CFRP stosowany do lekkiej i ekonomicznej analizy nowych pojazdów pasażerskich o wysokiej energii

Włókno węglowe jest zwykle łączone z żywicą epoksydową w celu utworzenia materiału kompozytowego. Ten materiał kompozytowy dziedziczy szereg korzyści, takich jak wyższa wytrzymałość właściwa, specyficzny moduł, wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na wstrząsy samego włókna węglowego. W tym samym czasie dziedziczy on żywicę epoksydową. Formuła żywicy jest elastyczna i uniwersalna, a jej zastosowanie jest wysoce ukierunkowane. W porównaniu z elementami konstrukcyjnymi ze stopu aluminium, efekt redukcji masy materiału kompozytowego z włókna węglowego może osiągnąć 20% do 40%. W porównaniu ze stalowymi komponentami metalowymi, efekt redukcji masy materiału kompozytowego z włókna węglowego może sięgać nawet 60% do 80%. Zastosowanie materiałów kompozytowych z włókna węglowego Nie tylko obniża ogólną jakość pojazdu, ale także wpływa w pewnym stopniu na proces produkcji samochodu i zmienia go.

1 Rodzaj procesu

Polimery wzmocnione włóknami węglowymi (CFRP) odnoszą się do kompozytu włókien węglowych jako fazy wzmacniającej i termoplastycznego lub termoutwardzalnego materiału żywicznego. Technologia wytwarzania kompozytowych materiałów CFRP obejmuje głównie procesy formowania prepreg i formowania cieczy. Porównanie i analiza typów kompozytów z matrycą polimerową wzmocnioną włóknami węglowymi przedstawiono w tabeli 1.

2 Automotive Assembly and Assembly Technology

Połączony montaż kompozytowych części samochodowych i połączenie między częściami kompozytowymi i częściami metalowymi jest nieuniknionym problemem. Materiał kompozytowy jest anizotropowy, ma niską wytrzymałość między warstwami i niską ciągliwość, co sprawia, że projektowanie i analiza połączeń materiałów kompozytowych jest o wiele bardziej skomplikowana niż metale. Połączenie tradycyjnych części metalowych w przemyśle motoryzacyjnym nie jest odpowiednie dla materiałów kompozytowych. Dlatego ważne jest zrozumienie i poprawa sposobu, w jaki samochodowe materiały kompozytowe są połączone i naprawione, oraz dokonywanie racjonalnych wyborów.

Z powodu ciągłości włókien przebijanych przez otwory powstają miejscowe koncentracje naprężeń. Połączenia materiałów kompozytowych są zwykle najsłabszym ogniwem w całej strukturze. Dlatego ważne jest, aby zapewnić wytrzymałość połączeń w projekcie strukturalnym materiałów kompozytowych. Materiały kompozytowe są podzielone na trzy główne kategorie, a mianowicie połączenia klejone, połączenia mechaniczne i połączenia hybrydowe między nimi. W przypadku kompozytów termoplastycznych istnieją techniki spawania. Projektowanie technologii łączenia materiału kompozytowego musi być określone zgodnie ze specyficznymi warunkami użytkowania i wymaganiami projektowymi komponentów.

2.1 połączenie klejone

W porównaniu z połączeniem mechanicznym, główne zalety technologii łączenia to koncentracja naprężeń spowodowana brakiem otworów, obniżona jakość strukturalna, odporność na zmęczenie, dobre wibracje i właściwości izolacyjne, gładki wygląd, prosty proces łączenia i brak elektrochemicznych problemów związanych z korozją. Istnieją jednak pewne niedociągnięcia w technologii łączenia, takie jak trudna kontrola jakości wiązania, stosunkowo duża zdolność do dyspergowania siły wiązania, brak wiarygodnych metod inspekcji i surowe wymagania dotyczące obróbki powierzchni i łączenia powierzchni wiążących. W przypadku korpusu kompozytowego z włókna węglowego najważniejszym połączeniem jest klejenie.

2.2 Połączenie mechaniczne

Połączenia mechaniczne są zwykle używane nity i śruby, jest najczęściej stosowanym połączeniem. Główną zaletą połączenia mechanicznego jest wysoka niezawodność połączenia, które może być wielokrotnie demontowane i montowane podczas konserwacji lub wymiany, nie wymaga obróbki powierzchniowej i ma stosunkowo niewielki wpływ na środowisko. Główną wadą połączeń mechanicznych jest wzrost masy, koncentracja naprężeń oraz elektrochemiczna korozja metali i kompozytów. Porównanie połączeń nitów i połączeń śrubowych pokazano na rysunku 1.

