CFRP используется для облегчения и экономического анализа новых энергетических пассажирских транспортных средств

Углеродное волокно обычно сочетается с эпоксидной смолой с образованием композитного материала. Этот композитный материал наследует ряд преимуществ, таких как более высокая удельная прочность, удельный модуль, усталостная прочность и ударопрочность самого углеродного волокна. В то же время он наследует эпоксидную смолу. Состав смолы является гибким и универсальным, и его применение является очень целенаправленным. По сравнению с конструкционными элементами из алюминиевого сплава эффект уменьшения массы композитных материалов из углеродного волокна может достигать 20-40%. По сравнению со стальными металлическими компонентами эффект уменьшения массы композитных материалов из углеродного волокна может достигать даже от 60% до 80%. Использование композитных материалов из углеродного волокна Это не только снижает общее качество транспортного средства, но также влияет и в какой-то степени изменяет процесс производства автомобилей.

1 Тип процесса

Углеродистые армированные полимеры (CFRP) относятся к композиту из углеродных волокон в качестве упрочняющей фазы и термопластичного или термореактивного материала. Технология изготовления композитных материалов CFRP в основном включает процессы формирования препрегов и процессов формирования жидкости. Сравнение и анализ типов процессов композиций полимерных матриц с армированным углеродным волокном приведены в таблице 1.

2 Автомобильная сборка и сборка

Объединенная сборка составных автомобильных деталей и соединение между составными частями и металлическими частями являются неизбежной проблемой. Композитный материал является анизотропным, с низкой межслойной прочностью и низкой пластичностью, что делает конструкцию и анализ соединений композиционных материалов намного сложнее, чем металлы. Связь между традиционными металлическими деталями в автомобильной промышленности не подходит для композитных материалов. Поэтому поэтому важно понять и улучшить способ подключения и фиксации автомобильных композиционных материалов и сделать разумный выбор.

Из-за непрерывности волокон, нарушенных отверстиями, возникают локальные концентрации напряжений. Суставы композитных материалов обычно являются самым слабым звеном во всей структуре. Поэтому крайне важно обеспечить прочность соединений в конструктивном исполнении композиционных материалов. Композитные материалы делятся на три основные категории: склеенные соединения, механические соединения и гибридные соединения между ними. Для термопластичных композитов существуют методы сварки. Конструкция технологии соединения композитных материалов должна определяться в соответствии с конкретными условиями использования и требованиями к конструкции компонентов.

2.1 склеенное соединение

По сравнению с механическим соединением основными преимуществами технологии склеивания являются концентрация напряжений, вызванная отсутствием отверстий, пониженным качеством конструкции, усталостной прочностью, хорошими вибрационными и изоляционными свойствами, плавным внешним видом, простым процессом склеивания и отсутствием проблем с электрохимической коррозией. Однако есть некоторые недостатки в технологии склеивания, такие как сложный контроль качества склеивания, относительно большая дисперсность прочности сцепления, отсутствие надежных методов контроля и строгие требования к обработке поверхности и склеиванию склеивающих поверхностей. Для составного тела из углеродного волокна соединение является основным соединением.

2.2 Механическое соединение

Механическое соединение обычно используется заклепками и болтами, является наиболее часто используемым соединением. Основным преимуществом механического соединения является высокая надежность соединения, которое может быть повторно демонтировано и собрано во время технического обслуживания или замены, не требует обработки поверхности и оказывает относительно небольшое влияние на окружающую среду. Основным недостатком механических соединений является увеличение массы, концентрация напряжений и электрохимическая коррозия металлов и композитов. Сравнение заклепочных соединений и соединений болтов показано на рисунке 1.

2.3 Гибридное соединение

В целях повышения безопасности и целостности соединения в некоторых важных местах соединения обычно применяется гибридный метод соединения и механического соединения, и преимущества двух способов соединения полностью используются для обеспечения того, чтобы место соединения имеет достаточную прочность и высокую надежность.

2.4 Сварка

Технология сварки в основном применяется к термопластичным композитным деталям. Основной принцип заключается в том, чтобы нагреть смолу на поверхности расплавленного термопластичного композита, а затем надавить на пресс, чтобы он был интегрирован. Сварка главным образом включает ультразвуковую сварку, электрическую индукционную сварку и сварку сопротивлением. Преимущества сварки - хорошее соединение и короткий цикл, отсутствие обработки поверхности, высокая прочность соединения, низкий уровень напряжения и т. Д .; недостатки трудно разбирать и необходимо добавлять проводящие материалы или металлические провода. Кроме того, во время формования композитного конструкционного элемента металлический соединитель может быть встроен в заготовку волокна, а композитный материал и встроенный элемент металла интегрированы после формования, а составные части могут быть соединены через металлический внедренный элемент чтобы избежать механических повреждений композиционных материалов.

