Yeni Enerji Yolcu Araçlarının Hafif ve Ekonomik Analizi için Kullanılan CFRP

Karbon fiber genellikle bir kompozit malzeme oluşturmak için epoksi reçine ile birleştirilir. Bu kompozit malzeme, karbon elyafın kendisinin daha yüksek özgül mukavemeti, özgül modülü, yorulma mukavemeti ve şok direnci gibi bir dizi avantajı miras alır. Aynı zamanda epoksi miras alır. Reçine formülasyonu esnek ve çok yönlüdür ve uygulaması oldukça hedeflidir. Alüminyum alaşımlı yapısal elemanlarla karşılaştırıldığında, karbon fiber kompozit malzemelerin ağırlık azaltma etkisi% 20 ila% 40'a ulaşabilir. Çelik metal bileşenlerle karşılaştırıldığında, karbon fiber kompozit malzemelerin ağırlık azaltma etkisi% 60 ila% 80'e bile ulaşabilir. Karbon fiber kompozit malzemelerin kullanımı Bu sadece genel araç kalitesini düşürmekle kalmaz, aynı zamanda otomobil üretim sürecini de bir ölçüde etkiler ve değiştirir.

1 Süreç Türü

Karbon Elyaf Takviyeli Polimerler (CFRP), bir takviye fazı ve bir termoplastik veya ısıyla sertleşen reçine malzemesi olarak bir karbon fiber kompozitini ifade eder. CFRP kompozit malzemelerin üretim teknolojisi, öncelikli olarak prepreg oluşturma ve sıvı oluşturma süreçlerini içerir. Karbon fiber takviyeli polimer matriks kompozitlerin işlem tiplerinin karşılaştırılması ve analizi Tablo 1'de gösterilmiştir.

2 Otomotiv Montaj ve Montaj Teknolojisi

Kompozit otomotiv parçalarının kombine montajı ve kompozit parçalar ile metal parçalar arasındaki bağlantı kaçınılmaz bir problemdir. Kompozit malzeme, düşük interlaminar mukavemete ve düşük sünekliğe sahip, anizotropiktir ve kompozit malzemelerin derzlerinin metallerden çok daha karmaşık olmasını ve analizini sağlar. Otomotiv endüstrisindeki geleneksel metal parçalar arasındaki bağlantı, kompozit malzemeler için uygun değildir. Bu nedenle, otomotiv kompozit malzemelerinin birbirine bağlanma ve sabitlenme yöntemlerini anlamak ve geliştirmek ve makul seçimler yapmak çok önemlidir.

Açıklıkların kırdığı liflerin devamlılığı nedeniyle, lokal stres konsantrasyonları ortaya çıkmaktadır. Kompozit malzemelerin derzleri genellikle tüm yapıdaki en zayıf bağlantıdır. Bu nedenle, kompozit malzemelerin yapısal tasarımında derzlerin mukavemetini sağlamak çok önemlidir. Kompozit malzemeler, yapıştırılmış bağlantılar, mekanik bağlantılar ve ikisi arasındaki hibrid bağlantılar olmak üzere üç ana kategoriye ayrılır. Termoplastik kompozitler için kaynak teknikleri vardır. Kompozit malzeme bağlantı teknolojisi tasarımı, bileşenlerin özel kullanım koşullarına ve tasarım gereksinimlerine göre belirlenmelidir.

2.1 yapıştırılmış bağlantı

Mekanik bağlantı ile karşılaştırıldığında, yapıştırma teknolojisinin ana avantajları, açıklık olmaması, yapısal kalite, yorulma direnci, iyi titreşim ve yalıtım özellikleri, düzgün görünüm, basit birleştirme işlemi ve hiçbir elektrokimyasal korozyon problemi olmamasıdır. Bununla birlikte, yapıştırma teknolojisinin zor kontrolü, bağlanma mukavemetinin nispeten büyük dağılabilirliği, güvenilir inceleme metotlarının eksikliği ve yüzey işleme ve yapıştırma yüzeylerinin yapıştırılmasında katı gereklilikler gibi bazı bağlama teknikleri bulunmaktadır. Karbon fiber kompozit gövde için, bağlantı ana bağlantıdır.

2.2 Mekanik bağlantı

Mekanik bağlantı genellikle kullanılan perçin ve cıvata, en yaygın kullanılan bağlantıdır. Mekanik bağlantının ana avantajı, bağlantının yüksek güvenilirliği olup, bakım veya değiştirme sırasında tekrar tekrar sökülebilir ve monte edilebilir, yüzey işleme gerektirmez ve çevre üzerinde nispeten küçük bir etkiye sahiptir. Mekanik bağlantıların ana dezavantajı kütle artışı, stres konsantrasyonu ve metallerin ve kompozitlerin elektrokimyasal korozyonudur. Perçin bağlantılarının ve cıvata bağlantılarının karşılaştırılması Şekil 1'de gösterilmiştir.