2.3 Połączenie hybrydowe

Aby poprawić bezpieczeństwo i integralność połączenia, w niektórych ważnych miejscach połączeń stosuje się zazwyczaj połączenie hybrydowe i połączenie mechaniczne, a zalety tych dwóch metod połączeń są w pełni wykorzystywane w celu zapewnienia, że strona połączenia ma wystarczającą wytrzymałość i wysoką niezawodność.

2.4 Spawanie

Technologia spawania jest głównie stosowana do termoplastycznych elementów kompozytowych. Podstawową zasadą jest podgrzanie żywicy na powierzchni stopionego kompozytu termoplastycznego, a następnie dociśnięcie prasy w celu jej zintegrowania. Spawanie obejmuje głównie spawanie ultradźwiękowe, spawanie elektryczne indukcyjne i zgrzewanie oporowe. Zalety spawania to dobre połączenie i krótki cykl, bez obróbki powierzchniowej, wysoka wytrzymałość połączenia, niskie naprężenia itp .; niedoskonałości są trudne do rozłożenia i wymagają dodania materiałów przewodzących lub drutów metalowych. Ponadto, podczas formowania kompozytowego członu konstrukcyjnego, metalowy łącznik może być osadzony w preformie włóknistej, a materiał kompozytowy i element osadzony w metalu są zintegrowane po formowaniu, a części kompozytowe mogą być połączone za pośrednictwem osadzonego elementu metalowego. aby uniknąć tworzenia obrażeń.

3 Zalety zastosowania w motoryzacji

Podczas doboru materiałów samochodowych należy wziąć pod uwagę szereg czynników, takich jak właściwości mechaniczne, niewielka waga, stabilność materiału, możliwość oznaczania materiału i przetwarzalność. Każdy z tych czynników będzie miał nieistotny wpływ na projektowanie, produkcję, sprzedaż i używanie samochodów. W ostatnich latach polimery wzmocnione włóknami węglowymi (CFRP) stały się nowym materiałem motoryzacyjnym, który przyciąga uwagę dzięki wyjątkowej charakterystyce działania. W porównaniu z innymi materiałami samochodowymi, kompozyty z polimerowej matrycy wzmocnionej włóknem węglowym mają następujące zalety.

3.1 Doskonałe właściwości mechaniczne

Gęstość kompozytów z żywicy wzmacnianej włóknami węglowymi (CFRP) dla pojazdów wynosi od 1,5 do 2 g / cm3, co stanowi tylko 1/4 do 1/5 zwykłej stali węglowej i jest o około 1/3 lżejsza niż stopu aluminium, ale węgiel włókno kompozytowe Ogólne właściwości mechaniczne są oczywiście lepsze niż materiałów metalowych, a ich wytrzymałość na rozciąganie jest 3 do 4 razy większa niż stali. Wytrzymałość zmęczeniowa stali i aluminium wynosi od 30% do 50% wytrzymałości na rozciąganie, a CFRP może osiągnąć 70% do 80%. W tym samym czasie, CFRP ma również lepsze właściwości tłumienia drgań niż metale lekkie, takie jak stop lekki wymaga 9s, aby zatrzymać wibracje. Materiał kompozytowy z włókna węglowego 2s może być zatrzymany i ma wyższą wytrzymałość właściwą i moduł właściwy.

3.2 Planowane

Konstrukcja z materiału kompozytowego z włókna węglowego jest silna, a materiał matrycowy można rozsądnie wybrać zgodnie z wymaganiami dotyczącymi działania, można zaprojektować układ włókien i strukturę materiału kompozytowego, a projekt wyrobu można przeprowadzić elastycznie. Na przykład, układając włókna węglowe w kierunku siły, można w pełni wywierać anizotropię wytrzymałości materiału kompozytowego, osiągając w ten sposób cel oszczędności materiału i obniżenia jakości. W przypadku produktów wymagających odporności na korozję podczas projektowania można zastosować materiał podstawowy o dobrej odporności na korozję.

