CFRP slúži na ľahkú a ekonomickú analýzu nových osobných vozidiel

Uhlíkové vlákno sa vo všeobecnosti kombinuje s epoxidovou živicou na vytvorenie kompozitného materiálu. Tento kompozitný materiál zdedí rad výhod, ako je vyššia špecifická pevnosť, špecifický modul, odolnosť proti únavám a odolnosť samotného uhlíkového vlákna pred nárazmi. Zároveň zdedí epoxid. Živicová formulácia je flexibilná a všestranná a jej aplikácia je vysoko cielená. V porovnaní s konštrukčnými prvkami z hliníkovej zliatiny môže účinok znižovania hmotnosti kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien dosiahnuť 20% až 40%. V porovnaní s oceľovými kovovými komponentmi môže účinok znižovania hmotnosti kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien dokonca dosiahnuť 60% až 80%. Použitie kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien To nielen znižuje celkovú kvalitu vozidla, ale do určitej miery ovplyvňuje a mení výrobný proces automobilov.

1 Typ procesu

Zosilnené polyméry s uhlíkovými vláknami (CFRP) označujú kompozit uhlíkových vlákien ako vystužujúcu fázu a termoplastický alebo teplom tvrditeľný živicový materiál. Výrobná technológia kompozitných materiálov CFRP zahŕňa najmä procesy predbežného tvarovania a tekutého tvárnenia. Porovnanie a analýza typov procesov kompozitov z polymérnych matric zosilnených uhlíkovými vláknami sú uvedené v tabuľke 1.

2 Automobilové montážne a montážne technológie

Kombinovaná montáž kompozitných automobilových dielov a spojenie medzi kompozitnými časťami a kovovými časťami je nevyhnutným problémom. Kompozitný materiál je anizotropný, s nízkou medzilinárnou silou a nízkou ťažnosťou, čo robí dizajn a analýzu spojov kompozitných materiálov omnoho zložitejšími ako kovy. Spojenie medzi tradičnými kovovými časťami v automobilovom priemysle nie je vhodné pre kompozitné materiály. Preto je dôležité spájať a zlepšovať spôsob, akým sú spojené a fixované automobilové kompozitné materiály, a robiť rozumné rozhodnutia.

Vzhľadom na kontinuitu vlákien porušených otvormi sú vyvolané lokálne namáhania. Spoje z kompozitných materiálov sú zvyčajne najslabším článkom v celej štruktúre. Preto je dôležité zabezpečiť pevnosť spojov v konštrukčnom riešení kompozitných materiálov. Kompozitné materiály sú rozdelené do troch hlavných kategórií, menovite lepených spojov, mechanických spojov a hybridných spojení medzi týmito dvoma. Pre termoplastické kompozity existujú techniky zvárania. Návrh technológie pripojenia kompozitných materiálov sa musí určiť podľa špecifických podmienok použitia a konštrukčných požiadaviek komponentov.

2.1 lepené spojenie

V porovnaní s mechanickým pripojením sú hlavnými výhodami spojovacej technológie koncentrácia napätia spôsobená žiadnymi otvormi, zníženou konštrukčnou kvalitou, odolnosťou proti únavám, dobrými vibráciami a izolačnými vlastnosťami, hladkým vzhľadom, jednoduchým spojovacím procesom a žiadnymi elektrochemickými problémami s koróziou. Existujú však určité nedostatky v spojovacej technológii, ako je zložitá kontrola kvality lepenia, pomerne veľká dispergovateľnosť spojivovej pevnosti, nedostatok spoľahlivých metód kontroly a prísne požiadavky na povrchovú úpravu a lepenie spojovacích plôch. V prípade kompozitného karbónu z uhlíkových vlákien je lepenie hlavným spojením.

2.2 Mechanické pripojenie

Mechanické pripojenie je všeobecne používané nity a skrutky, je najčastejšie používané spojenie. Hlavnou výhodou mechanického pripojenia je vysoká spoľahlivosť spojenia, ktorú je možné opakovane demontovať a namontovať počas údržby alebo výmeny, nevyžaduje povrchovú úpravu a má relatívne malý vplyv na životné prostredie. Hlavnou nevýhodou mechanických spojov je nárast hmotnosti, koncentrácia napätia a elektrochemická korózia kovov a kompozitov. Porovnanie spojov nitov a spojov skrutiek je znázornené na obrázku 1.

