CFRP utilizzato per l'analisi leggera ed economica dei veicoli passeggeri di nuova energia

La fibra di carbonio è generalmente combinata con resina epossidica per formare un materiale composito. Questo materiale composito eredita una serie di vantaggi come resistenza specifica più elevata, modulo specifico, resistenza a fatica e resistenza agli urti della stessa fibra di carbonio. Allo stesso tempo, eredita la resina epossidica. La formulazione in resina è flessibile e versatile e la sua applicazione è altamente mirata. Rispetto agli elementi strutturali in lega di alluminio, l'effetto di riduzione del peso dei materiali compositi in fibra di carbonio può raggiungere dal 20% al 40%. Rispetto ai componenti metallici in acciaio, l'effetto di riduzione del peso dei materiali compositi in fibra di carbonio può raggiungere anche il 60% -80%. L'uso di materiali compositi in fibra di carbonio Questo non solo riduce la qualità complessiva del veicolo, ma influisce anche e modifica il processo di fabbricazione dell'automobile in una certa misura.

1 tipo di processo

I polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) si riferiscono a un composito di fibre di carbonio come fase di rinforzo e un materiale di resina termoplastica o termoindurente. La tecnologia di produzione dei materiali compositi CFRP comprende principalmente i processi di formatura prepreg e di formatura liquida. Il confronto e l'analisi dei tipi di processo di materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio sono riportati nella Tabella 1.

2 Tecnologia di assemblaggio e assemblaggio di componenti automobilistici

L'assemblaggio combinato di componenti automobilistici compositi e la connessione tra parti composite e parti metalliche è un problema inevitabile. Il materiale composito è anisotropico, con bassa resistenza interlaminare e bassa duttilità, rendendo la progettazione e l'analisi delle articolazioni di materiali compositi molto più complessa dei metalli. La connessione tra parti metalliche tradizionali nell'industria automobilistica non è adatta per materiali compositi. Connettersi, quindi, è fondamentale per capire e migliorare il modo in cui i materiali compositi automobilistici sono collegati e fissati, e per fare scelte ragionevoli.

A causa della continuità delle fibre rotte dalle aperture, si creano concentrazioni di stress locali. Le articolazioni di materiali compositi sono di solito l'anello più debole dell'intera struttura. Pertanto, è fondamentale garantire la resistenza delle articolazioni nella progettazione strutturale di materiali compositi. I materiali compositi sono suddivisi in tre categorie principali: connessioni incollate, connessioni meccaniche e connessioni ibride tra i due. Per i compositi termoplastici esistono tecniche di saldatura. Il design della tecnologia di connessione del materiale composito deve essere determinato in base alle condizioni d'uso specifiche e ai requisiti di progettazione dei componenti.

2.1 connessione incollata

Rispetto alla connessione meccanica, i principali vantaggi della tecnologia di incollaggio sono la concentrazione delle sollecitazioni causata da nessuna apertura, qualità strutturale ridotta, resistenza alla fatica, buone proprietà di isolamento e vibrazioni, aspetto liscio, semplice processo di incollaggio e nessun problema di corrosione elettrochimica. Tuttavia, ci sono alcune carenze nella tecnologia di incollaggio, come il difficile controllo della qualità dell'incollaggio, la dispersibilità relativamente grande della forza di adesione, la mancanza di metodi di ispezione affidabili e severi requisiti sul trattamento superficiale e l'incollaggio delle superfici di incollaggio. Per il corpo composito in fibra di carbonio, l'incollaggio è la connessione principale.

2.2 Collegamento meccanico

Collegamento meccanico è generalmente utilizzato rivetti e bulloni, è la connessione più comunemente utilizzata. Il vantaggio principale della connessione meccanica è l'elevata affidabilità della connessione, che può essere ripetutamente smontata e assemblata durante la manutenzione o la sostituzione, non richiede un trattamento superficiale e ha un impatto relativamente ridotto sull'ambiente. Lo svantaggio principale delle connessioni meccaniche è l'aumento di massa, la concentrazione di stress e la corrosione elettrochimica di metalli e materiali compositi. Il confronto delle connessioni dei rivetti e delle connessioni dei bulloni è mostrato in Figura 1.

