CFRP slouží pro lehkou a ekonomickou analýzu nových osobních vozidel

Uhlíkové vlákno je obecně kombinováno s epoxidovou pryskyřicí, která tvoří kompozitní materiál. Tento kompozitní materiál dědí řadu výhod, jako je vyšší specifická pevnost, specifický modul, odolnost proti únavě a odolnost proti nárazům samotného uhlíkového vlákna. Současně dědí epoxid. Pryskyřice je flexibilní a všestranná a její aplikace je vysoce cílená. Ve srovnání s konstrukčními prvky z hliníkových slitin může účinek snižování hmotnosti kompozitních materiálů z uhlíkových vláken dosáhnout 20% až 40%. Ve srovnání s ocelovými kovovými součástmi může účinek snižování hmotnosti kompozitních materiálů z uhlíkových vláken dokonce dosáhnout 60% až 80%. Používání kompozitních materiálů z uhlíkových vláken To nejenže snižuje celkovou kvalitu vozidel, ale také ovlivňuje a mění výrobní proces automobilů do určité míry.

1 Typ procesu

Upevněné polymery z uhlíkových vláken (CFRP) označují kompozitní uhlíková vlákna jako výztužnou fázi a termoplastický nebo termosetový pryskyřičný materiál. Technologie výroby kompozitních materiálů CFRP zahrnuje především procesy předběžného tváření a kapaliny. Srovnání a analýza typů procesů kompozitů polymerní matrice vyztužených uhlíkovými vlákny je uvedeno v tabulce 1.

2 Automobilová montáž a montážní technologie

Kombinovaná montáž kompozitních automobilových dílů a spojení mezi kompozitními částmi a kovovými díly je nevyhnutelným problémem. Kompozitní materiál je anizotropní, s nízkou mezilaboratorní pevností a nízkou tažností, takže návrh a analýza spojů kompozitních materiálů je mnohem složitější než kovy. Spojení mezi tradičními kovovými součástmi v automobilovém průmyslu není vhodné pro kompozitní materiály. Připojením je proto důležité pochopit a zlepšit způsob, jakým jsou spojovací a fixní materiály automobilového průmyslu spojeny a pečlivě vybírány.

Vzhledem k kontinuitě vláken rozbitých otvory jsou způsobeny lokální namáhání. Klouby kompozitních materiálů jsou obvykle nejslabším článkem v celé struktuře. Proto je důležité zajistit pevnost spojů v konstrukčním provedení kompozitních materiálů. Kompozitní materiály jsou rozděleny do tří hlavních kategorií, jmenovitě na lepená spojení, mechanická spojení a hybridní spojení mezi oběma. U termoplastických kompozitů existují techniky svařování. Propojení konstrukčních materiálů s kompozitními materiály musí být stanoveno podle konkrétních podmínek použití a konstrukčních požadavků komponent.

2.1 lepené spojení

Ve srovnání s mechanickým spojením jsou hlavními výhodami spojovací techniky koncentrace napětí, která není způsobena otvory, sníženou strukturální kvalitou, odolností proti únavě, dobrými vibracemi a izolačními vlastnostmi, hladkým vzhledem, jednoduchým lepením a elektrochemickými problémy s korozí. Existují však určité nedostatky v technologii spojování, jako je obtížná kontrola kvality lepení, poměrně velká dispergovatelnost vazebné pevnosti, nedostatek spolehlivých metod kontroly a přísné požadavky na povrchovou úpravu a lepení lepených povrchů. U kompozitního karbonu z uhlíkových vláken je hlavním spojením lepení.

2.2 Mechanické připojení

Mechanickým spojením se obvykle používají nýty a šrouby, což je nejčastěji používané spojení. Hlavní výhodou mechanického připojení je vysoká spolehlivost spojení, kterou je možné opakovaně demontovat a namontovat během údržby nebo výměny, nevyžaduje povrchovou úpravu a má relativně malý dopad na životní prostředí. Hlavní nevýhodou mechanických spojů je zvýšení hmotnosti, koncentrace napětí a elektrochemická koroze kovů a kompozitů. Porovnání připojení nýtů a šroubových spojů je znázorněno na obrázku 1.

