CFRP се използва за леки и икономически анализи на нови енергийни пътнически превозни средства

Въглеродните влакна обикновено се комбинират с епоксидна смола за образуване на композитен материал. Този композитен материал наследява редица предимства като по-висока специфична якост, специфичен модул, якост на умора и устойчивост на удар от самите въглеродни влакна. В същото време, той наследи епоксидни. Смолистият състав е гъвкав и универсален, а приложението му е силно целенасочено. В сравнение с структурните елементи от алуминиева сплав, ефектът от намаляване на теглото на композитните материали от въглеродни влакна може да достигне 20% до 40%. В сравнение с металните компоненти от стомана, ефектът от намаляване на теглото на композитните материали от въглеродни влакна може дори да достигне 60% до 80%. Използването на композитни материали от въглеродни влакна Това не само намалява цялостното качество на превозното средство, но и засяга и в известна степен променя процеса на производство на автомобили.

1 Тип процес

Подобрените полимерни въглеводородни влакна (CFRP) се отнасят до композит от въглеродни влакна като подсилваща фаза и термопластичен или термореактивен смолен материал. Производствената технология на CFRP композитните материали включва главно процеси на предварителна обработка и течно формоване. Сравнението и анализът на типовете процеси на композити от полимерна матрица, подсилени с въглеродни влакна, са показани в Таблица 1.

2 Автомобилно събрание и технологии за сглобяване

Комбинираният монтаж на композитни автомобилни части и връзката между композитни части и метални части е неизбежен проблем. Композитният материал е анизотропен, с ниска междупластична якост и ниска пластичност, което прави дизайна и анализа на фугите на композитните материали много по-сложни от металите. Връзката между традиционните метални части в автомобилната индустрия не е подходяща за композитни материали. Свързвайки, следователно, е от съществено значение да се разбере и подобри начина, по който са свързани и фиксирани автомобилните композитни материали и да се правят разумни решения.

Поради непрекъснатостта на разкъсваните от отворите влакна, се предизвикват локални стрес концентрации. Съединенията на композитни материали обикновено са най-слабата връзка в цялата структура. Ето защо е от решаващо значение да се осигури здравина на фугите в конструкцията на композитните материали. Композитните материали са разделени на три основни категории, а именно, залепени връзки, механични връзки и хибридни връзки между двете. За термопластичните композити има техники за заваряване. Проектирането на технологията за свързване на композитни материали трябва да се определи в зависимост от конкретните условия на употреба и изискванията за проектиране на компонентите.

2.1 залепена връзка

В сравнение с механичната връзка главните предимства на свързващата технология са концентрацията на напрежение, причинена от липса на отвори, намалено структурно качество, устойчивост на умора, добри вибрационни и изолационни свойства, гладък външен вид, прост процес на свързване и липса на електрохимични корозионни проблеми. Съществуват обаче някои недостатъци в свързващата технология, като трудно контролиране на качеството на свързване, относително голяма диспергируемост на свързващата сила, липса на надеждни методи за проверка и строги изисквания за повърхностна обработка и свързване на свързващи повърхности. За комбинираното тяло от въглеродни влакна свързването е основната връзка.

2.2 Механична връзка

Механичната връзка обикновено се използва като нитове и болтове, е най-често използваната връзка. Основното предимство на механичната връзка е високата надеждност на връзката, която може да се демонтира и монтира по време на поддръжката или подмяната, не изисква повърхностна обработка и има относително малко въздействие върху околната среда. Основният недостатък на механичните връзки е увеличаването на масата, концентрацията на натоварване и електрохимичната корозия на металите и композитите. Сравнението на връзките на нитове и болтови връзки е показано на фигура 1.

2.3 Хибридна връзка

За да се подобри безопасността и целостта на връзката, в някои важни места за свързване обикновено се използва метод на хибридно свързване на свързване и механично свързване едновременно и предимствата на двата метода на свързване са напълно използвани, за да се гарантира, че мястото на свързване има достатъчно якост и висока надеждност.

2.4 Заваряване

Технологията за заваряване се прилага основно за термопластични композитни части. Основният принцип е да се затопли смолата върху повърхността на разтопената термопластична композиция и след това да се притисне пресата, за да се интегрира. Заваряването включва предимно ултразвуково заваряване, електродвигателно заваряване и устойчиво заваряване. Предимствата на заваряването са добра връзка и кратък цикъл, без повърхностна обработка, висока здравина на връзката, ниско напрежение и др .; несъответствията са трудни за разглобяване и е необходимо да се добавят проводящи материали или метални проводници. Освен това, по време на формоването на композитния структурен елемент, металният съединител може да бъде вграден в преформата на влакната, а композитният материал и вграденият метал елемент са интегрирани след формоването и композитните части могат да бъдат свързани чрез метално вградения елемент за избягване на композити на механични повреди.