2.3 Hibrid Bağlantı

Bağlantının güvenliğini ve bütünlüğünü iyileştirmek için, bazı önemli bağlantı yerlerinde, bir bağlanma ve mekanik bağlantının bir hibrit bağlantı yöntemi genellikle aynı anda benimsenir ve iki bağlantı yönteminin avantajları, bağlantı alanı yeterli güç ve yüksek güvenilirliğe sahiptir.

2.4 Kaynak

Kaynak teknolojisi esas olarak termoplastik kompozit parçalara uygulanır. Temel prensip, erimiş termoplastik kompozitin yüzeyindeki reçinenin ısıtılması ve daha sonra bütünleştirilmesi için presin sıkıştırılmasıdır. Kaynak esas olarak ultrasonik kaynak, elektrik indüksiyon kaynağı ve direnç kaynağı içerir. Kaynak avantajları iyi bağlantı ve kısa döngü, yüzey işleme, yüksek bağlantı mukavemeti, düşük stres, vb .; yetersizliklerin sökülmesi zordur ve iletken malzemeler veya metal teller eklemesi gerekir. Ek olarak, kompozit yapısal elemanın kalıplanması sırasında, metal bağlayıcı fiber ön formuna gömülebilir ve kompozit malzeme ve metal gömülü eleman kalıplandıktan sonra entegre edilir ve kompozit parçalar metal gömülü elemandan bağlanabilir. İşleme kompozitlerinin işlenmesini önlemek.

Otomotiv için 3 Uygulama avantajları

Mekanik özellikler, hafiflik, malzeme stabilitesi, malzeme tasarım ve işleme gibi otomotiv malzemelerini seçerken göz önünde bulundurulması gereken birkaç faktör vardır. Bu faktörlerin her biri otomobillerin tasarımı, üretimi, satışı ve kullanımı üzerinde göz ardı edilebilir bir etkiye sahip olacaktır. Son yıllarda, Karbon Fiber Takviyeli Polimerler (CFRP), benzersiz performans özellikleri nedeniyle dikkat çeken yeni bir otomotiv malzemesi haline gelmiştir. Diğer otomotiv malzemeleri ile karşılaştırıldığında, karbon fiber takviyeli polimer matriks kompozitleri aşağıdaki avantajlara sahiptir.

3.1 Mükemmel mekanik özellikler

Taşıtlar için karbon fiber takviyeli reçine matriks kompozitlerinin (CFRP) yoğunluğu 1,5 ila 2 g / cm3'tür, ki bu da sadece 1/4 ila 1/5 ortak karbon çeliğidir ve alüminyum alaşımından yaklaşık 1/3 daha hafiftir, fakat karbon fiber kompozit malzeme Kapsamlı mekanik özellikler, metal malzemelerden açıkça daha iyidir ve çekme mukavemeti, çeliğin 3 ila 4 katıdır. Çelik ve alüminyumun yorulma mukavemeti çekme mukavemetinin% 30 ila% 50'sidir ve CFRP% 70 ila% 80'e ulaşabilir. Aynı zamanda CFRP, hafif alaşım gibi hafif metallerden daha iyi titreşim sönümleme özelliklerine sahiptir, titreşimi durdurmak için 9s gerektirir, Karbon fiber kompozit malzeme 2'ler durdurulabilir ve daha yüksek özgül güce ve özgül modüle sahiptir.

3.2 Tasarlanabilir

Karbon fiber kompozit malzemenin tasarımı güçlüdür ve matris malzemesi performans gerekliliklerine göre makul bir şekilde seçilebilir, fiberlerin düzenlenmesi ve kompozit malzemenin yapısı tasarlanabilir ve ürün tasarımı esnek bir şekilde gerçekleştirilebilir. Örneğin, karbon liflerini kuvvet yönünde düzenleyerek, kompozit malzemenin mukavemetinin anizotropisi tam olarak uygulanabilir ve böylece malzeme tasarrufu ve kalite azaltma amacına ulaşılır. Korozyon direnci gerektiren ürünler için, tasarım sırasında iyi bir korozyon direncine sahip bir temel malzeme kullanılabilir.