2.3 Hybridní připojení

Aby se zlepšila bezpečnost a integrita spojení, v některých důležitých místech připojení je obvykle přijata hybridní způsob připojení lepení a mechanického připojení a výhody obou způsobů připojení jsou plně využity, aby se zajistilo, že připojení má dostatečnou pevnost a vysokou spolehlivost.

2.4 Svařování

Technologie svařování se používá především pro termoplastické kompozitní díly. Základním principem je vytápění pryskyřice na povrchu roztaveného termoplastického kompozitu a poté lisování lisu, aby se integroval. Svařování zahrnuje především ultrazvukové svařování, elektrické indukční svařování a odporové svařování. Výhody svařování jsou dobré spojení a krátký cyklus, povrchová úprava, vysoká pevnost spojení, nízké napětí, atd .; nedostatky jsou obtížně rozebíratelné a je třeba přidat vodivé materiály nebo kovové dráty. Navíc při tvarování kompozitního konstrukčního prvku může být kovový konektor vložen do předlisku vláken a kompozitní materiál a kovový vložený člen jsou integrovány po tvarování a kompozitní díly mohou být připojeny přes kovový vložený člen aby se zabránilo poškození kompozitů při obrábění.

3 Výhody aplikace pro automobilový průmysl

Existuje řada faktorů, které je třeba vzít v úvahu při výběru automobilových materiálů, jako jsou mechanické vlastnosti, nízká hmotnost, stabilita materiálu, určitelnost materiálu a zpracovatelnost. Každý z těchto faktorů bude mít nezanedbatelný vliv na návrh, výrobu, prodej a používání automobilů. V posledních letech se karbonové vyztužené polymery (CFRP) staly novým automobilovým materiálem, který přitahuje pozornost díky svým jedinečným výkonovým charakteristikám. Ve srovnání s jinými automobilovými materiály mají kompozity z polymerových matric vyztužených uhlíkovými vlákny následující výhody.

3.1 Vynikající mechanické vlastnosti

Hustota karboxylových kompozitů (CFRP) vyztužených uhlíkovými vlákny je 1,5 až 2 g / cm3, což je pouze 1/4 až 1/5 běžné uhlíkové oceli a je o 1/3 lehčí než hliníková slitina, ale uhlík vláknový kompozitní materiál Komplexní mechanické vlastnosti jsou zjevně lepší než kovové materiály a jeho pevnost v tahu je 3 až 4x větší než u oceli. Únosnost oceli a hliníku je 30% až 50% pevnosti v tahu a CFRP může dosáhnout 70% až 80%. Současně CFRP má také lepší charakteristiky tlumení vibrací než lehké kovy, jako je lehká slitina, potřebuje 9s k zastavení vibrací. Kompozitní materiál z uhlíkových vláken 2s může být zastaven a má vyšší specifickou pevnost a specifický modul.

3.2 Určeno

Konstrukce kompozitního materiálu z uhlíkových vláken je silná a matricový materiál může být rozumně vybrán podle výkonnostních požadavků, uspořádání vláken může být navrženo a struktura kompozitního materiálu a konstrukce výrobku může být provedena pružně. Například uspořádáním uhlíkových vláken ve směru síly může být anizotropie pevnosti kompozitního materiálu plně vynaložena, čímž se dosáhne účelu úspor materiálu a snížení kvality. U výrobků, které vyžadují odolnost proti korozi, lze během konstrukce použít základní materiál s dobrou odolností proti korozi.