2.3 Hybridné pripojenie

S cieľom zlepšiť bezpečnosť a integritu spojenia sa v niektorých dôležitých miestach pripojenia zvyčajne prijíma hybridná metóda spojenia a mechanické spojenie a výhody obidvoch spôsobov pripojenia sa plne využívajú na zabezpečenie toho, miesto pripojenia má dostatočnú pevnosť a vysokú spoľahlivosť.

2.4 Zváranie

Zváracia technika sa používa hlavne pre termoplastické kompozitné časti. Základným princípom je ohrievanie živice na povrchu roztaveného termoplastického kompozitu a potom lisovanie lisu, aby sa integroval. Zváranie zahŕňa najmä ultrazvukové zváranie, elektrické indukčné zváranie a odporové zváranie. Výhody zvárania sú dobré spojenie a krátky cyklus, bez povrchovej úpravy, vysoká pevnosť spojenia, nízke namáhanie atď .; nedostatky sa ťažko rozoberajú a je potrebné pridať vodivé materiály alebo kovové drôty. Okrem toho počas tvarovania kompozitného konštrukčného člena môže byť kovový konektor vložený do predlisku vlákien a kompozitný materiál a kovový vložený člen sú integrované po tvarovaní a kompozitné časti môžu byť spojené cez vložený kov aby sa zabránilo poškodeniu kompozitov.

3 Výhody aplikácie pre automobilový priemysel

Existuje niekoľko faktorov, ktoré je potrebné zvážiť pri výbere automobilových materiálov, ako sú mechanické vlastnosti, nízka hmotnosť, stabilita materiálu, určiteľnosť materiálu a spracovateľnosť. Každý z týchto faktorov bude mať nezanedbateľný vplyv na dizajn, výrobu, predaj a používanie automobilov. V posledných rokoch sa karbónové vláknové spevnené polyméry (CFRP) stali novým automobilovým materiálom, ktorý priťahuje pozornosť vďaka svojim jedinečným výkonovým vlastnostiam. V porovnaní s inými automobilovými materiálmi majú kompozity z polymérnej matrice vystužené uhlíkovými vláknami nasledujúce výhody.

3.1 Vynikajúce mechanické vlastnosti

Hustota kompozitov živicových matric zosilnených uhlíkovými vláknami (CFRP) pre vozidlá je 1,5 až 2 g / cm3, čo je len 1/4 až 1/5 bežnej uhlíkovej ocele a je asi o 1/3 ľahšie ako hliníková zliatina, ale uhlík vláknový kompozitný materiál Komplexné mechanické vlastnosti sú zrejme lepšie ako kovové materiály a jeho pevnosť v ťahu je 3 až 4 krát vyššia ako u ocele. Únosnosť ocele a hliníka je 30% až 50% pevnosti v ťahu a CFRP môže dosiahnuť 70% až 80%. Súčasne má CFRP aj lepšie charakteristiky tlmenia vibrácií ako ľahké kovy, ako je napríklad ľahká zliatina, ktorá potrebuje 9 s cieľom zastaviť vibrácie. Kompozitný materiál z uhlíkových vlákien 2s môže byť zastavený a má vyššiu špecifickú pevnosť a špecifický modul.

3.2 Určené

Konštrukcia kompozitného materiálu z uhlíkových vlákien je silná a matricový materiál sa dá primerane vybrať podľa výkonnostných požiadaviek, usporiadanie vlákien môže byť navrhnuté a štruktúra kompozitného materiálu a dizajn výrobku môže byť vykonávaný pružne. Napríklad usporiadaním uhlíkových vlákien v smere sily môže byť úplne vynaložená anizotropia sily kompozitného materiálu, čím sa dosiahne účel úspor materiálu a zníženie kvality. Pri výrobkoch, ktoré vyžadujú odolnosť proti korózii, sa počas návrhu môže použiť základný materiál s dobrou odolnosťou proti korózii.