3 Преимущества применения для автомобильной промышленности

При выборе автомобильных материалов необходимо учитывать ряд факторов, таких как механические свойства, малый вес, стабильность материала, способность материала и технологичность. Каждый из этих факторов будет оказывать незначительное влияние на дизайн, производство, продажи и использование автомобилей. В последние годы углеродно-волокнистые армированные полимеры (CFRP) стали новым автомобильным материалом, привлекающим внимание благодаря своим уникальным характеристикам. По сравнению с другими автомобильными материалами композиты из полимерной матрицы, армированные углеродным волокном, имеют следующие преимущества.

3.1 Отличные механические свойства

Плотность композитов на основе смолы на основе углеродного волокна (CFRP) для транспортных средств составляет от 1,5 до 2 г / см3, что составляет от 1/4 до 1/5 общей углеродистой стали и примерно на 1/3 легче алюминиевого сплава, но углерод волокнистый композиционный материал. Полные механические свойства, очевидно, лучше, чем металлические материалы, а его прочность на растяжение в 3-4 раза больше, чем у стали. Усталостная прочность стали и алюминия составляет от 30% до 50% от предела прочности при растяжении, а CFRP может достигать 70-80%. В то же время, CFRP также обладает лучшими характеристиками демпфирования вибрации, чем легкие металлы, например, для легких сплавов требуется 9s для остановки вибрации. Композитный материал из углеродного волокна 2s может быть остановлен и имеет более высокую удельную прочность и удельный модуль.

3.2 Проектируемый

Конструкция композитного материала из углеродного волокна является сильной, и матричный материал может быть разумно выбран в соответствии с требованиями к характеристикам, может быть спроектировано расположение волокон, а также структура композитного материала, а конструкция изделия может быть выполнена гибко. Например, путем размещения углеродных волокон в направлении силы, можно полностью использовать анизотропию прочности композитного материала, тем самым достигая цели экономии материала и снижения качества. Для изделий, требующих коррозионной стойкости, во время проектирования может использоваться базовый материал с хорошей коррозионной стойкостью.

3.3 может обеспечить интегрированное производство

Модуляция и интеграция также являются тенденциями в автомобильной структуре. Когда композитный материал сформирован, легко сформировать изогнутую поверхность различной формы для достижения комплексного производства автомобильных деталей и компонентов. Интегрированное формование может не только уменьшить количество деталей и форм, уменьшить количество компонентов и других процессов, но и значительно сократить производственный цикл. Например, если передний модуль автомобиля изготовлен из композитного материала из углеродного волокна, он может быть выполнен за одно целое и интегрирован, чтобы избежать локализованной концентрации напряжений, вызванной последующей сваркой и последующей обработкой металлических деталей, одновременно снижая точность продукта и улучшая производительность уменьшая автозапчасти. Качество, снижение производственных затрат.

3.4. Энергопоглощение и сопротивление ударам

Композиты матричной смолы с углеродным волокном (CFRP) имеют определенную степень вязкоупругости, и существует небольшое локальное относительное движение между углеродным волокном и матрицей, которое может генерировать межфазное трение. При синергетическом эффекте вязкоупругости и межфазного трения части CFRP обладают лучшей поглощающей способностью и ударопрочностью. С другой стороны, специально поглощенный композит из углеродного волокна падает на мелкие фрагменты в высокоскоростных столкновениях, поглощает большое количество энергии удара, а его поглощающая способность энергии в 4-5 раз выше, чем у металлических материалов, что может эффективно улучшить транспортные средства. Безопасность, защищайте безопасность членов.

3.5 Хорошая коррозионная стойкость

Композиты полимерных матриц, армированных углеродным волокном, в основном состоят из углеродного волокна и смоляных материалов, обладают отличными свойствами для защиты от кислот и щелочей. Автозапчасти из них не нуждаются в поверхностной антисептической обработке, а их устойчивость к погодным условиям и устойчивость к старению хороши. Их срок службы хорош. В 2 - 3 раза больше, чем у стали.

3.6 высокая температура

Производительность углеродного волокна при температурах ниже 400 ° C остается очень стабильной, и при 1000 ° C существенных изменений нет.

3.7 Хорошая устойчивость к усталости

Усиленные углеродным волокном материалы оказывают ингибирующее действие на распространение усталостной трещины из-за волокна, а его усталостная стойкость может достигать 70% -80%. Структура углеродного волокна стабильна. После того, как усталостная долговечность композитного материала составляет миллионы циклов, его коэффициент удерживания прочности Есть еще 60%, тогда как сталь и алюминий составляют 40% и 30% соответственно, а стекловолокно - только от 20% до 25%. Поэтому усталостная стойкость композитов из углеродного волокна подходит для широкого спектра применений в автомобильной промышленности.

