CFRP được sử dụng cho phân tích trọng lượng và kinh tế của các phương tiện vận chuyển năng lượng mới

Sợi carbon thường được kết hợp với nhựa epoxy để tạo thành một vật liệu composite. Vật liệu composite này thừa kế một loạt các ưu điểm như độ bền cụ thể cao hơn, mô đun cụ thể, độ bền mỏi và khả năng chống sốc của sợi carbon. Đồng thời, nó thừa hưởng epoxy. Việc xây dựng nhựa là linh hoạt và linh hoạt, và ứng dụng của nó được nhắm mục tiêu cao. So với các thành viên cấu trúc hợp kim nhôm, hiệu quả giảm trọng lượng của vật liệu composite sợi carbon có thể đạt 20% đến 40%. So với các thành phần kim loại thép, hiệu quả giảm trọng lượng của vật liệu composite sợi carbon thậm chí có thể đạt 60% đến 80%. Việc sử dụng vật liệu composite bằng sợi carbon Điều này không chỉ làm giảm chất lượng xe tổng thể mà còn ảnh hưởng và thay đổi quy trình sản xuất ô tô ở một mức độ nào đó.

1 Loại quy trình

Các sợi polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) đề cập đến một hỗn hợp các sợi carbon như một pha gia cố và một vật liệu nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn. Công nghệ sản xuất vật liệu composite CFRP chủ yếu bao gồm quá trình hình thành prepreg và tạo thành chất lỏng. Việc so sánh và phân tích các loại quy trình của vật liệu tổng hợp polymer gia cố bằng sợi carbon được thể hiện trong Bảng 1.

2 Công nghệ lắp ráp ô tô và lắp ráp

Việc lắp ráp kết hợp các bộ phận ô tô tổng hợp và kết nối giữa các bộ phận composite và các bộ phận kim loại là một vấn đề không thể tránh khỏi. Vật liệu composite là dị hướng, với cường độ interlaminar thấp và độ dẻo thấp, làm cho việc thiết kế và phân tích các khớp của vật liệu composite phức tạp hơn nhiều so với kim loại. Sự kết nối giữa các bộ phận kim loại truyền thống trong ngành công nghiệp ô tô không phù hợp với vật liệu composite. Kết nối, do đó, nó là rất quan trọng để hiểu và cải thiện cách thức mà vật liệu composite ô tô được kết nối và cố định, và để có những lựa chọn hợp lý.

Do sự liên tục của các sợi bị phá vỡ bởi các lỗ hở, nồng độ căng thẳng cục bộ được gây ra. Các khớp của vật liệu composite thường là liên kết yếu nhất trong toàn bộ cấu trúc. Vì vậy, nó là rất quan trọng để đảm bảo sức mạnh của khớp trong thiết kế cấu trúc của vật liệu composite. Vật liệu composite được chia thành ba loại chính, cụ thể là, kết nối dán, kết nối cơ khí, và kết nối lai giữa hai. Đối với vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo, có kỹ thuật hàn. Thiết kế công nghệ kết nối vật liệu composite cần phải được xác định theo các điều kiện sử dụng cụ thể và các yêu cầu thiết kế của các bộ phận.

2.1 kết nối dán

So với kết nối cơ học, ưu điểm chính của công nghệ liên kết là sự tập trung ứng suất do không hở, giảm chất lượng cấu trúc, khả năng chống mỏi, độ rung và tính chất cách nhiệt, bề mặt nhẵn, quá trình liên kết đơn giản và không có vấn đề ăn mòn điện hóa. Tuy nhiên, có một số thiếu sót trong công nghệ liên kết, như kiểm soát chặt chẽ chất lượng liên kết, độ phân tán tương đối lớn về độ bền liên kết, thiếu phương pháp kiểm tra đáng tin cậy và yêu cầu nghiêm ngặt về xử lý bề mặt và liên kết bề mặt liên kết. Đối với thân bằng sợi carbon, liên kết là kết nối chính.

2.2 Kết nối cơ khí

Kết nối cơ học thường được sử dụng đinh tán và bu lông, là kết nối được sử dụng phổ biến nhất. Ưu điểm chính của kết nối cơ học là độ tin cậy cao của kết nối, có thể được tháo dỡ và lắp ráp liên tục trong quá trình bảo trì hoặc thay thế, không yêu cầu xử lý bề mặt và có tác động tương đối nhỏ đối với môi trường. Nhược điểm chính của các kết nối cơ học là sự gia tăng khối lượng, nồng độ ứng suất và sự ăn mòn điện hóa của kim loại và vật liệu tổng hợp. So sánh các kết nối đinh tán và kết nối bolt được thể hiện trong Hình 1.