3.3 môže dosiahnuť integrovanú výrobu

Modulácia a integrácia sú tiež trendy v automobilovej štruktúre. Pri vytváraní kompozitného materiálu je ľahké vytvoriť zakrivený povrch rôznych tvarov, aby sa dosiahla integrovaná výroba automobilových dielov a komponentov. Integrované lisovanie môže nielen znížiť počet častí a foriem, znížiť počet komponentov a iných procesov, ale tiež značne skrátiť výrobný cyklus. Napríklad, ak je predný modul automobilu vyrobený z kompozitného materiálu z uhlíkových vlákien, môže byť integrálne vytvorený a integrovaný, aby sa zabránilo lokálnej koncentrácii napätia spôsobenej následným zváraním a následným spracovaním kovových častí, zatiaľ čo sa znižuje presnosť výrobku a zlepšuje sa výkon pri súčasnom znížení počtu automobilových dielov. Kvalita, zníženie výrobných nákladov.

3.4 Absorpcia energie a odolnosť proti nárazu

Kompozitné živicové matrice zosilnené uhlíkovými vláknami (CFRP) majú určitý stupeň viskoelasticity a medzi uhlíkovým vláknom a matricou existuje mierny lokálny relatívny pohyb, ktorý môže vytvárať medzifázové trenie. Pri synergetickom vplyve viskoelasticity a trecieho povrchu majú časti CFRP lepšiu absorpciu energie a odolnosť proti nárazu. Na druhej strane špeciálne absorbovaný kompozit z uhlíkových vlákien narazí na malé fragmenty pri vysokých zrýchleniach, absorbuje veľké množstvo nárazovej energie a kapacita absorpcie energie je 4 až 5 krát vyššia ako kapacita absorpčného materiálu kovových materiálov, čo môže účinne zlepšiť vozidlá. Bezpečnosť, chrániť bezpečnosť členov.

3.5 Dobrá odolnosť proti korózii

Kompozity z polymérnej matrice spevnené uhlíkovými vláknami pozostávajú hlavne z vlečiek z uhlíkových vlákien a živičných materiálov a majú vynikajúce odolnosti voči kyselinám a zásadám. Automatické časti z nich nevyžadujú povrchovú antiseptickú úpravu a ich odolnosť voči poveternostným vplyvom a starnutiu sú dobré. Ich životnosť je dobrá. 2 až 3 krát väčšia ako oceľ.

3.6 výkon pri vysokej teplote

Výkon uhlíkových vlákien pri teplotách pod 400 ° C zostáva veľmi stabilný a nedochádza k žiadnej významnej zmene pri 1000 ° C.

3.7 Dobrá odolnosť voči únavu

Materiály vystužené uhlíkovými vláknami majú inhibičný účinok na šírenie únavových trhlín vďaka vláknu a jeho odolnosť voči únavám môže dosiahnuť 70% až 80%. Štruktúra uhlíkových vlákien je stabilná. Po únavovej životnosti kompozitného materiálu sú milióny cyklov, jeho miera zadržania sily je stále 60%, zatiaľ čo oceľ a hliník sú 40% a 30% a sklolaminát je len 20% až 25%. Preto odolnosť kompozitov z uhlíkových vlákien na únavu je vhodná pre širokú škálu aplikácií v automobilovom priemysle.

4 Ekonomická analýza nových vozidiel pre osobné vozidlá

Vďaka použitiu uhlíkových vlákien môže byť telo znížené o viac ako 50%. Vzhľadom na stratu hmotnosti 100 kg na typickom vozidle triedy A ako príklad je dôležitosť ľahkého vyváženia vozidla veľmi zrejmé. Možno vysvetliť z nasledujúcich aspektov: 1 Pre jednu stanicu Pre osobný automobil s 300 km a nabíjací výkon 45 kW · h sa môže rovnaký rozsah jazdy znížiť o 3,6 kW · h, "100 kg na 100 kg plus 8% zvýšenie jazdného dosahu." Úspora nákladov na batériu je približne 0,6 milióna juanov; 2 Priemerný životný cyklus riadenia 400 000 kilometrov a náklady na elektrinu sú vypočítané podľa 0,9 juan / kW · h. Náklady na elektrickú energiu celého vozidla môžu ušetriť 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 milióna. 100 kilometrov šetrí elektrinu s výkonom 1,2 kWh.) 3 Vzhľadom na to, že používanie materiálov z uhlíkových vlákien, ako napríklad príklad výroby 50 000 vozidiel, sa úspora investičných prostriedkov a investícií do zariadení mení na ekonomický ekvivalent elektrických vozidiel a každé vozidlo je Amortizácia ušetrila asi 2000 juanov; 4, pretože proces je zjednodušený, personálne náklady aspoň ušetriť 1000 juanov / Taiwan.