3 Предимства на приложението за автомобилостроенето

Съществуват редица фактори, които трябва да се имат предвид при избора на автомобилни материали, като механични свойства, леко тегло, стабилност на материала, възможност за проектиране на материалите и обработваемост. Всеки от тези фактори ще има незначително въздействие върху дизайна, производството, продажбите и използването на автомобили. През последните години усилваните полимерни въглеводородни влакна (CFRP) се превръщат в нов автомобилен материал, привличащ вниманието благодарение на неговите уникални характеристики. В сравнение с други автомобилни материали, композитите от полимерна матрица, подсилени с въглеродни влакна, имат следните предимства.

3.1 Отлични механични свойства

Плътността на композитните материали със смола (CFRP), подсилена с въглеродни влакна, е 1,5 до 2 g / cm3, което е едва 1/4 до 1/5 от обикновената въглеродна стомана и е около 1/3 по-лека от алуминиевата сплав, но въглеродът влакнести композитни материали Изчерпателните механични свойства очевидно са по-добри от металните материали и якостта на опън е 3 до 4 пъти по-голяма от тази на стоманата. Умората на стоманата и алуминия е 30% до 50% от якостта на опън, а CFRP може да достигне 70% до 80%. Същевременно CFRP има по-добри характеристики на потискане на вибрациите, отколкото леките метали, като например леката сплав изисква 9с, за да спрат вибрациите. Съставеният материал от въглеродни влакна 2s може да бъде спрян и има по-висока специфична якост и специфичен модул.

3.2 Определя се

Дизайнът на композитен материал от въглеродни влакна е силен и матричният материал може да бъде разработен по разумен начин в съответствие с изискванията за ефективност, подреждането на влакната може да бъде конструирано, а структурата на композитния материал и дизайна на продукта могат да бъдат изпълнени гъвкаво. Например, чрез подреждане на въглеродните влакна в посока на сила, анизотропията на якостта на композитния материал може да се упражнява изцяло, като по този начин се постига целта за спестяване на материали и намаляване на качеството. За продукти, които изискват устойчивост на корозия, може да се използва основен материал с добра корозионна устойчивост по време на проектирането.

3.3 може да постигне интегрирано производство

Модулизация и интеграция са също тенденции в автомобилната структура. Когато се формира композитният материал, лесно се формира извита повърхност от различни форми, за да се постигне интегрирано производство на автомобилни части и компоненти. Интегрираното формоване може не само да намали броя на частите и формите, да намали броя на компонентите и другите процеси, но и значително да съкрати производствения цикъл. Например, ако предният модул на автомобила е изработен от композитен материал от въглеродни влакна, той може да бъде интегрирано оформен и интегриран, за да се избегне локализираното напрежение, причинено от последващо заваряване и последваща обработка на метални части, като същевременно се намали точността на продукта и се подобри производителността като същевременно се намаляват авточастите. Качество, намаляване на производствените разходи.

3.4 Енергийна абсорбция и устойчивост на въздействие

Въглеродните влакна, усилени със смола матрични композити (CFRP) имат определена степен на вискоеластичност и има леко локално относително движение между въглеродните влакна и матрицата, което може да предизвика интерфейсно триене. Под синергетичния ефект на вискоеластичност и повърхностно триене CFRP части имат по-добра абсорбция на енергия и устойчивост на удар. От друга страна, специално погълнатата композиция от въглеродни влакна се разбива в малки фрагменти при високоскоростни сблъсъци, абсорбира голямо количество енергия на удара и капацитетът на поглъщане на енергия е 4 до 5 пъти по-висок от този на металните материали, което може ефективно подобряване на превозните средства. Сигурност, защита на безопасността на членовете.

3.5 Добра устойчивост на корозия

Усилените с въглеродни влакна полимерни матрични композити се състоят основно от влакна от въглеродни влакна и смолни материали и имат отлични киселинни и алкални съпротивления. Автомобилните части, изработени от тях, не се нуждаят от повърхностно антисептично третиране, а тяхната устойчивост на атмосферни влияния и устойчивост на стареене е добра. Техният живот е добър. 2 до 3 пъти повече от стоманата.

3.6 висока температура

Работата на въглеродните влакна при температури под 400 ° C остава много стабилна и няма значителна промяна на 1000 ° C.

3.7 Добра устойчивост на умора

Укрепените с въглеродни влакна материали имат инхибиращ ефект върху разпространението на пукнатините на умората, дължащи се на влакното, и неговата устойчивост на умора може да достигне 70% до 80%. Структурата на въглеродните влакна е стабилна. След жизнения цикъл на композитния материал има милиони цикли, неговата степен на задържане на сила Все още има 60%, докато стоманата и алуминият са съответно 40% и 30%, а фибростъклата е само 20% до 25%. Поради това устойчивостта на умора на композитните материали от въглеродни влакна е подходяща за широка гама от приложения в автомобилната индустрия.