3.3 może osiągnąć zintegrowaną produkcję

Modularyzacja i integracja to także trendy w strukturze motoryzacyjnej. Po uformowaniu materiału kompozytowego łatwo jest utworzyć zakrzywioną powierzchnię o różnych kształtach, aby uzyskać zintegrowaną produkcję części i komponentów samochodowych. Zintegrowane formowanie może nie tylko zmniejszyć liczbę części i form, zmniejszyć liczbę komponentów i innych procesów, ale także znacznie skrócić cykl produkcyjny. Na przykład, jeśli moduł czołowy samochodu jest wykonany z kompozytu z włókna węglowego, może on być integralnie uformowany i zintegrowany, aby uniknąć miejscowej koncentracji naprężeń spowodowanej późniejszym spawaniem i późniejszą obróbką części metalowych, jednocześnie zmniejszając dokładność produktu i poprawiając wydajność jednocześnie redukując części samochodowe. Jakość, obniżenie kosztów produkcji.

3.4 Absorpcja energii i odporność na uderzenia

Kompozyty z żywicy wzmacnianej włóknami węglowymi (CFRP) mają pewien stopień lepkosprężystości i występuje niewielki lokalny ruch względny między włóknem węglowym a matrycą, który może generować tarcie międzyfazowe. Pod synergicznym efektem lepkosprężystości i tarcia międzyfazowego części CFRP mają lepszą absorpcję energii i odporność na uderzenia. Z drugiej strony, specjalnie zaabsorbowany kompozyt z włókna węglowego rozbija się na małe fragmenty w szybkich zderzeniach, pochłania dużą ilość energii uderzenia, a jego zdolność pochłaniania energii jest 4 do 5 razy większa niż w przypadku materiałów metalowych, które mogą skutecznie ulepszaj pojazdy. Bezpieczeństwo, ochrona bezpieczeństwa członków.

3.5 Dobra odporność na korozję

Kompozyty matryc polimerowych wzmocnionych włóknami węglowymi składają się głównie z włókien holowniczych i materiałów żywicznych z włókna węglowego i mają doskonałe właściwości odporności na kwasy i zasady. Części samochodowe z nich wykonane nie wymagają żadnej powierzchniowej obróbki antyseptycznej, a ich odporność na warunki atmosferyczne i odporność na starzenie są dobre. Ich żywotność jest dobra. 2 do 3 razy więcej niż stal.

3.6 wysoka temperatura

Wydajność włókna węglowego w temperaturach poniżej 400 ° C pozostaje bardzo stabilna i nie ma znaczących zmian w 1 000 ° C.

3.7 Dobra odporność na zmęczenie

Materiały wzmocnione włóknami węglowymi mają hamujący wpływ na propagację pęknięć zmęczeniowych z powodu włókna, a ich wytrzymałość zmęczeniowa może osiągnąć 70% do 80%. Struktura włókna węglowego jest stabilna. Po tym, jak wytrzymałość zmęczeniowa materiału kompozytowego wynosi miliony cykli, jego współczynnik zatrzymywania wytrzymałości nadal wynosi 60%, podczas gdy stal i aluminium wynoszą odpowiednio 40% i 30%, a włókno szklane tylko 20% do 25%. Dlatego odporność na zmęczenie kompozytów z włókien węglowych jest odpowiednia dla szerokiego zakresu zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym.

4 Analiza ekonomiczna dla nowych pojazdów pasażerskich

Z powodu użycia włókna węglowego ciało może zostać zredukowane o ponad 50%. Biorąc na przykład utratę wagi 100 kg na typowym pojeździe klasy A, znaczenie lekkości pojazdu jest bardzo oczywiste. Można to wyjaśnić na podstawie następujących aspektów: 1 Dla jednej stacji Dla samochodu osobowego o długości 300 km i mocy ładowania 45 kW · h, ten sam zakres jazdy może zostać zmniejszony o 3,6 kW · h, jak oblicza ekspert w branży, "100 kg na 100 kg plus 8% wzrostu zasięgu jazdy." Koszt oszczędzania baterii to około 0,6 miliona juanów; 2 Średni cykl życia wynoszący 400 000 kilometrów i koszt energii elektrycznej są obliczane zgodnie z 0,9 juana / kW · h. Koszt energii elektrycznej całego pojazdu może zaoszczędzić 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 mln. 100 km oszczędza 1,2 kW · h energii elektrycznej.) 3 Z powodu zastosowania materiałów z włókna węglowego, biorąc na przykład skalę produkcji 50 000 pojazdów, zaoszczędzone inwestycje procesowe i inwestycje w sprzęt są zamieniane na ekonomiczny odpowiednik pojazdów elektrycznych, a każdy pojazd jest Amortyzacja zaoszczędzona około 2000 juanów; 4, ponieważ proces jest usprawniony, koszty personelu przynajmniej zaoszczędzić 1000 juanów / Tajwanu.

