CFRP az új energia személygépkocsik könnyű és gazdaságos elemzéséhez

A szénszálakat általában epoxi gyantával kombinálva összetett anyagot képeznek. Ez az összetett anyag örökölte számos előnyét, mint a nagyobb fajlagos szilárdság, a fajlagos modulus, a fáradtság és a szénszál ellenállósága. Ugyanakkor örökölte az epoxidot. A gyanta készítmény rugalmas és sokoldalú, alkalmazási területe nagymértékben célzott. Összehasonlítva az alumíniumötvözet szerkezeti elemekkel, a szénszálas kompozit anyagok súlycsökkentő hatása 20% és 40% között lehet. Az acél fémkomponensekkel összehasonlítva a szénszálas kompozit anyagok súlycsökkentő hatása akár 60-80% -ot is elérhet. A szénszálas kompozit anyagok használata Ez nem csak csökkenti a jármű teljes minőségét, hanem bizonyos mértékben befolyásolja és megváltoztatja az autógyártási folyamatot.

1 Folyamat típus

A szénszálas erősítésű polimerek (CFRP) a karbonszálak összetételét jelenti erősítő fázisként, valamint hőre lágyuló vagy hőre keményedő gyanta anyagként. A CFRP kompozit anyagok gyártási technológiája elsősorban prepregképző és folyadékképző folyamatokat tartalmaz. A szénszálas polimer mátrix kompozitok folyamat típusainak összehasonlítását és elemzését az 1. táblázatban mutatjuk be.

2 Autóipari szerelési és szerelési technika

Az összetett gépjárműalkatrészek és az összetett alkatrészek és a fémalkatrészek összekapcsolása elkerülhetetlen probléma. Az összetett anyag anizotróp, alacsony interlamináris szilárdsággal és alacsony duktilitással, így az összetett anyagok ízületének kialakítása és elemzése sokkal összetettebb, mint a fémeké. A hagyományos autóalkatrészek közötti kapcsolat az autóiparban nem alkalmas kompozit anyagok számára. Ezért fontos, hogy megértsük és javítsuk az autóipari kompozit anyagok összekapcsolódásának és rögzítésének módját, és ésszerű döntéseket hozhassunk.

A nyílások által megszakított rostok folytonossága miatt helyi stressz-koncentrációk keletkeznek. Az összetett anyagok ízületei általában a leggyengébb láncszem az egész szerkezetben. Ezért fontos az ízületek szilárdságának biztosítása az összetett anyagok szerkezeti kialakításában. Az összetett anyagok három fő kategóriába sorolhatók, nevezetesen: ragasztott csatlakozások, mechanikai csatlakozások és hibrid kapcsolatok a kettő között. A hőre lágyuló kompozitok esetében vannak hegesztési technikák. A kompozit anyagcsatlakozású technológia kialakítását az összetevők különleges használati feltételeinek és tervezési követelményeinek megfelelően kell meghatározni.

2.1 ragasztott kapcsolat

A mechanikai csatlakozással összehasonlítva a kötéstechnológia fő előnyei a feszültségkoncentráció, mivel nincsenek nyílások, csökkentett szerkezeti minőség, fáradtságállóság, jó rezgés- és szigetelési tulajdonságok, sima megjelenés, egyszerű kötési folyamat és nincsenek elektrokémiai korróziós problémák. A kötési technológiában azonban vannak hiányosságok, mint például a kötésminőség szabályozása, a kötési szilárdság viszonylag nagy diszpergálhatósága, a megbízható vizsgálati módszerek hiánya és a felületkezelésre és a ragasztási felületek ragasztására vonatkozó szigorú követelmények. A szénszálas kompozit testhez a kötés a fő csatlakozás.

2.2 Mechanikai csatlakozás

A mechanikus csatlakozást általában szegecsek és csavarok használják, ez a leggyakrabban használt kapcsolat. A mechanikus csatlakozás fő előnye a csatlakoztatás magas megbízhatósága, amely a karbantartás vagy csere során ismételten leszerelhető és összeszerelhető, nem igényel felületkezelést és viszonylag kis hatással van a környezetre. A mechanikai kapcsolatok fő hátránya a tömeg növekedése, a feszültségkoncentráció és a fémek és kompozitok elektrokémiai korróziója. A szegecscsatlakozások és csavarcsatlakozások összehasonlítása az 1. ábrán látható.

