CFRP käytetään kevyen ja taloudellisen analyysin uusiin energiahenkilöautoihin

Hiilikuitua yhdistetään yleensä epoksihartsilla komposiittimateriaalin muodostamiseksi. Tämä komposiittimateriaali perii useita etuja, kuten korkeamman ominaislujuuden, spesifisen moduulin, väsymislujuuden ja itse hiilikuidun iskunkestävyyden. Samanaikaisesti se peri epoksi. Hartsiformulaatio on joustava ja monipuolinen, ja sen sovellus on erittäin kohdennettu. Alumiiniseosrakenteisiin verrattuna hiilikuitukomposiittimateriaalien painon alentava vaikutus voi nousta 20%: iin 40%: iin. Teräsmetallikomponentteihin verrattuna hiilikuitukomposiittimateriaalien painon alentava vaikutus voi jopa nousta 60%: iin 80%: iin. Hiilikuitukomposiittimateriaalien käyttö Tämä vähentää ajoneuvon kokonaislaatua, mutta vaikuttaa myös autoteollisuuden valmistusprosessiin jossain määrin.

1 prosessityyppi

Hiilikuituvahvisteiset polymeerit (CFRP) viittaavat hiilikuitujen komposiittiin vahvistavaksi faasiksi ja termoplastiseksi tai lämpökovettuvaksi hartsimateriaaliksi. CFRP-komposiittimateriaalien valmistustekniikka sisältää lähinnä prepregmuodostusta ja nesteenmuodostusta. Hiilikuituvahvisteisten polymeerimatriisikomposiittien prosessityyppien vertailu ja analyysi esitetään taulukossa 1.

2 Automotive Assembly and Assembly Technology

Komposiittisten autonosien yhdistetty kokoonpano ja komposiittiosien ja metalliosien välinen yhteys on väistämätön ongelma. Komposiittimateriaali on anisotrooppinen, alhaisen laminaarisen lujuuden ja matalaa sitkeyttä, mikä tekee komposiittimateriaalien liitosten suunnittelusta ja analysoinnista paljon monimutkaisempia kuin metallit. Autoteollisuuden perinteisten metalliosien yhteys ei sovellu komposiittimateriaaleihin. Yhdistämällä siis on ratkaisevan tärkeää ymmärtää ja parantaa tapaa, jolla autoteollisuuden komposiittimateriaalit kytketään ja kiinnitetään, sekä kohtuulliset valinnat.

Aukkojen rikkoutuneiden kuitujen jatkuvuuden takia paikalliset jännityskonsentraatiot aiheutuvat. Komposiittimateriaalien nivelet ovat yleensä heikoin lenkki koko rakenteessa. Siksi on erittäin tärkeää varmistaa liitosten lujuus komposiittimateriaalien rakennesuunnittelussa. Komposiittimateriaalit on jaettu kolmeen pääluokkaan, nimittäin liitetyt liitännät, mekaaniset liitännät ja hybridisuhteet näiden kahden välillä. Termoplastisille komposiiteille on olemassa hitsaustekniikoita. Komposiittimateriaalikytkentätekniikan suunnittelu on määritettävä komponenttien erityisten käyttöolosuhteiden ja suunnittelutavoitteiden mukaan.

2.1 Liimattu liitos

Mekaaniseen liitokseen verrattuna liimaustekniikan tärkeimmät edut ovat jännityskonsentraatio, joka ei aiheuta aukkoja, vähentynyt rakenteellinen laatu, väsymiskestävyys, hyvät värähtely- ja eristysominaisuudet, sileä ulkonäkö, yksinkertainen liimausprosessi ja sähkökemiallisten korroosio-ongelmien vuoksi. Liimaustekniikassa on kuitenkin joitain puutteita, kuten liimauslaadun vaikea hallitseminen, liimauslujuuden suhteellisen suuri dispergoituvuus, luotettavien tarkastusmenetelmien puute ja tiukat vaatimukset pintakäsittelystä ja sidospintojen liittämisestä. Hiilikuitukomposiittikappaleelle sidos on pääliitäntä.

2.2 Mekaaninen kytkentä

Mekaaninen liitäntä on yleisesti käytetty niitit ja pultit, on yleisin yhteys. Mekaanisen liitännän tärkein etu on liitoksen korkea luotettavuus, joka voidaan purkaa toistuvasti ja koota kunnossapidon tai vaihdon aikana, ei tarvitse pintakäsittelyä ja sillä on suhteellisen pieni vaikutus ympäristöön. Mekaanisten yhteyksien pääasiallinen haitta on masennuksen, jännityskonsentraation ja metallien ja komposiittien sähkökemiallinen korroosio. Nolasaumojen ja pulttiyhteyksien vertailu on esitetty kuvassa 1.

