Haalbaarheid van het toepassen van basaltvezels in kleine UAV-structuren
Overzicht van de eigenschappen van Basaltvezelversterkt polymeer (bfrp)
Neem bijvoorbeeld een 5 mm dikke gepultrudeerde plaat. De typische fysische eigenschappen hiervan zijn als volgt: - Treksterkte: ≥500 MPa
- Elasticiteitsmodulus: ≥40 GPa
- Dichtheid: 1,8–2,0 g/cm³
- Rek bij breuk: 2,5–3,0%
- CorrosiebestendigheidUitstekend (bestand tegen zuren, basen en UV-straling)
- Thermische uitzettingscoëfficiënt: Vergelijkbaar met beton; goede prestaties bij lage temperaturen
Haalbaarheidsanalyse van de toepassing in kleine UAV-structuren
- Voordelen
- Potentieel voor gewichtsvermindering: Met een lagere dichtheid dan die van aluminiumlegering (2,7 g/cm³) maakt het een vermindering van het structurele gewicht mogelijk, waardoor het vliegvermogen en de manoeuvreerbaarheid verbeteren.
- Specifieke sterkte en specifieke modulus: Specifieke sterkte (sterkte/dichtheid): ≈250–280 MPa·cm³/g, hoger dan aluminiumlegering (≈140) maar lager dan koolstofvezel (≈600).
- Specifieke modulus (modulus/dichtheid): ≈20–22 GPa·cm³/g, vergelijkbaar met aluminiumlegering, maar slechts een derde van die van koolstofvezel.
- Trillingsdempende eigenschappen: Hogere dempingscoëfficiënt dan koolstofvezel, waardoor vluchttrillingen worden verminderd en de stabiliteit van sensoren wordt verbeterd. • Elektromagnetische transparantie: Veroorzaakt geen interferentie met communicatiesignalen, waardoor het geschikt is voor radar- of antennecompartimenten.
- Omgevingsbestendigheid: Bestand tegen vochtige hitte en corrosie, geschikt voor UAV's in maritieme of industriële omgevingen.
- Aanbevolen toepassingen
- Constructies met een gemiddelde tot lage belasting: Rompframes, landingsgestelsteunen, vleugelribben.
- Niet-dragende onderdelen: Antennebevestigingen, accubakken, sensorbehuizingen.
- Onderdelen voor speciale omgevingen: Onderdelen die worden blootgesteld aan pesticidenoplossingen op landbouwdrones, rompen van maritieme drones.
Kosten-prestatievergelijking met koolstofvezel (CFRP)
Vergelijking: Basaltvezel (BFRP) versus koolstofvezel (CFRP)
| Dimensie | Basalt Vezelversterkt polymeer (BFRP) | Koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP) |
| Materiaalkosten | Borden: ca. 60–100 RMB/kg (binnenlands) | Borden: ca. 150–300 RMB/kg (T300-kwaliteit) |
| Specifieke sterkte | Gemiddeld (≈250) | Hoog (≈600) |
| Specifieke modulus | Relatief laag (≈20) | Hoog (≈60-100) |
| Slagvastheid | Gemiddeld (Hogere brosheid dan CFRP) | Relatief hoog (goede taaiheid) |
| Verwerkingskosten | Gepultrudeerde platen zijn gemakkelijk te verwerken, maar voor complexere vormen zijn extra processen nodig. | De kosten voor het warmpersen van prepreg zijn hoog, maar het maakt geïntegreerde vormgeving mogelijk. |
| Duurzaamheid | Goede vermoeiingsweerstand, uitstekende corrosiebestendigheid. | Uitstekende vermoeiingsweerstand, maar vereist bescherming tegen galvanische corrosie. |
| Gewichtsvermindering | 20-30% gewichtsvermindering ten opzichte van aluminiumlegering. | 40-50% gewichtsvermindering ten opzichte van aluminiumlegering. |
Kosten-batenanalyse
- Prioriteitsdrones met lage kosten (bijv. inspectie- en landbouwdrones): – BFRP kan sommige onderdelen van aluminiumlegeringen vervangen, met kosten die 30-50% lager liggen dan die van CFRP en een superieure corrosiebestendigheid, wat resulteert in een hoge algehele kosteneffectiviteit.
- Toepassingen die een hoge stijfheid en een lichtgewicht ontwerp vereisen (bijv. racedrones, drones voor luchtfotografie): – CFRP biedt een significant voordeel in elasticiteitsmodulus, waardoor aerodynamische vervorming wordt verminderd; hoewel duurder, zijn de prestaties onvervangbaar.
- Toepassingen met speciale functionele eisen: Als elektromagnetische transparantie of demping/trillingsreductie vereist is, kan BFRP dienen als aanvullend materiaal voor specifieke componenten (bijv. radarkoepels).
- Technische uitdagingen en optimalisatierichtingen
- Hybride structuurontwerp: BFRP + CFRP-laminaten: Plaatselijk koolstofvezel aanbrengen op plekken met hoge stijfheidseisen om een balans te vinden tussen kosten en prestaties.
- Procesverbeteringen: Ontwikkel BFRP-prepregs of 3D-geprinte vezelversterkte materialen om de mogelijkheid tot het vormen van complexe structuren te verbeteren.
- Verbindingstechnologie: Gebruik composietverbindingen met lijm en klinknagels of ultrasoon lassen om de verbindingsefficiëntie te verbeteren.
Op basis van bovenstaande analyse is BFRP geschikt voor constructies met een gemiddelde tot lage belasting in kleine UAV's en biedt het toepassingswaarde in termen van gewichtsvermindering, corrosiebestendigheid en demping/trillingsreductie; het moet echter worden vermeden in gebieden waar een hoge stijfheid vereist is. Als stijfheid geen kritische factor is, maar kosten wel, biedt BFRP een aanzienlijk betere kosteneffectiviteit dan CFRP.
Daarnaast kan een hybride ontwerp van BFRP/CFRP worden overwogen om de kosten te optimaliseren.
Eindige-elementenanalyse (FEA) kan ook worden gebruikt om specifieke componenten (zoals de vliegtuigromp) te simuleren, waarbij het gewicht en de kosten van BFRP en CFRP worden vergeleken bij equivalente veiligheidsfactoren om zo de materiaalkeuze op basis van gegevens te sturen.