3.3 entegre üretime ulaşabilir

Modülerleşme ve entegrasyon, otomotiv yapısında da trendlerdir. Kompozit malzeme oluşturulduğunda, otomobil parçalarının ve bileşenlerinin entegre üretimini sağlamak için çeşitli şekillerde kavisli bir yüzey oluşturmak kolaydır. Entegre kalıplama sadece parça ve kalıp sayısını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda bileşenlerin sayısını ve diğer işlemleri azaltır, aynı zamanda üretim döngüsünü büyük ölçüde kısaltır. Örneğin, bir aracın ön uç modülü karbon fiber kompozit malzemeden yapılmışsa, ürün doğruluğunu azaltarak ve performansı artırırken, daha sonraki kaynak ve daha sonra metal parçaların işlenmesinden kaynaklanan lokalize stres konsantrasyonunu önlemek için entegre olarak oluşturulabilir ve entegre edilebilir. otomobil parçalarını azaltırken. Kalite, üretim maliyetlerini azaltır.

3.4 Enerji Absorpsiyonu ve Darbe Dayanımı

Karbon fiber takviyeli reçine matriks kompozitleri (CFRP) belirli bir viskoelastisite derecesine sahiptir ve ara yüzey sürtünmesi yaratabilen karbon fiber ve matriks arasında küçük bir lokal nispi hareket vardır. Viskoelastisite ve arayüzey sürtünmesinin sinerjik etkisi altında, CFRP parçaları daha iyi enerji emilimi ve darbe direncine sahiptir. Öte yandan, özel olarak emilen karbon fiber kompozit, yüksek hızlı çarpışmalarda küçük parçalara çarparak büyük miktarda darbe enerjisini emer ve enerji emme kapasitesi, metal malzemelere göre 4 ila 5 kat daha fazladır ve bu da etkin bir şekilde araçları geliştirmek. Güvenlik, üyelerinin güvenliğini korur.

3.5 İyi korozyon direnci

Karbon fiber takviyeli polimer matriks kompozitleri esas olarak karbon elyafı ve reçine materyallerinden oluşur ve mükemmel asit ve alkali direnç özelliklerine sahiptir. Bunlardan yapılan otomobil parçaları yüzey antiseptik tedavisine gerek duymaz ve hava koşullarına ve yaşlanma direncine iyi gelir. Servis ömürleri iyi. Çeliğin 2 ila 3 katı.

3.6 yüksek sıcaklık performansı

Karbon fiberin 400 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda performansı çok stabil kalır ve 1 000 ° C'de önemli bir değişiklik yoktur.

3.7 iyi yorulma direnci

Karbon fiber takviyeli materyaller, elyaftan kaynaklanan yorulma çatlağı yayılımı üzerinde engelleyici bir etkiye sahiptir ve yorulma direnci% 70 ila% 80'e ulaşabilir. Karbon fiberin yapısı stabildir. Kompozit malzemenin yorulma ömrü milyonlarca döngüden sonra, mukavemet tutma oranı Hala% 60, çelik ve alüminyum sırasıyla% 40 ve% 30 ve fiberglas ise% 20 ila% 25 arasındadır. Bu nedenle, karbon fiber kompozitlerin yorulma direnci, otomotiv endüstrisinde geniş bir uygulama yelpazesi için uygundur.

Yeni Enerji Yolcu Araçları için 4 Ekonomik Analiz

Karbon fiber kullanımı nedeniyle, vücut% 50'den daha fazla azaltılabilir. Örnek olarak, tipik bir A sınıfı araçta 100 kg'lık kilo kaybını alarak, aracın hafifliğinin önemi çok açıktır. Aşağıdaki yönlerden açıklanabilir: 1 Bir istasyon için 300 km'lik bir binek otomobil ve 45 kW · s'lik bir şarj kapasitesi için, aynı sürüş alanı, endüstri uzmanı tarafından hesaplandığı şekilde 3,6 kW · s azaltılabilir. “100 kg başına 100 kg, artı sürüş aralığında% 8 artış.” Pil tasarrufu maliyeti yaklaşık 0.6 milyon yuan; 2 400.000 kilometre sürüş ortalama yaşam döngüsü ve elektrik maliyeti 0,9 yuan / kW · h'ye göre hesaplanmıştır. Tüm aracın elektrik maliyeti 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 milyon tasarruf sağlayabilir. 100km, 1.2kW elektrik enerjisi tasarrufu sağlar. 3) Karbon fiber malzemelerin uygulanmasından dolayı, 50.000 aracın üretim ölçeğini örnek alarak, kaydedilen süreç yatırımı ve ekipman yatırımı, elektrikli araçların ekonomik eşdeğerine dönüştürülür ve her araç Amortisman yaklaşık 2.000 yuan tasarruf etti; 4 süreç akıcı olduğundan, personel maliyeti en az 1.000 yuan / Tayvan tasarruf eder.

