CFRP Koristi se za laganu i ekonomsku analizu novih energetskih putničkih vozila

Ugljično vlakno se općenito kombinira s epoksi smolom kako bi se oblikovao kompozitni materijal. Ovaj kompozitni materijal nasljeđuje niz prednosti kao što su veća specifična čvrstoća, specifični modul, otpornost na zamor i otpornost na udarce samog ugljika. Istovremeno, nasljeđuje epoksid. Formulacija smole je fleksibilna i svestrana, a njegova primjena je vrlo ciljana. U usporedbi s elementima strukturnih legura aluminija, učinak smanjenja težine kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana može doseći 20% do 40%. U usporedbi s komponentama čeličnih metala, učinak smanjenja težine kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana može čak dosegnuti i 60% do 80%. Korištenje kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana To ne samo da smanjuje ukupnu kvalitetu vozila, već utječe i mijenja proces proizvodnje automobila do neke mjere.

1 Vrsta procesa

Polimeri ojačani karbonskim vlaknima (CFRP) odnose se na kompozit ugljičnih vlakana kao faza za pojačavanje i termoplastični ili termorastajući materijal smole. Proizvodna tehnologija CFRP kompozitnih materijala uglavnom uključuje proces prepreg formiranja i tekućine. Usporedba i analiza procesnih tipova kompozita polimernih matrica ojačanih ugljenim vlaknima prikazana je u tablici 1.

2 Tehnologija montaže i montaže automobilskih vozila

Kombinirana montaža kompozitnih automobilskih dijelova i veza između kompozitnih dijelova i metalnih dijelova neizbježan je problem. Kompozitni materijal je anizotropan, s niskom interlaminarnom čvrstoćom i malom duktilnošću, što čini dizajn i analizu zglobova kompozitnih materijala puno složeniji od metala. Povezanost tradicionalnih metalnih dijelova u automobilskoj industriji nije prikladna za kompozitne materijale. Povezivanje, dakle, od ključne je važnosti razumjeti i poboljšati način na koji su kompozitni materijali vezani za automobil i fiksni te napraviti razumne mogućnosti.

Zbog kontinuiteta vlakana razbijenih otvori uzrokuju se koncentracije lokalnog stresa. Zglobovi kompozitnih materijala su obično najslabija karika u cijeloj strukturi. Stoga je ključno osigurati čvrstoću spojeva u konstrukcijskom dizajnu kompozitnih materijala. Kompozitni materijali podijeljeni su u tri glavne kategorije, naime, zalijepljene veze, mehaničke veze i hibridne veze između njih. Za termoplastične kompozite postoje tehnike zavarivanja. Oblikovanje tehnološkog povezivanja kompozitnog materijala mora se odrediti prema specifičnim uvjetima uporabe i zahtjevima dizajna komponenata.

2.1 zalijepljena veza

U usporedbi s mehaničkim spojem, glavne prednosti tehnologije vezivanja su koncentracija naprezanja uzrokovana bez otvora, smanjenom strukturnom kvalitetom, otporom umora, dobrim vibracijama i izolacijskim svojstvima, glatkim izgledom, jednostavnim postupkom spajanja i bez elektrokemijskih problema s korozijom. Međutim, postoje neke nedostatke u tehnologiji vezivanja, kao što je teška kontrola kvalitete vezivanja, relativno velika disperzivnost čvrstoće vezanja, nedostatak pouzdanih metoda ispitivanja i strogi zahtjevi za površinsku obradu i vezivanje površina vezivanja. Za sastavljeno tijelo od karbonskih vlakana veza je glavna veza.

2.2 Mehanički spoj

Mehanička veza se obično koristi kao zakovice i vijci, najčešće se koristi veza. Glavna prednost mehaničkog spajanja je visoka pouzdanost priključka, koja se može opetovano demontirati i sastaviti tijekom održavanja ili zamjene, ne zahtijeva površinsku obradu i ima relativno mali utjecaj na okoliš. Glavni nedostatak mehaničkih spojeva je porast mase, koncentracija naprezanja i elektrokemijska korozija metala i kompozita. Usporedba spojeva zakovica i spojeva vijaka prikazana je na slici 1.