2.3 Connessione ibrida

Al fine di migliorare la sicurezza e l'integrità della connessione, in alcuni siti di connessione importanti, un metodo di collegamento ibrido di collegamento e connessione meccanica viene di solito adottato contemporaneamente e i vantaggi dei due metodi di connessione sono pienamente utilizzati per garantire che il sito di connessione ha sufficiente forza e alta affidabilità.

2.4 Saldatura

La tecnologia di saldatura si applica principalmente alle parti in materiale composito termoplastico. Il principio di base è di riscaldare la resina sulla superficie del composito termoplastico fuso e quindi avvolgere la pressa per renderla integrata. La saldatura include principalmente saldatura ad ultrasuoni, saldatura ad induzione elettrica e saldatura a resistenza. I vantaggi della saldatura sono una buona connessione e ciclo breve, nessun trattamento superficiale, elevata resistenza di connessione, basso stress, ecc .; le inadeguatezze sono difficili da smontare e devono aggiungere materiali conduttivi o fili metallici. Inoltre, durante lo stampaggio dell'elemento strutturale composito, il connettore metallico può essere incorporato nella preforma della fibra, e il materiale composito e l'elemento metallico incorporato sono integrati dopo lo stampaggio e le parti composite possono essere collegate attraverso l'elemento metallico incorporato per evitare di danneggiare i compositi.

3 Vantaggi dell'applicazione per il settore automobilistico

Ci sono una serie di fattori da considerare nella scelta dei materiali automobilistici, come proprietà meccaniche, peso leggero, stabilità del materiale, designabilità del materiale e processabilità. Ciascuno di questi fattori avrà un impatto non trascurabile sul design, sulla produzione, sulle vendite e sull'uso delle automobili. Negli ultimi anni, i polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono diventati un nuovo materiale automobilistico che attira l'attenzione grazie alle sue caratteristiche uniche. Rispetto ad altri materiali automobilistici, i compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio hanno i seguenti vantaggi.

3.1 Eccellenti proprietà meccaniche

La densità di materiali compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) per veicoli è da 1,5 a 2 g / cm3, che è solo 1/4 a 1/5 del comune acciaio al carbonio, ed è circa 1/3 più leggera della lega di alluminio, ma il carbonio materiale composito in fibra Le proprietà meccaniche complete sono ovviamente migliori dei materiali metallici e la sua resistenza alla trazione è da 3 a 4 volte quella dell'acciaio. La resistenza alla fatica di acciaio e alluminio è compresa tra il 30% e il 50% della resistenza alla trazione e il CFRP può raggiungere il 70% -80%. Allo stesso tempo, CFRP ha anche migliori caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni rispetto ai metalli leggeri, come la lega leggera richiede 9 secondi per fermare le vibrazioni, Il materiale composito in fibra di carbonio 2 può essere fermato e ha una maggiore resistenza specifica e modulo specifico.

3.2 Progettabile

Il design del materiale composito in fibra di carbonio è forte e il materiale della matrice può essere ragionevolmente selezionato in base ai requisiti prestazionali, la disposizione delle fibre può essere progettata e la struttura del materiale composito e la progettazione del prodotto può essere effettuata in modo flessibile. Ad esempio, disponendo le fibre di carbonio nella direzione della forza, l'anisotropia della resistenza del materiale composito può essere pienamente esercitata, ottenendo in tal modo lo scopo di risparmiare materiale e riduzione della qualità. Per i prodotti che richiedono resistenza alla corrosione, durante la progettazione è possibile utilizzare un materiale di base con una buona resistenza alla corrosione.