Yukarıdaki maddeler, araç başına ortalama 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milyon yuan tasarruf anlamına gelse de, bu maliyetler, karbon elyafın piyasaya sürülmesinden dolayı malzemenin maliyetindeki artışı dengelemek için yeterli değildir. Karbon fiber gövdelerinin uygulanmasında hala büyük sorunların olduğu görülebilir. Hafif vücudu desteklemek istiyorsanız, yalnızca işlem ve ekipmanın girişini azaltmaya başlayabilirsiniz. Yukarıdaki maddeler, araç başına ortalama 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milyon yuan tasarruf anlamına gelse de, bu maliyetler, karbon elyafın piyasaya sürülmesinden dolayı malzemenin maliyetindeki artışı dengelemek için yeterli değildir. Karbon fiber gövdelerinin uygulanmasında hala büyük sorunların olduğu görülebilir.

Hafif vücudu desteklemek istiyorsanız, yalnızca işlem ve ekipmanın girişini azaltmaya başlayabilirsiniz.

Otomobil karbon fiber gövdelerinin seri üretimini başarırsa, karbon fiber malzemenin maliyeti de büyük ölçüde azalır, tüm endüstri etkisi oldukça büyük olacaktır ve ekonomik faydalar da daha belirgin hale gelecektir. Bunlar sadece karbon fiber analizi perspektifinden kaynaklanır, eğer aynı nedenle pozitif yığına göre 50kg alüminyum alaşım araba vücut ağırlığı azaltma faktörü düşünürseniz, ekonomik etki kendiliğinden belirgindir.

Araç Gövdesi için 5 Geliştirme Eğilimi

Karbon fiber takviyeli kompozitlerin özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, bu tip malzeme otomotiv üreticileri tarafından giderek daha fazla tercih edilmektedir. Otomotiv sektöründe karbon elyaf kullanımının yıllık ortalama% 34 oranında büyüdüğü ve 2020 yılına kadar 23.000 tona ulaşacağı tahmin edilmektedir. Şekil 2, karoseri için karbon fiber takviyeli kompozitlerin geliştirilmesi için yol haritasını göstermektedir.

Şu anda karbon fiber takviyeli kompozitler, esas olarak gövde panelleri, gövde kaplamaları ve yapısal bileşenlere uygulanır. Örneğin, BMW, vücut yapı parçaları üretmek için çeşitli modellerin geliştirilmesinde çok sayıda karbon fiber kompozit malzeme kullanmıştır. Bu, otomobil üretiminde karbon fiber kompozit malzemelerin uygulanması için önemli bir an haline gelmiştir. Aynı zamanda, BMW Almanya'da SGL ile işbirliği yaptı, düşük maliyetli karbon elyafın araştırılmasına ve geliştirilmesine 100 milyon avro yatırım yaptı ve artan BMW i karşılamak için karbon fiber üretimini yılda 3.000 tondan 9000 tona çıkardı. -series elektrikli araçlar ve diğerleri. Modeller için talep.

6. Sonuç

Özetle, karbon elyaf takviyeli reçine matriks kompozitleri (CFRP), gelecekteki yeni otomotiv malzemeleri için benzersiz performans avantajları ile önemli bir gelişme yönü haline gelmiştir. Ancak, bu malzemenin otomotiv alanında kullanılmasını teşvik etmek için, işbirliğine dayalı araştırma ve üretim, öğrenim ve araştırma geliştirme çalışmalarına aşağıdaki yönlerden başlamak gerekmektedir: (1) Daha düşük maliyetli karbon fiber öncüleri için daha fazla araştırma yapılması; (2) Öncü malzemelerin stabilizasyonu gibi yeni karbon fiber üretim süreçleri geliştirir. Teknoloji; 3 Karbon fiber üretim süreci parametrelerini optimize edin veya CFRP kompozit materyallerin performansını daha da artırmak için nano-karbon fiber kullanın; Hızlı katılaşma kalıplama teknolojisi ve kompozit malzeme akış kontrol teknolojisi gibi hızlı ve etkili CFRP parça kalıplama ve üretim teknolojilerini geliştirmek; 5 Farklı karbon fiber kompozit malzemeleri seçmek ve kalıplama prosesi parametrelerini optimize etmek için bilgisayar simülasyonu analiz teknolojisini (CAE) kullanın.