Можливість застосування базальтового волокна для конструкцій малих БПЛА
Огляд властивостей Полімер, армований базальтовим волокном (бфрп)
Візьмемо як приклад лист пултрузії товщиною 5 мм, його типові фізичні параметри такі: - Міцність на розрив: ≥500 МПа
- Модуль пружності: ≥40 ГПа
- Густина: 1,8–2,0 г/см³
- Подовження при розриві: 2,5–3,0%
- Стійкість до корозіїВідмінна (стійка до кислот, лугів та ультрафіолетового випромінювання)
- Коефіцієнт теплового розширення: подібний до бетону; хороші низькотемпературні характеристики
Аналіз доцільності застосування в малих конструкціях БПЛА
- Переваги
- Потенціал зниження ваги: Завдяки нижчій щільності, ніж у алюмінієвого сплаву (2,7 г/см³), він дозволяє зменшити вагу конструкції, тим самим покращуючи витривалість польоту та маневреність.
- Питома міцність та питомий модуль: Питома міцність (міцність/щільність): ≈250–280 МПа·см³/г, що перевершує алюмінієвий сплав (≈140), але нижче, ніж вуглецеве волокно (≈600).
- Питомий модуль пружності (модуль/щільність): ≈20–22 ГПа·см³/г, порівнянний з алюмінієвим сплавом, але лише на третину менший, ніж у вуглецевого волокна.
- Характеристики гасіння вібрацій: Вищий коефіцієнт демпфування, ніж у вуглецевого волокна, що зменшує коливання польоту та покращує стабільність датчиків. • Електромагнітна прозорість: Не перешкоджає сигналам зв'язку, що робить його придатним для використання в радіолокаційних або антенних відсіках.
- Стійкість до навколишнього середовища: стійкий до вологого, теплового та корозійного впливу, підходить для БПЛА в морському або промисловому середовищі.
- Рекомендовані програми
- Конструкції середнього та низького навантаження: шпангоути фюзеляжу, опори шасі, ребра крила.
- Ненесучі компоненти: кріплення антени, лотки для акумуляторів, корпуси датчиків.
- Компоненти для спеціальних середовищ: деталі сільськогосподарських БПЛА, що піддаються впливу розчинів пестицидів, корпуси морських БПЛА.
Порівняння вартості та ефективності з вуглецевим волокном (CFRP)
Порівняння: Базальтове волокно (BFRP) проти вуглецевого волокна (CFRP)
| Вимір | Базальт Полімер, армований волокном (BFRP) | Полімер, армований вуглецевим волокном (CFRP) |
| Вартість матеріалів | Тарілки: приблизно 60–100 юанів/кг (для місцевого споживання) | Плити: приблизно 150–300 юанів/кг (марка T300) |
| Питома міцність | Середній (≈250) | Високий (≈600) |
| Питомий модуль пружності | Відносно низький (≈20) | Високий (≈60-100) |
| Стійкість до ударів | Середній (вища крихкість, ніж у вуглецевого волокна) | Відносно висока (добра міцність) |
| Вартість обробки | Пультрузійні плити легко обробляти, але складне формування вимагає додаткових процесів. | Вартість гарячого пресування препрегів висока, але дозволяє проводити інтегроване формування. |
| Довговічність | Гарна стійкість до втоми, відмінна стійкість до корозії. | Відмінні характеристики стійкості до втоми, але потребують захисту від гальванічної корозії. |
| Зниження ваги | Зменшення ваги на 20–30% порівняно з алюмінієвим сплавом. | Зменшення ваги на 40–50% порівняно з алюмінієвим сплавом. |
Аналіз сценаріїв економічної ефективності
- Низьковартісні пріоритетні дрони (наприклад, інспекційні, сільськогосподарські дрони): – BFRP може замінити деякі компоненти з алюмінієвих сплавів, при цьому вартість на 30–50% нижча, ніж у CFRP, та має вищу стійкість до корозії, що забезпечує високу загальну економічну ефективність.
- Застосування, що вимагають високої жорсткості та легкої конструкції (наприклад, гоночні дрони, дрони для аерофотозйомки): – вуглепластик пропонує значну перевагу в модулі пружності, зменшуючи аеродинамічну деформацію; хоча він дорожчий, його характеристики незамінні.
- Застосування зі спеціальними функціональними вимогами: якщо потрібна електромагнітна прозорість або демпфування/зменшення вібрації, BFRP може служити додатковим матеріалом для певних компонентів (наприклад, радарних куполів).
- Технічні проблеми та напрямки оптимізації
- Гібридна конструкція: ламінати BFRP + CFRP: локальне укладання вуглецевого волокна в місцях з високими вимогами до жорсткості для балансу між вартістю та продуктивністю.
- Удосконалення процесу: розробка препрегів BFRP або матеріалів, армованих волокном, надрукованих за допомогою 3D-друку, для покращення здатності формувати складні структури.
- Технологія з'єднання: використовуйте клейові заклепки з композитних з'єднань або ультразвукове зварювання для підвищення ефективності з'єднання.
Виходячи з вищезазначеного аналізу, BFRP підходить для конструкцій із середнім та низьким навантаженням у малих БПЛА та пропонує цінність застосування з точки зору зниження ваги, стійкості до корозії та демпфування/зменшення вібрації; однак, його слід уникати в областях, де потрібна висока жорсткість. Якщо жорсткість не є критичним фактором, але вартість є, BFRP пропонує значно кращу економічну ефективність, ніж CFRP.
Крім того, для оптимізації витрат можна розглянути гібридну конструкцію BFRP/CFRP.
Аналіз кінцевих елементів (FEA) також може бути використаний для моделювання конкретних компонентів (таких як планер літака), порівнюючи вагу та вартість BFRP та CFRP за еквівалентних коефіцієнтів запасу міцності для вибору матеріалу на основі даних.