3.3 může dosáhnout integrované výroby

Modularizace a integrace jsou také trendy v automobilové struktuře. Při vytváření kompozitního materiálu je snadné vytvořit zakřivený povrch různých tvarů pro dosažení integrované výroby automobilových dílů a součástí. Integrované tvarování může nejen snížit počet dílů a forem, snížit počet součástí a další procesy, ale také výrazně zkrátit výrobní cyklus. Pokud je například přední modul automobilu vyroben z kompozitního materiálu z uhlíkových vláken, může být integrálně tvořen a integrován, aby se zabránilo lokalizované koncentraci napětí způsobené následným svařováním a následným zpracováním kovových dílů, při současném snížení přesnosti výrobku a zlepšení výkonu při současném snížení počtu dílů. Kvalita, snížení výrobních nákladů.

3.4 Absorpce energie a odolnost proti nárazu

Kompozity z pryskyřicové matrice vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) mají určitý stupeň viskoelasticity a mezi uhlíkovým vláknem a matricí existuje mírný lokální relativní pohyb, který může vyvolat mezifázové tření. Pod synergickým účinkem viskoelasticity a mezifázového tření mají části CFRP lepší absorpci energie a odolnost proti nárazu. Na druhou stranu se zvlášť absorbovaný kompozit uhlíkových vláken narazí na malé úlomky při vysokých rychlých srážkách, absorbuje velké množství nárazové energie a jeho absorpční kapacita energie je 4 až 5krát vyšší než u kovových materiálů, což může účinně zlepšení vozidel. Bezpečnost, chrání bezpečnost členů.

3.5 Dobrá odolnost proti korozi

Polymerní matricové kompozity zpevněné uhlíkovými vlákny se skládají převážně z koudel z uhlíkových vláken a pryskyřicových materiálů a mají vynikající odolnost vůči kyselinám a zásadám. Auto díly z nich nevyžadují žádné povrchové antiseptické ošetření a jejich odolnost proti povětrnostním vlivům a stárnutí jsou dobré. Jejich životnost je dobrá. 2 až 3 krát větší než u oceli.

3.6 vysoký teplotní výkon

Výkon uhlíkových vláken při teplotách pod 400 ° C zůstává velmi stabilní a nedochází k významné změně při 1000 ° C.

3.7 Dobrá odolnost proti únavě

Materiály vyztužené uhlíkovými vlákny mají inhibiční účinek na šíření únavových trhlin v důsledku vlákna a jeho únavová odolnost může dosáhnout 70% až 80%. Struktura uhlíkových vláken je stabilní. Po únavové životnosti kompozitního materiálu jsou miliony cyklů, jeho míra zadržení síly Stále je 60%, zatímco ocel a hliník jsou 40% a 30% a sklolaminát je jen 20% až 25%. Proto je odolnost kompozitů z uhlíkových vláken proti únavě vhodná pro širokou škálu aplikací v automobilovém průmyslu.

4 Ekonomická analýza nových osobních vozidel pro energetiku

Díky použití uhlíkových vláken může být tělo sníženo o více než 50%. Vezmeme-li jako příklad úbytek hmotnosti o hmotnosti 100 kg na typickém vozidle třídy A, je velmi zřejmý význam lehkého zatížení vozidla. To lze vysvětlit z následujících hledisek: 1 Pro jednu stanici Pro osobní vozidlo s 300 km a nabíjecí schopností 45 kW · h může být stejný řidičský rozsah snížen o 3,6 kW · h, "100 kg na 100 kg plus zvýšení o 8% v jízdním řádu." Úspora nákladů na baterii je asi 0,6 milionu juanů; 2 Průměrný životní cyklus jízdy 400 000 kilometrů a náklady na elektřinu jsou vypočteny podle 0,9 juanů / kW · h. Cena elektřiny celého vozidla může ušetřit 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 milionu. 100 km šetří energii 1,2 kW • h.) 3Pro použití materiálů z uhlíkových vláken, vezmeme-li jako příklad výrobní měřítko 50 000 vozidel, jsou ušetřené investice do procesu a investice do zařízení převedeny na ekonomický ekvivalent elektrických vozidel a každé vozidlo je Amortizace ušetřila asi 2000 juanů; 4, protože proces je zefektivněn, osobní náklady alespoň ušetřit 1000 juanů / Tchaj-wan.