2.3 Hybridiliitäntä

Liitännän turvallisuuden ja eheyden parantamiseksi tietyissä tärkeissä yhteyspaikoissa käytetään yleensä hybridiliitäntätapaa ja mekaanista liitäntää samanaikaisesti ja molempien yhteysmenetelmien etuja hyödynnetään täysimääräisesti sen varmistamiseksi, että yhteyspaikalla on riittävä lujuus ja korkea luotettavuus.

2.4 Hitsaus

Hitsaustekniikkaa sovelletaan pääasiassa kestomuovisiin komposiittiosioihin. Perusperiaate on hartsin lämmittäminen sulan kestomuovikomposiitin pinnalle ja sitten kierrä puristin sen integroimiseksi. Hitsauksessa käytetään pääasiassa ultraäänitekniikkaa, sähköohjattua hitsausta ja vastushitsausta. Hitsauksen edut ovat hyvä liitos ja lyhyt kierros, ei pintakäsittely, korkea liitoslujuus, matala stressi jne .; puutteet on vaikea purkaa ja ne täytyy lisätä johtaviin materiaaleihin tai metallijohtoihin. Lisäksi komposiittirakenneosan muovauksen aikana metalliliitin voidaan upottaa kuitupreformiin ja komposiittimateriaali ja metalli- upotettu osa on integroitu muovauksen jälkeen ja komposiittiosat voidaan liittää metallisen upotetun osan läpi välttää Koneistuksen vaurio-komposiitit.

3 Sovellusetuja autoteollisuudelle

Auto-materiaaleissa, kuten mekaanisissa ominaisuuksissa, kevyessä materiaalissa, materiaalin stabiilisuudessa, materiaalin muotoiltavuudessa ja käsiteltävyydessä on useita tekijöitä. Jokaisella näistä tekijöistä ei ole vähäistä vaikutusta autojen suunnitteluun, valmistukseen, myyntiin ja käyttöön. Viime vuosina hiilikuituvahvisteiset polymeerit (CFRP) on tullut uusi autoteollisuuden materiaali, joka kiinnittää huomiota sen ainutlaatuisten suorituskykyominaisuuksien vuoksi. Verrattuna muihin autoteollisuuksiin hiilikuituvahvisteisilla polymeerimatriisikomposiiteilla on seuraavat edut.

3.1 Erinomaiset mekaaniset ominaisuudet

Hiilikuituvahvisteisten hartsimatriisikomposiittien (CFRP) tiheys ajoneuvoissa on 1,5-2g / cm3, joka on vain 1/4 - 1/5 yhteisestä hiiliteräksestä ja noin 1/3 kevyempi kuin alumiiniseos, mutta hiili kuitukomposiittimateriaali Kattavat mekaaniset ominaisuudet ovat ilmeisesti parempia kuin metallimateriaalit ja niiden vetolujuus on 3-4 kertaa suurempi kuin teräs. Teräksen ja alumiinin väsymislujuus on 30-50% vetolujuudesta ja CFRP voi nousta 70%: iin 80%: iin. Samanaikaisesti CFRP: llä on myös paremmat värähtelyvaimennusominaisuudet kuin kevyet metallit, kuten kevytmetalliseos vaatii 9: n pysäyttää värähtelyn. Hiilikuitukomposiittimateriaali 2s voidaan pysäyttää ja sillä on suurempi ominaislujuus ja erityinen moduuli.

Suunniteltu

Hiilikuitukomposiittimateriaalin rakenne on vahva ja matriisimateriaali voidaan kohtuullisesti valita suorituskykyvaatimusten mukaan, kuitujen järjestely voidaan suunnitella ja komposiittimateriaalin rakenne sekä tuotteen suunnittelu voidaan tehdä joustavasti. Esimerkiksi järjestämällä hiilikuituja voiman suuntaan komposiittimateriaalin voimakkuuden anisotropia voidaan täysin kohdistaa saavuttaen siten materiaalin säästämisen ja laadun alentamisen tarkoitus. Korroosionkestävyyttä vaativiin tuotteisiin voidaan käyttää peruskorjausmateriaalia, jolla on hyvä korroosionkestävyys.