2.3 Hibrid kapcsolat

A kapcsolat biztonságának és integritásának javítása érdekében néhány fontos összeköttetési helyszínen egyidejűleg egyszerre alkalmazzák a kötés és a mechanikus kapcsolat hibrid összekapcsolási módját, és a két csatlakozási módszer előnyeit teljes mértékben kihasználják annak biztosítására, hogy a a csatlakozóhely elég erős és nagy megbízhatóságú.

2.4 Hegesztés

A hegesztési technológiát elsősorban a hőre lágyuló összetett részekre alkalmazzák. Az alapelv a megolvasztott hőre lágyuló kompozit felületén lévő gyanta felmelegítése, majd a sajtolás megfordítása annak integrálása érdekében. A hegesztés elsősorban ultrahangos hegesztéssel, elektromos indukciós hegesztéssel és ellenállás hegesztéssel foglalkozik. A hegesztés előnyei jó kapcsolódási és rövid ciklusúak, nem felületkezelés, magas kötési szilárdság, alacsony feszültség stb. a hiányosságokat nehéz szétszerelni és vezetőképes anyagokat vagy fémhuzalokat kell adni. Ezenkívül az összetett szerkezeti elem formázása során a fémcsatlakozó beágyazható az optikai szálas előformába, és az összetett anyag és a fém beágyazott tag integrálódnak az öntés után, és az összetett részek a fém beágyazott elemen hogy elkerülje a károsanyag-kompozitok megmunkálását.

3 Alkalmazási előnyök az autóipar számára

Számos tényezőt kell figyelembe venni az autóipari anyagok kiválasztása során, mint például a mechanikai tulajdonságok, a könnyű súly, az anyag stabilitása, az anyagok tervezhetősége és feldolgozhatósága. Mindezek a tényezők nem elhanyagolható hatást gyakorolhatnak az autók tervezésére, gyártására, értékesítésére és használatára. Az elmúlt években a Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) az egyedülálló teljesítményjellemzők miatt új autóipari anyaggá vált. A többi autóipari anyaghoz képest a szénszálas erősítésű polimer mátrix kompozitok a következő előnyökkel járnak.

3.1 Kiváló mechanikai tulajdonságok

A szénszálas erősítésű gyanta mátrix kompozitok (CFRP) sűrűsége 1,5-2 g / cm3, amely csak 1/4 - 1/5 közös szénacél, és körülbelül 1/3 könnyebb az alumíniumötvözetnél, de a szén szálas kompozit anyag Az átfogó mechanikai tulajdonságok nyilvánvalóan jobbak, mint a fém anyagok, és szakítószilárdsága 3-4-szerese az acélnak. Az acél és az alumínium fáradási szilárdsága a szakítószilárdság 30-50% -a, a CFRP pedig 70-80% között van. Ugyanakkor a CFRP jobb rezgéscsillapítási jellemzőkkel is rendelkezik, mint a könnyű fémek, például a könnyűfém ötvözet megállítja a rezgést. A 2sz széntartalmú kompozit anyag megállítható és nagyobb fajlagos szilárdsággal és specifikus modulussal rendelkezik.

3.2 Tervezhető

A szénszálas kompozit anyag szerkezete erős, és a mátrix anyaga ésszerűen kiválasztható a teljesítménykövetelményeknek megfelelően, a szálak elrendezése megtervezhető, az összetett anyag szerkezete és a termék kialakítása rugalmasan kivitelezhető. Például a szénszálaknak az erő irányában való elrendezésével az összetett anyag szilárdságának anizotrópiája teljes mértékben kifejthető, ezáltal az anyagtakarékosság és a minőségcsökkentés célját. A korrózióállóságot igénylő termékeknél jó korrózióálló alapanyag használható a tervezés során.

