Wykonalność zastosowania włókien bazaltowych w konstrukcjach małych bezzałogowych statków powietrznych
Przegląd właściwości Polimer wzmocniony włóknem bazaltowym (bfrp)
Biorąc za przykład arkusz pultrudowany o grubości 5 mm, jego typowe parametry fizyczne są następujące: - Wytrzymałość na rozciąganie: ≥500 MPa
- Moduł sprężystości: ≥40 GPa
- Gęstość: 1,8–2,0 g/cm³
- Wydłużenie przy zerwaniu: 2,5–3,0%
- Odporność na korozję:Doskonały (odporny na kwasy, zasady i promieniowanie UV)
- Współczynnik rozszerzalności cieplnej: Podobny do betonu; dobre właściwości w niskich temperaturach
Analiza wykonalności zastosowania w konstrukcjach małych bezzałogowych statków powietrznych
- Zalety
- Potencjał redukcji masy: Dzięki gęstości niższej niż stop aluminium (2,7 g/cm³) umożliwia redukcję masy konstrukcyjnej, co przekłada się na poprawę wytrzymałości podczas lotu i zwrotności.
- Wytrzymałość właściwa i moduł właściwy: Wytrzymałość właściwa (wytrzymałość/gęstość): ≈250–280 MPa·cm³/g, lepsza od stopu aluminium (≈140), ale niższa od włókna węglowego (≈600).
- Moduł właściwy (moduł/gęstość): ≈20–22 GPa·cm³/g, porównywalny ze stopem aluminium, ale stanowiący tylko jedną trzecią włókna węglowego.
- Charakterystyka tłumienia drgań: Wyższy współczynnik tłumienia niż w przypadku włókna węglowego, co redukuje drgania podczas lotu i poprawia stabilność czujnika. • Przezroczystość elektromagnetyczna: Nie zakłóca sygnałów komunikacyjnych, dzięki czemu nadaje się do stosowania w komorach radarowych lub antenowych.
- Odporność na warunki atmosferyczne: Odporny na wilgotne ciepło i korozję, odpowiedni do stosowania w dronach w środowisku morskim lub przemysłowym.
- Zalecane zastosowania
- Konstrukcje o średnim i małym obciążeniu: ramy kadłuba, wsporniki podwozia, użebrowania skrzydeł.
- Elementy nienośne: uchwyty anten, tacki na baterie, obudowy czujników.
- Elementy przeznaczone do środowisk specjalnych: części bezzałogowych statków powietrznych wykorzystywanych w rolnictwie narażone na działanie roztworów pestycydów, kadłuby bezzałogowych statków powietrznych wykorzystywanych w transporcie morskim.
Porównanie kosztów i wydajności z włóknem węglowym (CFRP)
Porównanie: Włókno bazaltowe (BFRP) w porównaniu z włóknem węglowym (CFRP)
| Wymiar | Bazalt Polimer wzmocniony włóknem (BFRP) | Polimer wzmocniony włóknem węglowym (CFRP) |
| Koszt materiału | Talerze: ok. 60–100 RMB/kg (krajowe) | Płyty: ok. 150–300 RMB/kg (gatunek T300) |
| Siła właściwa | Średni (≈250) | Wysoki (≈600) |
| Moduł specyficzny | Relatywnie niski (≈20) | Wysoki (≈60-100) |
| Odporność na uderzenia | Średnia (większa kruchość niż w przypadku CFRP) | Relatywnie wysoka (dobra wytrzymałość) |
| Koszt przetwarzania | Płyty pultrudowane są łatwe w obróbce, lecz złożone formowanie wymaga dodatkowych procesów. | Koszt prasowania na gorąco prepregów jest wysoki, jednak umożliwia to formowanie zintegrowane. |
| Trwałość | Dobra odporność na zmęczenie, doskonała odporność na korozję. | Doskonała odporność na zmęczenie, ale wymaga zabezpieczenia przed korozją galwaniczną. |
| Redukcja wagi | O 20–30% mniejsza masa w porównaniu ze stopem aluminium. | O 40–50% mniejsza masa w porównaniu ze stopem aluminium. |
Analiza scenariuszy opłacalności
- Niedrogie drony priorytetowe (np. drony inspekcyjne, rolnicze): – BFRP może zastąpić niektóre elementy ze stopów aluminium, przy kosztach niższych o 30–50% w porównaniu z CFRP i lepszej odporności na korozję, co zapewnia wysoką ogólną opłacalność.
- Zastosowania wymagające dużej sztywności i lekkiej konstrukcji (np. drony wyścigowe, drony do fotografii lotniczej): – CFRP oferuje znaczną przewagę w zakresie modułu sprężystości, co pozwala na redukcję odkształceń aerodynamicznych; mimo że jest droższy, jego wydajność jest niezastąpiona.
- Zastosowania ze specjalnymi wymaganiami funkcjonalnymi: Jeśli wymagana jest przejrzystość elektromagnetyczna lub tłumienie/redukcja drgań, BFRP może służyć jako materiał uzupełniający do produkcji określonych podzespołów (np. kopuł radarowych).
- Wyzwania techniczne i kierunki optymalizacji
- Hybrydowa konstrukcja: laminaty BFRP + CFRP: miejscowe nakładanie włókien węglowych w obszarach o wysokich wymaganiach sztywności w celu zrównoważenia kosztów i wydajności.
- Usprawnienia procesów: Rozwój prepregów BFRP lub materiałów wzmacnianych włóknami drukowanymi w technologii 3D w celu zwiększenia możliwości formowania złożonych struktur.
- Technologia łączenia: Aby zwiększyć wydajność połączenia, należy zastosować połączenia kompozytowe z wykorzystaniem nitów klejonych lub spawania ultradźwiękowego.
Na podstawie powyższej analizy, BFRP nadaje się do konstrukcji o średnim i niskim obciążeniu w małych bezzałogowych statkach powietrznych (UAV) i oferuje korzyści użytkowe w zakresie redukcji masy, odporności na korozję oraz tłumienia/redukcji drgań; należy jednak unikać go w obszarach wymagających dużej sztywności. Jeśli sztywność nie jest czynnikiem krytycznym, a koszt jest, BFRP oferuje znacznie lepszą opłacalność niż CFRP.
Dodatkowo, w celu optymalizacji kosztów, można rozważyć konstrukcję hybrydową BFRP/CFRP.
Analizę elementów skończonych (FEA) można również stosować do symulacji konkretnych komponentów (np. płatowca), porównując wagę i koszt BFRP i CFRP przy równoważnych współczynnikach bezpieczeństwa, co pozwala na wybór materiałów na podstawie danych.