Vyššie uvedené položky dosahujú priemerné úspory vo výške 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miliónov juanov na vozidlo, avšak tieto náklady nepostačujú na kompenzáciu nárastu nákladov na samotný materiál vďaka zavedeniu uhlíkových vlákien. Je zrejmé, že pri aplikácii karbónových vlákien sú stále veľké problémy. Ak chcete podporiť ľahké telo, môžete začať znižovať vstupy procesu a zariadenia. Vyššie uvedené položky dosahujú priemerné úspory vo výške 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miliónov juanov na vozidlo, avšak tieto náklady nepostačujú na kompenzáciu nárastu nákladov na samotný materiál vďaka zavedeniu uhlíkových vlákien. Je zrejmé, že pri aplikácii karbónových vlákien sú stále veľké problémy.

Ak chcete podporiť ľahké telo, môžete začať znižovať vstupy procesu a zariadenia.

Ak auto dosiahne masovú výrobu karosérií z uhlíkových vlákien, náklady na samotný materiál z uhlíkových vlákien sa výrazne znížia, celý priemyselný efekt bude dosť veľký a ekonomické prínosy sa stanú aj zrejmejšími. To je len z pohľadu analýzy uhlíkových vlákien, ak zvážite faktor znižovania hmotnosti tela z hliníkovej zliatiny 50 kg, z rovnakého dôvodu pozitívneho zásobníka, ekonomický efekt je samozrejmý.

5 Vývojové trendy karosérie vozidla

Vzhľadom na vlastnosti kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami výrobcovia automobilov čoraz viac uprednostňujú tento typ materiálu. Odhaduje sa, že v automobilovom priemysle sa používanie uhlíkových vlákien zvyšuje s priemernou ročnou mierou 34% a do roku 2020 dosiahne 23 000 ton. Obrázok 2 ukazuje plán vývoja kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami pre karosérie.

V súčasnosti sú kompozity vystužené uhlíkovými vláknami aplikované hlavne na panely karosérie, karosérie a konštrukčné komponenty. Napríklad BMW použilo veľké množstvo kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien pri vývoji rôznych modelov na výrobu konštrukčných častí karosérie. Toto sa stalo dôležitým momentom pre aplikáciu kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien v automobilovom priemysle. Spoločnosť BMW ďalej spolupracovala so spoločnosťou SGL v Nemecku a investovala 100 miliónov eur do výskumu a vývoja nízkonákladových uhlíkových vlákien a zvýšila produkciu uhlíkových vlákien z 3 000 ton ročne na 9 000 ton, aby splnila rastúci BMW i sériové elektrické vozidlá a iné. Dopyt po modeloch.

6 Záver

Stručne povedané, kompozitné živicové matrice zosilnené uhlíkovými vláknami (CFRP) sa v budúcnosti stali dôležitým smerom vývoja pre nové automobilové materiály s jedinečnými výkonnostnými výhodami. S cieľom podporiť používanie tohto materiálu v oblasti automobilového priemyslu je však potrebné začať spoločný výskum a vývoj výroby, učenia a výskumu z nasledujúcich aspektov: (1) ďalšie hľadanie lacnejších prekurzorov uhlíkových vlákien; (2) Vyvinúť nové výrobné procesy z uhlíkových vlákien, ako je stabilizácia prekurzorových materiálov. Technology; 3 optimalizovať parametre výrobného procesu uhlíkových vlákien alebo použiť nano-uhlíkové vlákna na ďalšie zlepšenie výkonu kompozitných materiálov CFRP; 4 Vyvinúť rýchle a efektívne frézovacie a výrobné technológie CFRP dielov, ako je technológia rýchleho tuhnutia a technológia riadenia prietoku kompozitných materiálov; 5 Použite technológiu analýzy počítačovej simulácie (CAE) na výber rôznych kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien a optimalizáciu parametrov procesu tvarovania.