3.3 voidaan saavuttaa integroitu valmistus

Modularisaatio ja integraatio ovat myös trendejä autoteollisuudessa. Kun komposiittimateriaali on muodostettu, on helppo muodostaa eri muotoisten kaareva pinta autojen osien ja komponenttien integroidun tuotannon saavuttamiseksi. Integroitu muovaus voi vähentää osien ja muotojen lukumäärää, vähentää komponenttien määrää ja muita prosesseja, mutta myös lyhentää merkittävästi tuotantosykliä. Esimerkiksi jos auton etuosan moduuli on valmistettu hiilikuitukomposiittimateriaalista, se voidaan integroida ja integroida integroidusti paikallisten jännityskonsentraation välttämiseksi, joka aiheutuu seuraavien hitsauksen ja metallisten osien myöhemmästä käsittelystä ja samalla vähentää tuotteen tarkkuutta ja parantaa suorituskykyä samalla vähentäen autonosia. Laatu, vähentävät valmistuskustannuksia.

3.4 Energian imeytyminen ja iskunkestävyys

Hiilikuituvahvisteisilla hartsimatriisikomposiiteilla (CFRP) on tietty viskoelasticiteetti, ja hiilikuidun ja matriisin välillä on lievä paikallinen suhteellinen liike, joka voi muodostaa rajapinnan kitkan. Viskoelasticisuuden ja rajapinnan välisen synergisen vaikutuksen ansiosta CFRP-osilla on parempi energian absorptio ja iskunkestävyys. Toisaalta erityisesti absorboitu hiilikuitukomposiitti kaatuu pieniin kappaleisiin nopeilla törmäyksillä, absorboi suurta iskukuormitusta ja sen energian absorptiokyky on 4-5 kertaa suurempi kuin metallimateriaalien, mikä voi tehokkaasti parantaa ajoneuvoja. Turvallisuus, suojaa jäsenten turvallisuutta.

3.5 Hyvä korroosionkestävyys

Hiilikuituvahvisteiset polymeerimatriisikomposiitit koostuvat pääasiassa hiilikuitupohjaisista ja hartsimateriaaleista, ja niillä on erinomaiset happo- ja alkali- resistenssiominaisuudet. Niistä tehdyt automaattiset osat eivät tarvitse pinta-antiseptistä käsittelyä, ja niiden säänkestävyys ja ikääntyminen ovat hyviä. Niiden käyttöikä on hyvä. 2-3 kertaa teräksestä.

3.6 korkean lämpötilan suorituskyky

Hiilikuitujen suorituskyky alle 400 ° C: n lämpötiloissa pysyy hyvin vakaana eikä merkittävää muutosta ole 1 000 ° C: ssa.

3.7 Hyvä väsymiskestävyys

Hiilikuituvahvisteisilla materiaaleilla on estovaikutus kuidun aiheuttaman väsymisen halkeaman etenemiseen ja sen väsymiskestävyys voi nousta 70%: iin 80%: iin. Hiilikuidun rakenne on vakaa. Kun komposiittimateriaalin väsymisaika on miljoonia sykleitä, sen lujuuden pysyvyys on edelleen 60%, kun taas teräs ja alumiini ovat 40% ja 30% vastaavasti, ja lasikuitu on vain 20% - 25%. Siksi hiilikuitukomposiittien väsymiskestävyys soveltuu monenlaisiin käyttökohteisiin autoteollisuudessa.

4 Energiaanalyysi New Energyin henkilöautoille

Hiilikuidun käytön vuoksi kehoa voidaan vähentää yli 50%. Esimerkkinä tyypillisen A-luokan ajoneuvon painon menetyksen ollessa 100 kg, ajoneuvon kevytpainon merkitys on hyvin ilmeinen. Se voidaan selittää seuraavista näkökohdista: 1 Yhdelle asemalle 300 km: n henkilöautolle ja 45 kWh: n lataustilavuudelle samaa ajoväliä voidaan vähentää 3,6 kWh: lla alan asiantuntijan laskemalla, "100 kilogrammaa 100 kilogrammalta ja 8 prosentin lisäys ajoväliin." Akun säästö on noin 0,6 miljoonaa yuania. 2 400 000 kilometrin ajotavan keskimääräinen elinkaari ja sähkökustannukset lasketaan 0,9 yuania / kW · h. Koko ajoneuvon sähkökustannukset voivat säästää 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 miljoonaa. 100 km säästää 1,2 kWhh sähköä.) 3Koska-hiilikuitumateriaalien soveltamisesta esimerkkinä 50 000 ajoneuvon tuotannon mittakaava, tallennetut prosessinvestoinnit ja laiteinvestoinnit muunnetaan sähköautojen taloudelliseksi ekvivalentiksi ja jokainen ajoneuvo on Poistot tallensivat noin 2000 yuania; 4 koska prosessi virtaviivaistetaan, henkilöstö maksaa vähintään 1000 yuania / Taiwanin.