2.3 Kết nối lai

Để cải thiện sự an toàn và tính toàn vẹn của kết nối, trong một số kết nối quan trọng, phương pháp kết nối lai và kết nối cơ học thường được sử dụng cùng một lúc, và ưu điểm của hai phương pháp kết nối được sử dụng đầy đủ để đảm bảo rằng trang kết nối có đủ sức mạnh và độ tin cậy cao.

2.4 hàn

Công nghệ hàn chủ yếu được áp dụng cho các bộ phận composite nhiệt dẻo. Nguyên tắc cơ bản là làm nóng nhựa trên bề mặt của nhựa nhiệt dẻo nóng chảy tổng hợp, và sau đó lap báo chí để làm cho nó tích hợp. Hàn chủ yếu bao gồm hàn siêu âm, hàn điện cảm ứng và hàn kháng. Ưu điểm của hàn là kết nối tốt và chu kỳ ngắn, không xử lý bề mặt, cường độ kết nối cao, ứng suất thấp, vv; những bất cập rất khó để tháo rời và cần phải thêm vật liệu dẫn điện hoặc dây kim loại. Ngoài ra, trong quá trình đúc thành phần kết cấu composite, đầu nối kim loại có thể được nhúng vào phôi sợi, và vật liệu composite và thành phần nhúng kim loại được tích hợp sau khi đúc, và các bộ phận kết hợp có thể được kết nối thông qua thành phần nhúng kim loại để tránh vật liệu tổng hợp thiệt hại gia công.

3 Ưu điểm ứng dụng cho ô tô

Có một số yếu tố cần xem xét khi lựa chọn vật liệu ô tô, chẳng hạn như tính chất cơ học, trọng lượng nhẹ, độ ổn định của vật liệu, khả năng thiết kế material design và khả năng xử lý. Mỗi yếu tố này sẽ có tác động không đáng kể đến thiết kế, sản xuất, bán hàng và sử dụng ô tô. Trong những năm gần đây, Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) đã trở thành vật liệu ô tô mới thu hút sự chú ý do đặc tính hiệu suất độc đáo của nó. So với các vật liệu ô tô khác, vật liệu tổng hợp polymer gia cố bằng sợi carbon có những ưu điểm sau.

3.1 Tính chất cơ học xuất sắc

Mật độ của vật liệu tổng hợp nhựa gia cố sợi carbon (CFRP) cho xe là 1,5 đến 2g / cm3, chỉ bằng 1/4 đến 1/5 thép cacbon thông thường, và khoảng 1/3 nhẹ hơn hợp kim nhôm, nhưng carbon vật liệu sợi tổng hợp Các tính chất cơ học toàn diện rõ ràng là tốt hơn so với vật liệu kim loại, và độ bền kéo của nó là 3-4 lần của thép. Độ bền mỏi của thép và nhôm là 30% đến 50% độ bền kéo, và CFRP có thể đạt 70% đến 80%. Đồng thời, CFRP cũng có đặc tính giảm xóc rung tốt hơn so với kim loại nhẹ, chẳng hạn như hợp kim nhẹ yêu cầu 9s để dừng rung, vật liệu composite carbon 2 có thể dừng lại và có cường độ cụ thể cao hơn và mô đun cụ thể.

3.2 Có thể thiết kế

Thiết kế vật liệu composite bằng sợi carbon rất bền và vật liệu ma trận có thể được lựa chọn hợp lý theo yêu cầu hiệu suất, sự sắp xếp của các sợi có thể được thiết kế và cấu trúc của vật liệu composite, và thiết kế sản phẩm có thể được thực hiện linh hoạt. Ví dụ, bằng cách sắp xếp các sợi carbon theo hướng của lực, sự bất đẳng hướng của sức mạnh của vật liệu composite có thể được tác dụng đầy đủ, do đó đạt được mục đích tiết kiệm nguyên liệu và giảm chất lượng. Đối với các sản phẩm yêu cầu khả năng chống ăn mòn, vật liệu cơ bản có khả năng chống ăn mòn tốt có thể được sử dụng trong quá trình thiết kế.