2.3 Hibridna veza

Kako bi se poboljšala sigurnost i integritet veze, na nekim važnim mjestima povezivanja uobičajeno se prihvaća hibridna veza metode vezivanja i mehaničke veze, a prednosti dviju metoda povezivanja u potpunosti se koriste kako bi se osiguralo da veza ima dovoljnu snagu i visoku pouzdanost.

2.4 Zavarivanje

Tehnika zavarivanja uglavnom se primjenjuje na termoplastične kompozitne dijelove. Osnovno načelo je zagrijavanje smole na površini rastopljenog termoplastičnog kompozita, a zatim kružiti tiskom kako bi se integrirala. Zavarivanje uglavnom uključuje ultrazvučno zavarivanje, električno indukcijsko zavarivanje i zavarivanje otpornosti. Prednosti zavarivanja su dobra veza i kratki ciklus, bez površinske obrade, visoka čvrstoća spajanja, niski stres itd.; nedostaci su teško rastaviti i trebaju dodati vodljive materijale ili metalne žice. Nadalje, za vrijeme oblikovanja kompozitnog strukturnog elementa, metalni konektor može biti ugrađen u predsklop za vlakna, a kompozitni materijal i metalni ugrađeni element integrirani su nakon oblikovanja, a kompozitni dijelovi mogu se spojiti kroz metalni ugrađeni element kako bi se izbjeglo obraditi kompozite oštećenja.

3 Prednosti primjene za automobilsku industriju

Postoje brojni čimbenici koje treba uzeti u obzir prilikom odabira automobilskih materijala, kao što su mehanička svojstva, mala težina, stabilnost materijala, oblikovanje materijala i obradivost. Svaki od ovih čimbenika imat će nezanemarivi utjecaj na dizajn, proizvodnju, prodaju i upotrebu automobila. Posljednjih godina, karbonski vlakni pojačani polimeri (CFRP) postali su novi automobilski materijal koji privlači pažnju zbog svojih jedinstvenih karakteristika performansi. U usporedbi s ostalim automobilskim materijalima, kompoziti polimernih matrica pojačani karbonskih vlakana imaju sljedeće prednosti.

3.1 Izvrsna mehanička svojstva

Gustoća kompozita s matricama smole za pojačavanje karbonskih vlakana (CFRP) za vozila je 1,5 do 2 g / cm3, što je samo 1/4 do 1/5 čestog ugljičnog čelika i oko 1/3 lakše od aluminijske legure, ali ugljik vlaknasti kompozitni materijal Sveobuhvatna mehanička svojstva očito su bolja od metalnih materijala, a vlačna čvrstoća je 3 do 4 puta veća od čelika. Jačina zamora čelika i aluminija je 30% do 50% vlačne čvrstoće, a CFRP može doseći 70% do 80%. Istodobno, CFRP također ima bolje karakteristike prigušenja vibracija od lakih metala, kao što je legura legure zahtijeva 9s za zaustavljanje vibracija, Kompozitni materijal 2s može se zaustaviti i ima veću specifičnu čvrstoću i specifični modul.

3.2 Namjestiva

Dizajn kompozitnog materijala od ugljičnog vlakna je jak, a matrični materijal može se razumno odabrati prema zahtjevima izvedbe, raspored vlakana može biti dizajniran, a struktura kompozitnog materijala i dizajn proizvoda može se obavljati fleksibilno. Na primjer, postavljanjem ugljičnih vlakana u smjeru sile, anizotropnost čvrstoće kompozitnog materijala može se potpuno izvući, čime se postiže svrha štednje materijala i smanjenja kvalitete. Za proizvode koji zahtijevaju otpornost na koroziju, tijekom dizajna može se koristiti temeljni materijal s dobrom otpornosti na koroziju.

