedru pastiprināts polimērs (BFRP) | Oglekļa šķiedras pastiprināts polimērs (CFRP) |
| Materiālu izmaksas | Šķīvji: aptuveni 60–100 RMB/kg (vietējie) | Plāksnes: aptuveni 150–300 RMB/kg (T300 klase) |
| Īpatnējais stiprums | Vidējs (≈250) | Augsts (≈600) |
| Īpatnējais modulis | Relatīvi zems (≈20) | Augsts (≈60–100) |
| Triecienizturība | Vidējs (augstāks trauslums nekā CFRP) | Relatīvi augsta (laba izturība) |
| Apstrādes izmaksas | Pultrudētas plāksnes ir viegli apstrādājamas, bet sarežģītai formēšanai nepieciešami papildu procesi. | Prepreg karstās presēšanas izmaksas ir augstas, taču tā ļauj veikt integrētu formēšanu. |
| Izturība | Laba noguruma izturība, lieliska izturība pret koroziju. | Lieliska noguruma izturība, bet nepieciešama aizsardzība pret galvanisko koroziju. |
| Svara samazināšana | Svara samazinājums par 20–30% salīdzinājumā ar alumīnija sakausējumu. | Svara samazinājums par 40–50% salīdzinājumā ar alumīnija sakausējumu. |
Izmaksu efektivitātes scenāriju analīze
- Zemu izmaksu prioritārie droni (piemēram, pārbaudes, lauksaimniecības droni): – BFRP var aizstāt dažus alumīnija sakausējuma komponentus, un tā izmaksas ir par 30–50 % zemākas nekā CFRP, kā arī tam ir augstāka izturība pret koroziju, tādējādi piedāvājot augstu kopējo izmaksu efektivitāti.
- Lietojumi, kuros nepieciešama augsta stingrība un viegls dizains (piemēram, sacīkšu droni, aerofotogrāfijas droni): – CFRP piedāvā ievērojamas priekšrocības elastības moduļa ziņā, samazinot aerodinamisko deformāciju; lai gan tas ir dārgāks, tā veiktspēja ir neaizstājama.
- Pielietojumi ar īpašām funkcionālām prasībām: Ja nepieciešama elektromagnētiskā caurlaidība vai slāpēšana/vibrāciju samazināšana, BFRP var kalpot kā papildu materiāls konkrētām sastāvdaļām (piemēram, radaru kupoliem).
- Tehniskās problēmas un optimizācijas virzieni
- Hibrīda struktūras dizains: BFRP + CFRP lamināti: Oglekļa šķiedra tiek lokāli izvietota vietās ar augstām stingrības prasībām, lai līdzsvarotu izmaksas un veiktspēju.
- Procesa uzlabojumi: Izstrādāt BFRP prepregus vai 3D drukātus ar šķiedru pastiprinātus materiālus, lai uzlabotu spēju veidot sarežģītas struktūras.
- Savienojuma tehnoloģija: Lai uzlabotu savienojuma efektivitāti, izmantojiet ar līmi savienotus kompozītmateriālu savienojumus vai ultraskaņas metināšanu.
Pamatojoties uz iepriekš minēto analīzi, BFRP ir piemērots vidējas līdz mazas slodzes konstrukcijām mazos bezpilota lidaparātos un piedāvā pielietojuma vērtību svara samazināšanas, izturības pret koroziju un slāpēšanas/vibrācijas samazināšanas ziņā; tomēr no tā vajadzētu izvairīties vietās, kur nepieciešama augsta stingrība. Ja stingrība nav kritisks faktors, bet izmaksas ir, BFRP piedāvā ievērojami labāku izmaksu efektivitāti nekā CFRP.
Turklāt izmaksu optimizēšanai var apsvērt BFRP/CFRP hibrīda dizainu.
Galīgo elementu analīzi (FEA) var izmantot arī, lai simulētu konkrētus komponentus (piemēram, korpusu), salīdzinot BFRP un CFRP svaru un izmaksas ar līdzvērtīgiem drošības faktoriem, lai vadītu materiālu izvēli, pamatojoties uz datiem.