3.3 può raggiungere la produzione integrata

Modularizzazione e integrazione sono anche tendenze nella struttura automobilistica. Quando si forma il materiale composito, è facile formare una superficie curva di varie forme per ottenere una produzione integrata di parti e componenti automobilistici. Lo stampaggio integrato può non solo ridurre il numero di parti e stampi, ridurre il numero di componenti e altri processi, ma anche abbreviare notevolmente il ciclo di produzione. Ad esempio, se il modulo front-end di un'automobile è realizzato in materiale composito in fibra di carbonio, può essere integrato e integrato per evitare concentrazioni di stress localizzate causate dalla successiva saldatura e successiva lavorazione di parti metalliche, riducendo al contempo l'accuratezza del prodotto e migliorando le prestazioni riducendo i ricambi auto. Qualità, riduzione dei costi di produzione.

3.4 Assorbimento di energia e resistenza all'impatto

I compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) hanno un certo grado di viscoelasticità e vi è un leggero movimento relativo locale tra la fibra di carbonio e la matrice, che può generare attrito interfacciale. Sotto l'effetto sinergico della viscoelasticità e dell'attrito interfacciale, le parti in CFRP hanno un migliore assorbimento di energia e resistenza agli urti. D'altra parte, il composito in fibra di carbonio appositamente assorbito si schianta in piccoli frammenti in collisioni ad alta velocità, assorbe una grande quantità di energia di impatto e la sua capacità di assorbimento di energia è da 4 a 5 volte superiore a quella dei materiali metallici, che possono efficacemente migliorare i veicoli. Sicurezza, tutela la sicurezza dei membri.

3.5 Buona resistenza alla corrosione

I materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio sono composti principalmente da materiali di traino e resina in fibra di carbonio e presentano eccellenti proprietà di resistenza agli acidi e agli alcali. Le parti automatiche realizzate non necessitano di trattamento antisettico superficiale, e la loro resistenza agli agenti atmosferici e resistenza all'invecchiamento sono buone. La loro vita di servizio è buona. Da 2 a 3 volte quella dell'acciaio.

3,6 prestazioni ad alta temperatura

Le prestazioni della fibra di carbonio a temperature inferiori a 400 ° C rimangono molto stabili e non vi è alcun cambiamento significativo a 1 000 ° C.

3.7 Buona resistenza a fatica

I materiali rinforzati con fibra di carbonio hanno un effetto inibitorio sulla propagazione della cricca da fatica dovuta alla fibra e la sua resistenza alla fatica può raggiungere il 70% -80%. La struttura della fibra di carbonio è stabile. Dopo che la vita a fatica del materiale composito è di milioni di cicli, il suo tasso di ritenzione della forza è ancora del 60%, mentre l'acciaio e l'alluminio sono il 40% e il 30%, rispettivamente, e la fibra di vetro è solo dal 20% al 25%. Pertanto, la resistenza a fatica dei materiali compositi in fibra di carbonio è adatta per una vasta gamma di applicazioni nell'industria automobilistica.

4 Analisi economica per i veicoli passeggeri di nuova energia

A causa dell'uso della fibra di carbonio, il corpo può essere ridotto di oltre il 50%. Prendendo come esempio la perdita di peso di 100 kg su un tipico veicolo di classe A, l'importanza dell'illuminazione del veicolo è molto evidente. Può essere spiegato dai seguenti aspetti: 1 Per una stazione Per un'autovettura con 300 km e una capacità di carico di 45 kW · h, lo stesso campo di guida può essere ridotto di 3,6 kW · h, come calcolato dall'esperto del settore, "100 kg per 100 kg, più l'8% di aumento del campo di guida." Il costo di risparmio della batteria è di circa 0,6 milioni di yuan; 2 Il ciclo di vita medio della guida di 400.000 chilometri e il costo dell'elettricità sono calcolati in base a 0,9 yuan / kW · h. Il costo dell'elettricità dell'intero veicolo può far risparmiare 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 milioni. 100 km risparmiano 1.2kW · h di energia elettrica.) 3Per l'applicazione dei materiali in fibra di carbonio, prendendo come esempio la scala di produzione di 50.000 veicoli, gli investimenti in processo e gli investimenti in attrezzature vengono convertiti nell'equivalente economico dei veicoli elettrici, e ogni veicolo è L'ammortamento ha risparmiato circa 2.000 yuan; 4 perché il processo è semplificato, il costo del personale risparmi almeno 1.000 yuan / Taiwan.