Výše uvedené položky dosahují průměrných úspor 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milionu jüanu na vozidlo, avšak tyto náklady nejsou dostatečné k vyrovnání nárůstu nákladů na materiál samotný kvůli zavedení uhlíkových vláken. Je zřejmé, že při používání těl uhlíkových vláken stále existují velké problémy. Chcete-li podporovat lehké tělo, můžete začít pouze snižováním vstupů procesu a zařízení. Výše uvedené položky dosahují průměrných úspor 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milionu jüanu na vozidlo, avšak tyto náklady nejsou dostatečné k vyrovnání nárůstu nákladů na materiál samotný kvůli zavedení uhlíkových vláken. Je zřejmé, že při používání těl uhlíkových vláken stále existují velké problémy.

Chcete-li podporovat lehké tělo, můžete začít pouze snižováním vstupů procesu a zařízení.

Pokud auto dosáhne hromadné výroby karbonů z uhlíkových vláken, náklady na samotný materiál z uhlíkových vláken se rovněž výrazně sníží, celkový efekt průmyslu bude poměrně velký a ekonomické přínosy se stanou také zřetelnějšími. Jedná se pouze z hlediska analýzy uhlíkových vláken, pokud považujete faktor snižování hmotnosti těla z hliníkové slitiny 50 kg, ze stejného důvodu pozitivní zásobník je ekonomický efekt samozřejmý.

5 Trendy vývoje karoserie vozidla

Vzhledem k charakteristikám kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny je tento typ materiálu stále více zvýhodňován výrobci automobilů. Odhaduje se, že v automobilovém průmyslu roste průměrné roční využití uhlíkových vláken o 34% a do roku 2020 dosáhne 23 000 tun. Na obr. 2 je uveden plán pro vývoj kompozitů vyztužených karbonovými vlákny pro karoserie.

V současné době jsou kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny aplikovány hlavně na panely karoserie, karoserie a konstrukční prvky. Například BMW použilo velké množství uhlíkových kompozitních materiálů při vývoji různých modelů pro výrobu konstrukčních dílů karoserie. To se stalo důležitým momentem pro aplikaci kompozitních materiálů z uhlíkových vláken v automobilovém průmyslu. Současně společnost BMW dále spolupracovala se společností SGL v Německu, investovala 100 milionů eur do výzkumu a vývoje nízkonákladových uhlíkových vláken a zvýšila výrobu uhlíkových vláken z 3 000 tun ročně na 9 000 tun, aby splnila rostoucí požadavky BMW i sériové elektrické vozy a další. Poptávka po modelech.

6 Závěr

Stručně řečeno, kompozity z matricových pryskyřic zpevněné uhlíkovými vlákny (CFRP) se v budoucnu staly důležitým směrem vývoje nových automobilových materiálů s jedinečnými výkonnostními výhodami. Avšak za účelem podpory používání tohoto materiálu v automobilovém průmyslu je zapotřebí zahájit společný výzkum a vývoj v oblasti výroby, učení a výzkumu z následujících hledisek: (1) další hledání cenově výhodnějších prekurzorů uhlíkových vláken; (2) Vyvíjet nové výrobní procesy z uhlíkových vláken, jako je stabilizace prekurzorových materiálů. Technika; 3 Optimalizovat parametry procesu výroby uhlíkových vláken nebo použít nano-uhlíkové vlákno k dalšímu zlepšení výkonu kompozitních materiálů CFRP; 4 Vyvinout rychlé a efektivní formování a výrobní technologie součástek CFRP, jako je technologie rychlého ztuhnutí tváření a technologie řízení průtoku kompozitních materiálů; 5 Použijte výpočetní simulační analýzu (CAE) pro výběr různých kompozitních materiálů z uhlíkových vláken a optimalizujte parametry formovacího procesu.