Tính khả thi của việc ứng dụng sợi bazan vào cấu trúc UAV cỡ nhỏ

Tổng quan về các đặc tính của Polyme gia cường bằng sợi bazan (bfrp)

Lấy tấm ép đùn dày 5 mm làm ví dụ, các thông số vật lý điển hình của nó như sau: - Độ bền kéo: ≥500 MPa

- Mô đun đàn hồi: ≥40 GPa

- Khối lượng riêng: 1,8–2,0 g/cm³

- Độ giãn dài khi đứt: 2,5–3,0%

- Khả năng chống ăn mòn: Tuyệt vời (chống chịu được axit, kiềm và tia UV)

- Hệ số giãn nở nhiệt: Tương tự như bê tông; khả năng chịu nhiệt độ thấp tốt.

Phân tích tính khả thi của việc ứng dụng trong cấu trúc UAV cỡ nhỏ

1. Thuận lợi

• Tiềm năng giảm trọng lượng: Với mật độ thấp hơn hợp kim nhôm (2,7 g/cm³), nó cho phép giảm trọng lượng cấu trúc, từ đó cải thiện khả năng bay bền bỉ và khả năng điều khiển.
• Độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng: Độ bền riêng (độ bền/mật độ): ≈250–280 MPa·cm³/g, cao hơn hợp kim nhôm (≈140) nhưng thấp hơn sợi carbon (≈600).
• Mô đun riêng (mô đun/mật độ): ≈20–22 GPa·cm³/g, tương đương với hợp kim nhôm nhưng chỉ bằng một phần ba so với sợi carbon.
• Đặc tính giảm chấn rung động: Hệ số giảm chấn cao hơn sợi carbon, giúp giảm rung động khi bay và cải thiện độ ổn định của cảm biến. • Độ trong suốt điện từ: Không gây nhiễu tín hiệu liên lạc, thích hợp cho khoang radar hoặc anten.
• Khả năng chống chịu môi trường: Chống chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm, cũng như ăn mòn, thích hợp cho UAV trong môi trường hàng hải hoặc công nghiệp.

2. Ứng dụng được đề xuất

• Các cấu trúc chịu tải trọng trung bình đến thấp: Khung thân máy bay, giá đỡ càng hạ cánh, sườn cánh.
• Các bộ phận không chịu tải: Giá đỡ anten, khay pin, vỏ cảm biến.
• Các bộ phận dành cho môi trường đặc biệt: Các bộ phận tiếp xúc với dung dịch thuốc trừ sâu trên UAV nông nghiệp, thân UAV hàng hải.

So sánh hiệu quả chi phí với sợi carbon (CFRP)

So sánh: Sợi bazan (BFRP) so với sợi carbon (CFRP)

Phân tích kịch bản hiệu quả chi phí

1. Máy bay không người lái ưu tiên chi phí thấp (ví dụ: máy bay không người lái kiểm tra, nông nghiệp): – BFRP có thể thay thế một số bộ phận hợp kim nhôm, với chi phí thấp hơn 30–50% so với CFRP và khả năng chống ăn mòn vượt trội, mang lại hiệu quả chi phí tổng thể cao.
2. Các ứng dụng yêu cầu độ cứng cao và thiết kế nhẹ (ví dụ: máy bay không người lái đua, máy bay không người lái chụp ảnh trên không): – CFRP mang lại lợi thế đáng kể về mô đun đàn hồi, giảm biến dạng khí động học; mặc dù đắt hơn, nhưng hiệu suất của nó là không thể thay thế.
3. Các ứng dụng có yêu cầu chức năng đặc biệt: Nếu cần độ trong suốt điện từ hoặc khả năng giảm chấn/rung động, BFRP có thể được sử dụng làm vật liệu bổ sung cho các bộ phận cụ thể (ví dụ: vòm radar).
4. Những thách thức kỹ thuật và hướng tối ưu hóa
5. Thiết kế cấu trúc lai: Vật liệu composite BFRP + CFRP: Xếp lớp sợi carbon cục bộ ở những khu vực cần độ cứng cao để cân bằng giữa chi phí và hiệu suất.
6. Cải tiến quy trình: Phát triển vật liệu composite sợi thủy tinh (BFRP) dạng prepreg hoặc vật liệu gia cường sợi in 3D để nâng cao khả năng tạo hình các cấu trúc phức tạp.
7. Công nghệ ghép nối: Sử dụng các mối nối composite dán keo-đinh tán hoặc hàn siêu âm để nâng cao hiệu quả ghép nối.

Dựa trên phân tích trên, BFRP phù hợp cho các cấu trúc chịu tải trung bình đến thấp trong UAV cỡ nhỏ và mang lại giá trị ứng dụng về giảm trọng lượng, khả năng chống ăn mòn và giảm chấn/rung động; tuy nhiên, nên tránh sử dụng ở những khu vực yêu cầu độ cứng cao. Nếu độ cứng không phải là yếu tố quan trọng mà chi phí mới là yếu tố quyết định, BFRP mang lại hiệu quả chi phí tốt hơn đáng kể so với CFRP.

Ngoài ra, có thể xem xét thiết kế kết hợp BFRP/CFRP để tối ưu hóa chi phí.

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cũng có thể được sử dụng để mô phỏng các thành phần cụ thể (như khung máy bay), so sánh trọng lượng và chi phí của BFRP và CFRP dưới các hệ số an toàn tương đương để đưa ra quyết định lựa chọn vật liệu dựa trên dữ liệu.