I suddetti articoli si traducono in un risparmio medio di 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milioni di yuan per veicolo, ma questi costi non sono sufficienti a compensare l'aumento del costo del materiale stesso dovuto all'introduzione della fibra di carbonio. Si può vedere che ci sono ancora grossi problemi nell'applicazione di corpi in fibra di carbonio. Se si desidera promuovere un corpo leggero, è possibile iniziare solo dalla riduzione dell'input del processo e delle attrezzature. I suddetti articoli si traducono in un risparmio medio di 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 milioni di yuan per veicolo, ma questi costi non sono sufficienti a compensare l'aumento del costo del materiale stesso dovuto all'introduzione della fibra di carbonio. Si può vedere che ci sono ancora grossi problemi nell'applicazione di corpi in fibra di carbonio.

Se si desidera promuovere un corpo leggero, è possibile iniziare solo dalla riduzione dell'input del processo e delle attrezzature.

Se l'auto raggiunge la produzione di massa di corpi in fibra di carbonio, anche il costo del materiale in fibra di carbonio sarà notevolmente ridotto, l'intero effetto del settore sarà piuttosto ampio e anche i vantaggi economici diventeranno più evidenti. Questi sono solo dal punto di vista dell'analisi della fibra di carbonio, se si considera il fattore di riduzione del peso corporeo in lega di alluminio di 50 kg, secondo lo stesso motivo di stack positivo, l'effetto economico è evidente.

5 Tendenze di sviluppo per il corpo del veicolo

Date le caratteristiche dei materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio, questo tipo di materiale è sempre più favorito dai produttori automobilistici. Si stima che nel settore automobilistico l'uso della fibra di carbonio stia crescendo a un tasso medio annuo del 34% e raggiungerà le 23.000 tonnellate entro il 2020. La figura 2 mostra la tabella di marcia per lo sviluppo di materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio per carrozzeria.

Allo stato attuale, i compositi rinforzati con fibra di carbonio sono applicati principalmente a pannelli di carrozzeria, rivestimenti per il corpo e componenti strutturali. Ad esempio, BMW ha utilizzato un gran numero di materiali compositi in fibra di carbonio nello sviluppo di una varietà di modelli per la fabbricazione di parti strutturali del corpo. Questo è diventato un momento importante per l'applicazione di materiali compositi in fibra di carbonio nella produzione automobilistica. Allo stesso tempo, BMW ha inoltre collaborato con SGL in Germania, investendo 100 milioni di euro nella ricerca e nello sviluppo di fibra di carbonio a basso costo e aumentando la produzione di fibra di carbonio da 3.000 tonnellate all'anno a 9.000 tonnellate per soddisfare la crescente BMW i veicoli elettrici di serie e altri. Richiesta di modelli.

6. Conclusione

In sintesi, i compositi a matrice di resina rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono diventati in futuro un'importante direzione di sviluppo per i nuovi materiali automobilistici, con i suoi esclusivi vantaggi prestazionali. Tuttavia, al fine di promuovere l'uso di questo materiale nel settore automobilistico, è necessario iniziare la ricerca collaborativa e lo sviluppo della produzione, dell'apprendimento e della ricerca dai seguenti aspetti: (1) Ulteriore ricerca di precursori in fibra di carbonio a basso costo; (2) Sviluppare nuovi processi di produzione in fibra di carbonio, come la stabilizzazione dei materiali precursori. Tecnologia; 3 Ottimizzare i parametri del processo di produzione della fibra di carbonio o utilizzare la fibra di nano-carbonio per migliorare ulteriormente le prestazioni dei materiali compositi CFRP; 4 Sviluppare tecnologie di stampaggio e produzione di parti in CFRP rapide ed efficaci, come la tecnologia di modellamento rapido della solidificazione e la tecnologia di controllo del flusso dei materiali compositi; 5 Utilizzare la tecnologia di analisi di simulazione computerizzata (CAE) per selezionare diversi materiali compositi in fibra di carbonio e ottimizzare i parametri del processo di stampaggio.