Yllä olevat erät ovat keskimääräisiä säästöjä 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljoonaa yuania ajoneuvoa kohden, mutta nämä kustannukset eivät riitä korvaamaan hiilikuidun käyttöönoton takia itse materiaalin kustannusten nousua. Voidaan havaita, että hiilikuitukomponenttien soveltamiseen liittyy edelleen suuria ongelmia. Jos haluat edistää kevytrakenetta, voit vain alentaa prosessin ja laitteiden syöttöä. Yllä olevat erät ovat keskimääräisiä säästöjä 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljoonaa yuania ajoneuvoa kohden, mutta nämä kustannukset eivät riitä korvaamaan hiilikuidun käyttöönoton takia itse materiaalin kustannusten nousua. Voidaan havaita, että hiilikuitukomponenttien soveltamiseen liittyy edelleen suuria ongelmia.

Jos haluat edistää kevytrakenetta, voit vain alentaa prosessin ja laitteiden syöttöä.

Jos auto saavuttaa hiilikuitukappaleiden massatuotannon, itse hiilikuitumateriaalin kustannukset vähenevät huomattavasti, koko teollisuuden vaikutus on melko suuri ja taloudelliset hyödyt tulevat myös ilmeisemmiksi. Nämä ovat vain hiilikuituanalyysin näkökulmasta, jos harkitset alumiiniseoksen auton painonpudotuskerrointa 50kg, samasta syystä positiivinen pino, taloudellinen vaikutus on itsestään selvää.

5 Kehitystrendit ajoneuvon runkoon

Hiilikuituvahvisteisten komposiittien ominaisuudet huomioon ottaen autoteollisuuden valmistajat suosivat yhä enemmän tällaista materiaalia. Autoteollisuudessa hiilikuitujen käyttö on arvioitu kasvavan keskimäärin 34 prosentin vuotuisella nopeudella ja se nousee 23 000 tonniin vuoteen 2020 mennessä. Kuvassa 2 on esitetty etenemissuunnitelma hiilikuituvahvisteisten komposiittien kehitykselle korikorteille.

Tällä hetkellä hiilikuituvahvisteisia komposiitteja käytetään pääosin runkopaneeleihin, runkoihin ja rakenneosiin. Esimerkiksi BMW on käyttänyt runsaasti hiilikuitukomposiittimateriaaleja useiden mallien kehittämisessä runkorakenteiden valmistukseen. Tämä on tullut tärkeä hetki hiilikuitukomposiittimateriaalien käytölle autoteollisuudessa. BMW on lisäksi tehnyt yhteistyötä SGL: n kanssa Saksassa, investoi 100 miljoonaa euroa edullisten hiilikuitujen tutkimukseen ja kehittämiseen sekä hiilikuitutuotannon kasvattamiseen 3000 tonnista vuodessa 9000 tonniin vastaamaan kasvavaa BMW i sarjat sähköautojen ja muiden. Mallien kysyntä.

6 Johtopäätös

Yhteenvetona, hiilikuituvahvisteiset hartsimatriisikomposiitit (CFRP) on tullut tärkeä kehityssuunta uusille autoteollisuudelle tulevaisuudessa ainutlaatuisilla suorituskyvyn eduilla. Tämän materiaalin käytön edistämiseksi autoteollisuudessa on kuitenkin välttämätöntä aloittaa tuotannon, oppimisen ja tutkimuksen yhteinen tutkimus ja kehittäminen seuraavista näkökohdista: (1) etsiä edullisempaa hiilikuitua edeltäviä esiasteita; (2) Kehitetään uusia hiilikuituvalmistusprosesseja, kuten esiasteiden stabilointi. teknologia; 3 Optimoi hiilikuituvalmistusprosessiparametrit tai käytä nano-hiilikuitua CFRP-komposiittimateriaalien suorituskyvyn parantamiseksi edelleen; 4 Kehittää nopeita ja tehokkaita CFRP-osien muovaus- ja valmistusmenetelmiä, kuten nopeaa kiinteytysmuovaustekniikkaa ja komposiittimateriaalin virtauksen säätötekniikkaa; 5 Käytä tietokoneen simulointianalyysitekniikkaa (CAE) valitaksesi erilaiset hiilikuitukomposiittimateriaalit ja optimoi muovausprosessiparametrit.