4 Икономически анализ за нови енергийни пътнически превозни средства

Поради използването на въглеродни влакна тялото може да бъде намалено с повече от 50%. Като пример за загуба на тегло от 100 кг на типично превозно средство от клас А, значимостта на лекото тегло на автомобила е много очевидна. Това може да се обясни от следните аспекти: 1 За една станция За пътнически автомобили с 300 км и за зареждане от 45 kW · h, същият диапазон на движение може да бъде намален с 3,6 kW · h, изчислен от експерта в отрасъла, "100 кг на 100 кг, плюс 8% увеличение в шофирането." Икономията на батерията е около 0.6 милиона юана; 2 Средният жизнен цикъл на управление на 400 000 километра и разходите за електроенергия се изчисляват въз основа на 0,9 юана / kW · h. Разходите за електроенергия на цялото превозно средство могат да спестят 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 милиона. 100км спестява 1.2kW · h електроенергия.) 3Заради прилагането на материали от въглеродни влакна, като например производствената скала от 50 000 автомобила като пример, спестените инвестиционни процеси и инвестициите в оборудване се превръщат в икономически еквивалент на електрическите превозни средства и всяко превозно средство е Амортизацията спести около 2000 юана; 4, тъй като процесът е рационализиран, разходите за персонал най-малко спестяват 1000 юана / Тайван.

Посочените по-горе елементи се равняват на средни спестявания от 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 милиона юана на превозно средство, но тези разходи не са достатъчни, за да компенсират увеличаването на себестойността на самия материал поради въвеждането на въглеродни влакна. Може да се види, че все още има големи проблеми при прилагането на тела от въглеродни влакна. Ако искате да популяризирате леко тяло, можете да започнете от намаляване на входа на процеса и оборудването. Посочените по-горе елементи се равняват на средни спестявания от 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 милиона юана на превозно средство, но тези разходи не са достатъчни, за да компенсират увеличаването на себестойността на самия материал поради въвеждането на въглеродни влакна. Може да се види, че все още има големи проблеми при прилагането на тела от въглеродни влакна.

Ако искате да популяризирате леко тяло, можете да започнете от намаляване на входа на процеса и оборудването.

Ако автомобилът постигне масово производство на тела от въглеродни влакна, цената на самия материал от въглеродни влакна също ще бъде значително намалена, целият ефект на промишлеността ще бъде доста голям и икономическите ползи също ще станат по-очевидни. Това са само от гледна точка на анализа на въглеродните влакна, ако смятате, че коефициентът за намаляване на телесното тегло на автомобила с алуминиева сплав от 50 кг, според същата причина положителен стек, икономическият ефект е очевиден.

5 Тенденции за развитие на тялото на автомобила

Като се имат предвид характеристиките на композитните материали, подсилени с въглеродни влакна, този вид материал е все по-предпочитан от автомобилните производители. Смята се, че в автомобилния сектор употребата на въглеродни влакна нараства със среден годишен темп от 34% и ще достигне 23 000 тона до 2020 г. Фигура 2 показва пътната карта за разработването на композитни материали, армирани с въглеродни влакна за каросерията.

Понастоящем композитните материали, подсилени с въглеродни влакна, се прилагат главно за панели на каросерията, корпусни облицовки и структурни компоненти. Например, BMW използва голям брой композитни материали от въглеродни влакна в разработването на разнообразни модели за производство на конструктивни части на каросерията. Това се превърна във важен момент за прилагането на композитни материали от въглеродни влакна в производството на автомобили. В същото време BMW продължи да си сътрудничи с SGL в Германия, като инвестира 100 милиона евро в проучването и разработката на нискокалорични въглеродни влакна и увеличава производството на въглеродни влакна от 3000 тона годишно на 9000 тона, за да отговори на нарастващия BMW i серийни електрически превозни средства и други. Търсенето на модели.

6 Заключение

В обобщение, композитните материали със смола, усилени с въглеродни влакна (CFRP), се превърнаха в важна посока на развитие на новите автомобилни материали в бъдеще, с уникалните си предимства на производителността. Въпреки това, за да се насърчи използването на този материал в автомобилната сфера, е необходимо да се започне съвместно изследване и развитие на производството, обучението и научните изследвания от следните аспекти: (1) по-нататъшно търсене на по-евтини прекурсори от въглеродни влакна; (2) Разработване на нови производствени процеси на въглеродни влакна, като например стабилизиране на прекурсорните материали. Технология; 3 Оптимизирайте производствените параметри на въглеродните влакна или използвайте нано-въглеродни влакна, за да подобрите по-нататък работата на композитните материали от CFRP; 4 Разработване на бързи и ефективни технологии за формоване и производство на части от CFRP, като технология за бързо втвърдяване и технологии за контрол на потока композитни материали; 5 Използвайте технологията за анализ на компютърната симулация (CAE), за да изберете различни композитни материали от въглеродни влакна и да оптимизирате параметрите на процеса на формоване.