3.3 može postići integriranu proizvodnju

Modularizacija i integracija također su trendovi u automobilskoj strukturi. Kada se formira kompozitni materijal, lako je oblikovati zakrivljenu površinu različitih oblika kako bi se postigla integrirana proizvodnja dijelova i komponenti automobila. Integrirano oblikovanje ne samo da može smanjiti broj dijelova i kalupa, smanjiti broj komponenata i drugih procesa, već i znatno skratiti proizvodni ciklus. Na primjer, ako je prednji modul automobila izrađen od kompozitnog materijala od ugljičnog vlakna, može se integrirano oblikovati i integrirati kako bi se izbjegla lokalna koncentracija naprezanja uzrokovana naknadnim zavarivanjem i naknadnom obradom metalnih dijelova, istovremeno smanjujući točnost proizvoda i poboljšavajući performanse dok smanjuje auto dijelove. Kvaliteta, smanjuju troškove proizvodnje.

3.4 Otpornost na energiju i otpornost na udarce

Kompoziti matriksastih smola ojačani karbonskim vlaknima (CFRP) imaju određeni stupanj viskoelastičnosti, a između ugljikovih vlakana i matrice ima mali lokalni relativni pomak koji može stvoriti međupredmetno trenje. Pod sinergijskim učinkom viskoelastičnosti i međuprostornih trenja, CFRP dijelovi imaju bolju apsorpciju energije i otpornost na udarce. S druge strane, posebno apsorbirana kompozicija od ugljičnih vlakana pada u male dijelove u sudarima velikih brzina, apsorbira veliku količinu udarne energije, a njegova sposobnost apsorpcije energije je 4 do 5 puta veća od one metalnih materijala, što može učinkovito poboljšati vozila. Sigurnost, zaštitite sigurnost članova.

3,5 Dobra otpornost na koroziju

Kompoziti polimernog matriksa ojačanog karbonskih vlakana uglavnom se sastoje od materijala za vuču i smole od ugljičnih vlakana i imaju izvrsna svojstva otpornosti na kiseline i alkaliju. Auto dijelovi od njih ne trebaju površinski antiseptički tretman, a njihova otpornost na vremenske uvjete i otpornost na starenje su dobri. Njihov je životni vijek dobar. 2 do 3 puta veću od čelika.

3,6 performanse visoke temperature

Izvedba ugljičnih vlakana na temperaturama ispod 400 ° C ostaje vrlo stabilna, a nema značajne promjene na 1000 ° C.

3.7 Dobra otpornost na umor

Materijali ojačani ugljenom vlaknima imaju inhibicijski učinak na umnožavanje širenja pukotina zbog vlakana, a otpornost na zamor može doseći 70% do 80%. Struktura ugljikovih vlakana je stabilna. Nakon što je umor životnog vijeka kompozitnog materijala milijuni ciklusa, stopa zadržavanja čvrstoće i dalje iznosi 60%, a čelik i aluminij 40% i 30%, a stakloplastike su samo 20% do 25%. Stoga je otpornost na zamor ugljikovih vlakana pogodna za širok raspon primjena u automobilskoj industriji.

4 Ekonomska analiza novih vozila za osobna vozila

Zbog upotrebe ugljičnih vlakana tijelo se može smanjiti za više od 50%. Kao primjer, uzimanje mršavljenja od 100 kg na tipičnom A-klasi, značenje laganog podešavanja vozila je vrlo očito. To se može objasniti iz sljedećih aspekata: 1 Za jednu postaju Za osobni automobil s 300 km i kapacitet punjenja od 45 kWh, isti raspon vožnje može se smanjiti za 3,6 kWh, kako je izračunao stručnjak iz industrije, "100 kg na 100 kg, plus 8% povećanje u rasponu vožnje." Trošak uštede baterije je oko 0,6 milijuna juana; 2 Prosječni životni ciklus vožnje 400.000 kilometara i trošak električne energije izračunavaju se prema 0,9 juana / kW · h. Trošak električne energije cijelog vozila može uštedjeti 400.000 / 100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 milijuna. 100km sprema 1.2kW · h električnu energiju.) 3 Zbog primjene materijala od ugljičnih vlakana, uzimajući u obzir veličinu proizvodnje od 50.000 vozila, spremljena procesna ulaganja i ulaganja u opremu pretvaraju se u ekonomsku ekvivalent električnih vozila, a svako vozilo je Amortizacija je spasila oko 2.000 juana; 4 jer je postupak pojednostavljen, troškovi osoblja najmanje štede 1000 juana / Tajvan.

