Kebolehlaksanaan Penggunaan Serat Basalt pada Struktur UAV Kecil
Gambaran Keseluruhan Sifat-sifat Polimer Bertetulang Gentian Basalt (bfrp)
Dengan mengambil lembaran berpultrud setebal 5 mm sebagai contoh, parameter fizikal lazimnya adalah seperti berikut: - Kekuatan tegangan: ≥500 MPa
- Modulus keanjalan: ≥40 GPa
- Ketumpatan: 1.8–2.0 g/cm³
- Pemanjangan semasa putus: 2.5–3.0%
- Rintangan KakisanCemerlang (tahan terhadap asid, alkali dan sinaran UV)
- Pekali pengembangan haba: Sama seperti konkrit; prestasi suhu rendah yang baik
Analisis Kebolehlaksanaan Aplikasi dalam Struktur UAV Kecil
- Kelebihan
- Potensi pengurangan berat: Dengan ketumpatan yang lebih rendah daripada aloi aluminium (2.7 g/cm³), ia membolehkan pengurangan berat struktur, sekali gus meningkatkan daya tahan penerbangan dan kebolehgerakan.
- Kekuatan spesifik dan modulus spesifik: Kekuatan spesifik (kekuatan/ketumpatan): ≈250–280 MPa·cm³/g, lebih baik daripada aloi aluminium (≈140) tetapi lebih rendah daripada gentian karbon (≈600).
- Modulus khusus (modulus/ketumpatan): ≈20–22 GPa·cm³/g, setanding dengan aloi aluminium tetapi hanya satu pertiga daripada gentian karbon.
- Ciri-ciri redaman getaran: Pekali redaman yang lebih tinggi daripada gentian karbon, mengurangkan getaran penerbangan dan meningkatkan kestabilan sensor. • Ketelusan elektromagnet: Tidak mengganggu isyarat komunikasi, menjadikannya sesuai untuk petak radar atau antena.
- Rintangan alam sekitar: Tahan terhadap haba lembap dan kakisan, sesuai untuk UAV dalam persekitaran maritim atau perindustrian.
- Aplikasi yang Disyorkan
- Struktur beban sederhana hingga rendah: Kerangka fiuslaj, sokongan gear pendaratan, rusuk sayap.
- Komponen bukan galas beban: Dudukan antena, dulang bateri, perumah sensor.
- Komponen untuk persekitaran khas: Bahagian yang terdedah kepada larutan racun perosak pada UAV pertanian, badan kapal UAV maritim.
Perbandingan Prestasi Kos dengan Serat Karbon (CFRP)
Perbandingan: Serat Basalt (BFRP) berbanding Serat Karbon (CFRP)
| Dimensi | Basalt Polimer Bertetulang Gentian (BFRP) | Polimer Bertetulang Serat Karbon (CFRP) |
| Kos Bahan | Pinggan: lebih kurang 60–100 RMB/kg (Domestik) | Plat: lebih kurang 150–300 RMB/kg (Gred T300) |
| Kekuatan Khusus | Sederhana (≈250) | Tinggi (≈600) |
| Modulus Khusus | Agak Rendah (≈20) | Tinggi (≈60-100) |
| Rintangan Hentaman | Sederhana (Kerapuhan yang lebih tinggi daripada CFRP) | Agak Tinggi (Ketahanan yang baik) |
| Kos Pemprosesan | Plat berpultrud mudah diproses, tetapi pengacuan yang kompleks memerlukan proses tambahan. | Kos penekan panas prepreg adalah tinggi, tetapi membolehkan pengacuan bersepadu. |
| Ketahanan | Rintangan keletihan yang baik, rintangan kakisan yang sangat baik. | Prestasi lesu yang sangat baik, tetapi memerlukan perlindungan terhadap kakisan galvanik. |
| Pengurangan Berat Badan | Pengurangan berat 20–30% berbanding aloi aluminium. | Pengurangan berat 40–50% berbanding aloi aluminium. |
Analisis Senario Keberkesanan Kos
- Dron keutamaan kos rendah (cth., pemeriksaan, dron pertanian): – BFRP boleh menggantikan beberapa komponen aloi aluminium, dengan kos 30–50% lebih rendah daripada CFRP dan rintangan kakisan yang unggul, menawarkan keberkesanan kos keseluruhan yang tinggi.
- Aplikasi yang memerlukan kekakuan tinggi dan reka bentuk yang ringan (contohnya, dron perlumbaan, dron fotografi udara): – CFRP menawarkan kelebihan yang ketara dalam modulus keanjalan, mengurangkan ubah bentuk aerodinamik; walaupun lebih mahal, prestasinya tidak dapat digantikan.
- Aplikasi dengan keperluan fungsi khas: Jika ketelusan elektromagnet atau pengurangan redaman/getaran diperlukan, BFRP boleh berfungsi sebagai bahan tambahan untuk komponen tertentu (cth., kubah radar).
- Cabaran Teknikal dan Arah Pengoptimuman
- Reka bentuk struktur hibrid: Laminasi BFRP + CFRP: Letakkan gentian karbon secara setempat di kawasan yang mempunyai keperluan kekakuan yang tinggi untuk mengimbangi kos dan prestasi.
- Penambahbaikan proses: Membangunkan prepreg BFRP atau bahan bertetulang gentian bercetak 3D untuk meningkatkan keupayaan membentuk struktur kompleks.
- Teknologi penyambungan: Mengguna pakai sambungan komposit berpaku pelekat atau kimpalan ultrasonik untuk meningkatkan kecekapan sambungan.
Berdasarkan analisis di atas, BFRP sesuai untuk struktur beban sederhana hingga rendah dalam UAV kecil dan menawarkan nilai aplikasi dari segi pengurangan berat, rintangan kakisan dan pengurangan redaman/getaran; walau bagaimanapun, ia harus dielakkan di kawasan yang memerlukan kekakuan yang tinggi. Jika kekakuan bukanlah faktor kritikal tetapi kosnya, BFRP menawarkan keberkesanan kos yang jauh lebih baik daripada CFRP.
Di samping itu, reka bentuk hibrid BFRP/CFRP boleh dipertimbangkan untuk mengoptimumkan kos.
Analisis elemen terhingga (FEA) juga boleh digunakan untuk mensimulasikan komponen tertentu (seperti kerangka pesawat), membandingkan berat dan kos BFRP dan CFRP di bawah faktor keselamatan yang setara untuk memacu pemilihan bahan berdasarkan data.