Powyższe elementy sumują się do średniej oszczędności 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milionów juanów na pojazd, ale koszty te nie są wystarczające, aby zrównoważyć wzrost kosztu samego materiału w związku z wprowadzeniem włókna węglowego. Można zauważyć, że nadal istnieją poważne problemy z zastosowaniem korpusów z włókien węglowych. Jeśli chcesz promować lekki korpus, możesz zacząć od ograniczenia wkładu procesu i sprzętu. Powyższe elementy sumują się do średniej oszczędności 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milionów juanów na pojazd, ale koszty te nie są wystarczające, aby zrównoważyć wzrost kosztu samego materiału w związku z wprowadzeniem włókna węglowego. Można zauważyć, że nadal istnieją poważne problemy z zastosowaniem korpusów z włókien węglowych.

Jeśli chcesz promować lekki korpus, możesz zacząć od ograniczenia wkładu procesu i sprzętu.

Jeśli samochód osiągnie masową produkcję korpusów z włókna węglowego, koszt samego materiału z włókna węglowego również zostanie znacznie zmniejszony, cały efekt branży będzie dość duży, a korzyści ekonomiczne staną się bardziej oczywiste. Są to tylko z punktu widzenia analizy włókna węglowego, jeśli wziąć pod uwagę współczynnik masy ciała samochodu ze stopu aluminium o wadze 50 kg, z tego samego powodu pozytywny stos, efekt ekonomiczny jest oczywisty.

5 trendów rozwojowych dla nadwozia pojazdu

Biorąc pod uwagę cechy kompozytów wzmocnionych włóknami węglowymi, tego rodzaju materiał jest coraz częściej wybierany przez producentów samochodów. Szacuje się, że w sektorze motoryzacyjnym zużycie włókna węglowego wzrasta średnio w średnim tempie 34% i osiągnie 23 000 ton do roku 2020. Na rysunku 2 przedstawiono plan rozwoju kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi w zakresie karoserii.

Obecnie kompozyty wzmocnione włóknami węglowymi są głównie nakładane na panele nadwozia, elementy nadwozia i elementy konstrukcyjne. Na przykład BMW wykorzystało dużą liczbę materiałów kompozytowych z włókna węglowego w opracowywaniu różnych modeli do produkcji części konstrukcyjnych nadwozia. Stało się to ważnym momentem dla zastosowania materiałów kompozytowych z włókna węglowego w produkcji samochodów. W tym samym czasie BMW współpracuje z SGL w Niemczech, inwestując 100 milionów euro w badania i rozwój tanich włókien węglowych i zwiększając produkcję włókna węglowego z 3000 ton rocznie do 9000 ton, aby sprostać rosnącemu BMW i - oferuje pojazdy elektryczne i inne. Popyt na modele.

6 Wniosek

Podsumowując, kompozyty matrycowe z żywicy wzmacnianej włóknami węglowymi (CFRP) stały się ważnym kierunkiem rozwoju nowych materiałów samochodowych w przyszłości, dzięki wyjątkowym zaletom w zakresie wydajności. Jednak w celu promowania wykorzystania tego materiału w branży motoryzacyjnej, konieczne jest rozpoczęcie współpracy badawczej i rozwoju produkcji, nauki i badań z następujących aspektów: (1) Dalsze poszukiwanie tańszych prekursorów włókna węglowego; (2) Opracowanie nowych procesów produkcji włókien węglowych, takich jak stabilizacja materiałów prekursorowych. Technologia; 3 Zoptymalizuj parametry procesu produkcji włókna węglowego lub użyj włókna nano-węglowego, aby jeszcze bardziej poprawić wydajność materiałów kompozytowych CFRP; 4 Opracowanie szybkich i skutecznych technologii formowania i produkcji elementów CFRP, takich jak technologia szybkiego formowania zestalania i technologia kontroli przepływu materiału kompozytowego; 5 Użyj komputerowej technologii analizy symulacji (CAE), aby wybrać różne materiały kompozytowe z włókna węglowego i zoptymalizować parametry procesu formowania.