Gore navedene stavke sažimaju prosječnu uštedu od 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milijuna juana po vozilu, ali ti troškovi nisu dovoljni da se nadoknadi povećanje troškova samog materijala zbog uvođenja ugljičnih vlakana. Može se vidjeti da još uvijek postoje veliki problemi u primjeni tijela ugljičnih vlakana. Ako želite promovirati lagano tijelo, možete početi samo smanjiti ulaz procesa i opreme. Gore navedene stavke sažimaju prosječnu uštedu od 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milijuna juana po vozilu, ali ti troškovi nisu dovoljni da se nadoknadi povećanje troškova samog materijala zbog uvođenja ugljičnih vlakana. Može se vidjeti da još uvijek postoje veliki problemi u primjeni tijela ugljičnih vlakana.

Ako želite promovirati lagano tijelo, možete početi samo smanjiti ulaz procesa i opreme.

Ako automobil postigne masovnu proizvodnju tijela od ugljičnih vlakana, trošak samog materijala od ugljičnog vlakna bit će također uvelike smanjen, cjelokupni učinak industrije bit će prilično velik, a ekonomske koristi će također postati očite. To su samo iz perspektive analize ugljičnih vlakana, ako uzmete u obzir faktor smanjenja tjelesne mase aluminijske legure od 50 kg, prema istom razlogu pozitivnog stogova, ekonomski je učinak očit.

5 Trendovi razvoja vozila

S obzirom na karakteristike kompozita ojačanih ugljenim vlaknima, takve vrste materijala sve više preferiraju proizvođači automobila. Procjenjuje se da u automobilskoj industriji uporaba ugljičnih vlakana raste s prosječnom godišnjom stopom od 34% i dostigla bi 23.000 tona do 2020. godine. Slika 2 prikazuje putokaz za razvoj kompozita za pojačavanje karbonskih vlakana za karoseriju.

Trenutačno, kompoziti ojačanih ugljenim vlaknima uglavnom se primjenjuju na ploče tijela, tijela, i strukturne komponente. Na primjer, BMW je koristio veliki broj kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana u razvoju raznih modela za izradu strukturnih dijelova tijela. To je postalo važan trenutak za primjenu kompozitnih materijala od karbonskih vlakana u proizvodnji automobila. Istodobno, BMW je dodatno surađivao sa SGL-om u Njemačkoj, ulažući 100 milijuna eura u istraživanje i razvoj niske cijene ugljičnih vlakana te povećanje proizvodnje ugljičnih vlakana od 3000 tona godišnje na 9000 tona kako bi se zadovoljile rastuće BMW i serija električnih vozila i drugih. Potražnja za modelima.

Zaključak

U sažetku, kompoziti matricne smole ojačani ugljikom vlaknima (CFRP) postali su važan smjer razvoja novih automobilskih materijala u budućnosti sa svojim jedinstvenim prednostima rada. Međutim, kako bi se promicalo korištenje ovog materijala u području automobila, potrebno je započeti suradnju u istraživanju i razvoju proizvodnje, učenja i istraživanja iz sljedećih aspekata: (1) daljnja potraga za nižim troškovima prekursora ugljičnog vlakna; (2) Razvijati nove postupke proizvodnje ugljičnih vlakana, kao što je stabilizacija prekursorskih materijala. Tehnologija; 3 Optimizirajte parametre procesa proizvodnje ugljikovih vlakana ili koristite nano-ugljik vlakna za daljnje poboljšanje performansi CFRP kompozitnih materijala; 4 Razvijte brzu i učinkovitu tehnologiju kalupljenja i proizvodnih dijelova CFRP dijelova, kao što su tehnologija brze skrućivanja i kompozitna tehnologija kontrole protoka materijala; 5 Koristite računalnu simulacijsku tehnologiju (CAE) za odabir različitih kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana i optimizirate parametre procesa kalupljenja.