3.3 megvalósíthatja az integrált gyártást

A modularizáció és az integráció trendek az autóiparban is. Az összetett anyag kialakításakor könnyen kialakítható a különféle formájú íves felület, amely lehetővé teszi az autóalkatrészek és alkatrészek integrált gyártását. Az integrált öntés nemcsak csökkenti az alkatrészek és formák számát, csökkenti az alkatrészek és egyéb folyamatok számát, hanem jelentősen lerövidíti a gyártási ciklust is. Ha például egy autó elülső modulja szénszálas kompozit anyagból készül, integrálhatóan kialakítható és integrálható a fémek részleges hegesztése és későbbi feldolgozása által okozott lokalizált stresszkoncentráció elkerülése érdekében, miközben csökkenti a termék pontosságát és javítja a teljesítményt miközben csökkenti az autóalkatrészeket. Minőség, csökkenti a gyártási költségeket.

3.4 Energiafelszívódás és ütésállóság

A széntartalmú műgyanta mátrix kompozitok (CFRP) bizonyos fokú viszkoelasztikus tulajdonságokkal rendelkeznek, és a szénszál és a mátrix között enyhe helyi relatív mozgás van, ami interakciós súrlódást okozhat. A viszkoelasztikus és a határfelület súrlódásának szinergikus hatása alatt a CFRP részek jobb energiafelszívódással és ütésállósággal rendelkeznek. Másfelől a speciálisan felszívódó szénszálas kompozit nagy sebességű ütközéskor kis darabokra bukkan, nagy mennyiségű ütközésenergiát vesz fel, és energiateljesítménye 4-5-ször nagyobb, mint a fémanyagoké, ami hatékonyan a járművek javítása. Biztonság, a tagok biztonságának védelme.

3.5 Jó korrózióállóság

A széntartalmú polimer mátrix kompozitok főleg szénszálas vontató- és gyantaanyagokból állnak, kiváló sav- és lúgállósági tulajdonságokkal rendelkeznek. Az ezekből készült automatikus alkatrészek nem igényelnek felszíni fertőtlenítő kezelést, időjárásállósága és öregedési ellenállása pedig jó. Élettartamuk jó. 2-3-szorosa az acélnak.

3.6 magas hőmérsékleti teljesítmény

A szénszálak teljesítménye 400 ° C alatti hőmérsékleten nagyon stabil marad, és nincs jelentős változás 1000 ° C-on.

3.7 Jó fáradtságállóság

A szálerősítésű anyagok gátolják a szálakkal szembeni fáradt repedés terjedését, és a fáradtságállósága 70-80% -ot ér el. A szénszál szerkezete stabil. Miután az összetett anyag kifáradási élettartama több millió ciklus, szilárdságának megőrzési aránya Még mindig 60%, míg az acél és az alumínium 40% és 30%, az üvegszál pedig csak 20% -25%. Ezért a szénszálas kompozitok fáradási ellenállása számos alkalmazási területen alkalmazható az autóiparban.

4 Új energia személygépjárművek gazdasági elemzése

A szénszál használatának köszönhetően a szervezet 50% -kal is csökkenthető. Például egy 100 kg-os súlycsökkenés tipikus A-osztályú járművön, a jármű könnyűsúlyának jelentősége nagyon nyilvánvaló. Az alábbi szempontok alapján magyarázható: 1 Egy állomás 300 km-es személygépkocsija és 45 kW / h töltési teljesítménye esetén ugyanazt a vezetési tartományt 3,6 kWh-kal lehet csökkenteni, az iparági szakértő számítása szerint, "100 kg / 100 kg, + 8% -os növekedés a vezetési tartományban." Az akkumulátor megtakarítási költsége körülbelül 0,6 millió jüan; 2 A 400 000 kilométeres vezetési ciklus átlagos élettartama és az áramköltség 0,9 jüan / kW · h. A teljes jármű villamosenergia-költsége 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 millió energiát takaríthat meg. 100 km 1,2kW · h villamos energiát takarít meg.) 3A szénszálas anyagok alkalmazása miatt, ahol példaként 50 000 jármű gyártási skáláját veszik figyelembe, a megtakarított beruházási beruházások és a berendezések beruházása az elektromos járművek gazdasági megfelelőjévé változik, és minden jármű Az amortizáció körülbelül 2000 jüant megtakarított; 4 mert a folyamat áramvonalas, személyi költségek legalább menteni 1000 jüan / Tajvan.