4 Экономический анализ для автомобилей с новой энергетикой

Из-за использования углеродного волокна организм может быть уменьшен более чем на 50%. В качестве примера, учитывая потерю веса в 100 кг на типичном автомобиле класса А, значение легкого веса транспортного средства очень очевидно. Это можно объяснить из следующих аспектов: 1 Для одной станции Для легкового автомобиля с 300 км и зарядной мощностью 45 кВт · ч один и тот же диапазон движения может быть уменьшен на 3,6 кВт · ч, рассчитанный отраслевым экспертом, «100 кг на 100 кг, плюс 8% увеличение дальности движения». Стоимость экономии батареи составляет около 0,6 млн. Юаней; 2 Средний жизненный цикл вождения 400 000 километров и стоимость электроэнергии рассчитываются в соответствии с 0,9 юаня / кВт · ч. Стоимость электроэнергии всего транспортного средства может сэкономить 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 миллиона. 100км экономит 1,2 кВт · ч электроэнергии). 3В случае применения материалов из углеродного волокна, например, при использовании производственной шкалы в 50 000 автомобилей, сэкономленные инвестиции в процесс и инвестиции в оборудование преобразуются в экономичный эквивалент электромобилей, и каждое транспортное средство Амортизация сэкономила около 2000 юаней; 4, потому что процесс упорядочен, расходы на персонал, по крайней мере, экономят 1000 юаней / Тайвань.

Вышеуказанные пункты сводятся к средней экономии 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 млн. Юаней за автомобиль, но этих затрат недостаточно, чтобы компенсировать увеличение стоимости самого материала из-за внедрения углеродного волокна. Можно видеть, что по-прежнему существуют серьезные проблемы при применении тел углеродных волокон. Если вы хотите продвигать легкий корпус, вы можете начать только с уменьшения ввода процесса и оборудования. Вышеуказанные пункты сводятся к средней экономии 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 млн. Юаней за автомобиль, но этих затрат недостаточно, чтобы компенсировать увеличение стоимости самого материала из-за внедрения углеродного волокна. Можно видеть, что по-прежнему существуют серьезные проблемы при применении тел углеродных волокон.

Если вы хотите продвигать легкий корпус, вы можете начать только с уменьшения ввода процесса и оборудования.

Если автомобиль достигнет массового производства изделий из углеродного волокна, стоимость самого материала из углеродного волокна также будет значительно снижена, весь отраслевой эффект будет довольно большим, и экономические выгоды также станут более очевидными. Это только с точки зрения анализа углеродного волокна, если вы считаете, что коэффициент снижения веса тела алюминиевого сплава составляет 50 кг, по той же причине положительный стек, экономический эффект является самоочевидным.

5 Тенденции развития кузова транспортного средства

Учитывая характеристики композитов, армированных углеродным волокном, этот тип материала пользуется все большим преимуществом у автомобильных производителей. По оценкам, в автомобильном секторе использование углеродного волокна растет в среднем на 34% в год и достигнет 23 000 тонн к 2020 году. На рисунке 2 показана дорожная карта для разработки композитов с углеродным волокном для кузовов.

В настоящее время композиты, армированные углеродным волокном, в основном применяются к панелям кузова, обрезкам кузова и конструкционным элементам. Например, BMW использовал большое количество композитных материалов из углеродного волокна при разработке различных моделей для изготовления деталей кузова. Это стало важным моментом для применения композиционных материалов из углеродного волокна в автомобилестроении. В то же время BMW еще больше сотрудничает с SGL в Германии, инвестируя 100 миллионов евро в исследования и разработку недорогого углеродного волокна и увеличивая производство углеродных волокон с 3000 тонн в год до 9000 тонн для удовлетворения растущих потребностей BMW i -серии электромобилей и других. Спрос на модели.

6. Заключение

Таким образом, композиты матричной смолы с углеродным волокном (CFRP) стали важным направлением развития новых автомобильных материалов в будущем с его уникальными преимуществами производительности. Однако для содействия использованию этого материала в автомобильной отрасли необходимо начать совместные исследования и разработки в области производства, обучения и исследований по следующим аспектам: (1) дальнейший поиск более дешевых предшественников углеродных волокон; (2) Разработка новых процессов производства углеродного волокна, таких как стабилизация материалов-прекурсоров. Технологии; 3 Оптимизировать параметры процесса производства углеродного волокна или использовать нано-углеродное волокно для дальнейшего улучшения характеристик композитных материалов CFRP; 4 Разработать быстрые и эффективные технологии формования и изготовления деталей из углепластика, такие как технология быстрого формования затвердевания и технология управления потоком композитного материала; 5 Используйте технологию компьютерного моделирования (CAE) для выбора различных композиционных материалов из углеродного волокна и оптимизации параметров процесса формования.