3.3 có thể đạt được tích hợp sản xuất

Modularization và tích hợp cũng là xu hướng trong cấu trúc ô tô. Khi vật liệu composite được hình thành, nó rất dễ dàng để tạo thành một bề mặt cong của các hình dạng khác nhau để đạt được sản xuất tích hợp của các bộ phận và linh kiện ô tô. Tích hợp khuôn có thể không chỉ làm giảm số lượng các bộ phận và khuôn mẫu, giảm số lượng các thành phần và các quá trình khác, nhưng cũng rút ngắn rất nhiều chu kỳ sản xuất. Ví dụ, nếu mô-đun front-end của một chiếc xe được làm bằng vật liệu sợi carbon tổng hợp, nó có thể được tích hợp và tích hợp để tránh tập trung căng thẳng cục bộ do hàn tiếp theo và xử lý tiếp theo các bộ phận kim loại, đồng thời giảm độ chính xác của sản phẩm và cải thiện hiệu suất trong khi giảm phụ tùng ô tô. Chất lượng, giảm chi phí sản xuất.

3.4 hấp thụ năng lượng và tác động kháng

Vật liệu tổng hợp nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) có một mức độ nhớt dẻo nhất định, và có một chuyển động tương đối cục bộ nhỏ giữa sợi carbon và ma trận, có thể tạo ra ma sát giao thoa. Dưới tác động tổng hợp của viscoelasticity và ma sát interfacial, các bộ phận CFRP có hấp thụ năng lượng tốt hơn và sức đề kháng tác động. Mặt khác, hỗn hợp sợi carbon hấp thụ đặc biệt rơi vào những mảnh nhỏ trong va chạm tốc độ cao, hấp thụ một lượng lớn năng lượng va đập, và khả năng hấp thụ năng lượng của nó cao gấp 4 đến 5 lần so với vật liệu kim loại. cải thiện phương tiện. Bảo mật, bảo vệ an toàn cho các thành viên.

3.5 chống ăn mòn tốt

Vật liệu tổng hợp polyme gia cố bằng sợi carbon chủ yếu bao gồm vật liệu kéo sợi carbon và nhựa, có tính chất kháng axit và kiềm tuyệt vời. Các bộ phận tự động làm bằng chúng không cần xử lý khử trùng bề mặt, và khả năng chống chịu thời tiết và chống lão hóa của chúng tốt. Cuộc sống phục vụ của họ là tốt. Gấp 2 đến 3 lần thép.

3.6 hiệu suất nhiệt độ cao

Hiệu suất của sợi carbon ở nhiệt độ dưới 400 ° C vẫn rất ổn định, và không có thay đổi đáng kể ở 1 000 ° C.

3.7 sức đề kháng mệt mỏi tốt

Vật liệu gia cố bằng sợi carbon có tác dụng ức chế sự lan truyền vết nứt do xơ, và khả năng chống mỏi của nó có thể đạt 70% đến 80%. Cấu trúc của sợi carbon ổn định. Sau khi cuộc sống mệt mỏi của vật liệu composite là hàng triệu chu kỳ, tỷ lệ duy trì sức mạnh của nó Vẫn còn 60%, trong khi thép và nhôm là 40% và 30%, tương ứng, và sợi thủy tinh chỉ là 20% đến 25%. Do đó, khả năng chống mỏi của vật liệu tổng hợp sợi carbon thích hợp cho một loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.

4 Phân tích kinh tế đối với phương tiện vận chuyển năng lượng mới

Bởi vì việc sử dụng sợi carbon, cơ thể có thể được giảm hơn 50%. Lấy giảm cân 100kg trên một chiếc xe hạng A điển hình làm ví dụ, tầm quan trọng của việc giảm trọng lượng của chiếc xe là rất rõ ràng. Nó có thể được giải thích từ các khía cạnh sau đây: 1 Đối với một trạm Đối với một chiếc xe chở khách với 300 km và công suất sạc là 45 kW · h, phạm vi lái xe tương tự có thể được giảm 3,6 kW · h, theo tính toán của chuyên gia trong ngành, "100 kg trên 100 kg, cộng 8% tăng phạm vi lái xe." Chi phí tiết kiệm pin là khoảng 0,6 triệu nhân dân tệ; 2 Vòng đời trung bình của lái xe 400.000 km và chi phí điện được tính theo 0,9 NDT / kW · h. Chi phí điện của toàn bộ chiếc xe có thể tiết kiệm 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 triệu. 3Khi áp dụng vật liệu sợi carbon, lấy quy mô sản xuất 50.000 xe như là một ví dụ, đầu tư quá trình đã lưu và đầu tư thiết bị được chuyển đổi thành tương đương kinh tế của xe điện, và mỗi chiếc xe là Khấu hao tiết kiệm được khoảng 2.000 nhân dân tệ; 4 bởi vì quá trình này được sắp xếp hợp lý, chi phí nhân sự ít nhất là tiết kiệm 1.000 nhân dân tệ / Đài Loan.