A fenti tételek összességében 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 millió jüan átlagos megtakarítást eredményeznek járműenként, de ezek a költségek nem elégségesek ahhoz, hogy ellensúlyozzák az anyag önköltségének növekedését a szénszálak bevezetése miatt. Látható, hogy még mindig vannak komoly problémák a szénszálas testek alkalmazásában. Ha könnyű testet szeretne előmozdítani, akkor csak a folyamat és a berendezés bemeneti mennyiségének csökkentéséből indulhat ki. A fenti tételek összességében 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 millió jüan átlagos megtakarítást eredményeznek járműenként, de ezek a költségek nem elégségesek ahhoz, hogy ellensúlyozzák az anyag önköltségének növekedését a szénszálak bevezetése miatt. Látható, hogy még mindig vannak komoly problémák a szénszálas testek alkalmazásában.

Ha könnyű testet szeretne előmozdítani, akkor csak a folyamat és a berendezés bemeneti mennyiségének csökkentéséből indulhat ki.

Ha az autó szénszálas testek tömegtermelését érte el, magának a szénszálas anyagnak a költsége is jelentősen csökken, az egész ágazat hatása meglehetősen nagy lesz, és a gazdasági előnyök is nyilvánvalóvá válnak. Ezek csak a szénszálas elemzés szempontjából tekinthetők meg, ha figyelembe vesszük az alumíniumötvözetből készült autók súlycsökkentő tényezőjét 50 kg-ban, ugyanezen okból pozitív verem, a gazdasági hatás nyilvánvaló.

5 A jármű testének fejlesztési trendjei

A szénszálas erősítésű kompozitok jellemzői miatt az autógyártók egyre inkább kedvelik ezt a fajta anyagot. Becslések szerint az autóiparban a szénszálak felhasználása átlagosan 34% -os éves ütemben növekszik, és 2020-ra elérheti a 23 000 tonnát. A 2. ábra a karosszériaszerkezetű szénszálas kompozitok fejlesztésének ütemtervet mutatja.

Jelenleg a szénszálas erősítésű kompozitok főként testpanelekhez, karosszériaelemekhez és szerkezeti elemekhez vannak alkalmazva. Például a BMW nagyszámú szénszálas kompozit anyagot használt különböző modellek kifejlesztésénél a testszerkezeti alkatrészek gyártásához. Ez egy fontos pillanat a szénszálas kompozit anyagok gépjárműgyártásban történő alkalmazásához. Ugyanakkor a BMW további együttműködést folytatott az SGL-vel Németországban, 100 millió eurót fektetett be az alacsony költségű szénszálak kutatásába és fejlesztésébe, és évi 3000 tonnáról 9000 tonnára emelte a szénszálas termelést, hogy megfeleljen a növekvő BMW i széria elektromos járművek és mások. Modellek iránti kereslet.

6. Következtetés

Összefoglalva, a szénszállal erősített gyanta mátrix kompozitok (CFRP) a jövőben fontos fejlesztési irányt jelentenek az új autóipari anyagok számára, egyedülálló teljesítményelőnyökkel. Ennek az anyagnak a használatát az autóipar területén azonban el kell indítania a termelés, a tanulás és a kutatás együttes kutatása és fejlesztése a következő szempontokból: (1) Az alacsonyabb költségű szénszálas prekurzorok további kutatására; (2) Új szénszálas gyártási folyamatok kifejlesztése, mint például a prekurzor anyagok stabilizálása. Technológia; 3 Optimalizálja a szénszálas gyártási folyamat paramétereit, vagy használjon nano-szénszálat a CFRP kompozit anyagok teljesítményének további javítására; 4 Gyors és hatékony CFRP alkatrészek fröccsöntési és gyártási technológiák kifejlesztése, mint például a gyors megszilárdulású öntési technológia és az összetett anyagáramlás-szabályozó technológia; 5 Használja a számítógépes szimulációs analízis technológiát (CAE) különböző szénszálas összetett anyagok kiválasztásához és optimalizálja a formázási folyamat paramétereit.