Các khoản trên tổng hợp mức tiết kiệm trung bình là 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 triệu nhân dân tệ cho mỗi chiếc xe, nhưng những chi phí này không đủ bù đắp sự gia tăng chi phí của vật liệu do sự ra đời của sợi carbon. Có thể thấy rằng vẫn còn những vấn đề lớn trong việc ứng dụng các thân sợi carbon. Nếu bạn muốn quảng bá thân máy nhẹ, bạn chỉ có thể bắt đầu từ việc giảm đầu vào của quá trình và thiết bị. Các khoản trên tổng hợp mức tiết kiệm trung bình là 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 triệu nhân dân tệ cho mỗi chiếc xe, nhưng những chi phí này không đủ bù đắp sự gia tăng chi phí của vật liệu do sự ra đời của sợi carbon. Có thể thấy rằng vẫn còn những vấn đề lớn trong việc ứng dụng các thân sợi carbon.

Nếu bạn muốn quảng bá thân máy nhẹ, bạn chỉ có thể bắt đầu từ việc giảm đầu vào của quá trình và thiết bị.

Nếu chiếc xe đạt được sản xuất hàng loạt các thân sợi carbon, chi phí của vật liệu sợi carbon cũng sẽ giảm đáng kể, toàn bộ hiệu ứng của ngành sẽ khá lớn và lợi ích kinh tế cũng sẽ trở nên rõ ràng hơn. Đây chỉ là từ quan điểm của phân tích sợi carbon, nếu bạn xem xét các hợp kim nhôm trọng lượng cơ thể giảm trọng lượng xe của 50kg, theo cùng một lý do tích cực ngăn xếp, hiệu quả kinh tế là hiển nhiên.

5 xu hướng phát triển cho thân xe

Với đặc điểm của vật liệu tổng hợp sợi carbon gia cố, loại vật liệu này ngày càng được ưa chuộng bởi các nhà sản xuất ô tô. Người ta ước tính rằng trong lĩnh vực ô tô, việc sử dụng sợi carbon đang phát triển với tốc độ trung bình hàng năm là 34% và sẽ đạt 23.000 tấn vào năm 2020. Hình 2 cho thấy lộ trình phát triển vật liệu tổng hợp cốt sợi carbon cho thân xe.

Hiện nay, vật liệu tổng hợp gia cố bằng sợi carbon chủ yếu được áp dụng cho các tấm thân, thân xe và các thành phần cấu trúc. Ví dụ, BMW đã sử dụng một số lượng lớn các vật liệu tổng hợp sợi carbon trong sự phát triển của một loạt các mô hình để sản xuất các bộ phận cấu trúc cơ thể. Điều này đã trở thành một thời điểm quan trọng cho việc áp dụng vật liệu composite sợi carbon trong sản xuất ô tô. Đồng thời, BMW đã hợp tác hơn nữa với SGL ở Đức, đầu tư 100 triệu euro vào nghiên cứu và phát triển sợi carbon chi phí thấp, và tăng sản lượng sợi carbon từ 3.000 tấn / năm lên 9000 tấn để đáp ứng sự phát triển của BMW i -series xe điện và những người khác. Nhu cầu cho các mô hình.

6 Kết luận

Tóm lại, vật liệu tổng hợp nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) đã trở thành một hướng phát triển quan trọng cho các vật liệu ô tô mới trong tương lai với những lợi thế về hiệu suất độc đáo của nó. Tuy nhiên, để thúc đẩy việc sử dụng vật liệu này trong lĩnh vực ô tô, cần bắt đầu nghiên cứu và phát triển hợp tác sản xuất, học tập và nghiên cứu từ các khía cạnh sau: (1) Tìm kiếm thêm tiền chất xơ carbon chi phí thấp; (2) Phát triển các quy trình sản xuất sợi carbon mới, chẳng hạn như ổn định vật liệu tiền thân. Công nghệ; 3 Tối ưu hóa các thông số quy trình sản xuất sợi carbon hoặc sử dụng sợi nano-carbon để cải thiện hơn nữa hiệu suất của vật liệu composite CFRP; 4 Phát triển các bộ phận đúc và sản xuất CFRP nhanh chóng và hiệu quả, chẳng hạn như công nghệ đúc cố định nhanh và công nghệ điều khiển luồng vật liệu composite; 5. Sử dụng công nghệ phân tích mô phỏng máy tính (CAE) để lựa chọn vật liệu composite sợi carbon khác nhau và tối ưu hóa các thông số quá trình đúc.