Углеродное волокно обычно сочетается с эпоксидной смолой с образованием композитного материала. Этот композиционный материал наследует ряд преимуществ, таких как более высокая удельная прочность, удельный модуль, усталостная прочность и ударопрочность углеродного волокна. В то же время он наследует эпоксидную смолу. Конструкция композиции смолы является гибкой и разнообразной, и применение является высоконаправленным. По сравнению с конструкционными элементами из алюминиевого сплава композит из углеродного волокна может достичь эффекта снижения массы от 20% до 40%. По сравнению со стальными металлическими компонентами композит из углеродного волокна может уменьшить вес. Может даже достигать 60% до 80%. Использование композитных материалов из углеродного волокна не только снижает общее качество автомобиля, но также влияет и в какой-то степени изменяет процесс производства автомобилей.
1 Тип процесса
Углеродистые армированные полимеры (CFRP) относятся к композиту из углеродных волокон в качестве упрочняющей фазы и термопластичного или термореактивного полимерного материала. Технология изготовления композитного материала CFRP в основном включает формирование препрега и формирование жидкости. Процесс. Сравнительный анализ композитных типов композитных полимерных матриц с углеродным волокном показан в таблице 1.
2 Автомобильная сборка и сборка
Сборка составных автомобильных деталей и соединение между составными частями и металлическими деталями являются неизбежными проблемами. Композитный материал является анизотропным, с низкой межслойной прочностью и низкой пластичностью, что делает конструкцию составных деталей суставной. Анализ намного сложнее, чем металл, а связь между традиционными металлическими деталями в автомобильной промышленности не подходит для соединения композиционных материалов. Поэтому важно понимать и улучшать способы соединения и крепления автомобильных композиционных материалов.
Из-за непрерывности разрыва волокна, вызванного открытым отверстием, возникает локальная напряженная концентрация. Соединение композитного материала обычно является самым слабым звеном во всей конструкции, поэтому прочность соединения является ключом к конструктивной конструкции композитного материала. Режим соединения композитного материала в основном разделяется на Существуют три основные категории: склеенные соединения, механические соединения и гибридные соединения между ними. Для термопластичных композитов существуют также методы сварки. Разработка технологии составного соединения должна определяться на основе конкретного использования компонентов и требований к конструкции.
2.1 склеенное соединение
По сравнению с механическим соединением основными преимуществами технологии склеивания являются концентрация напряжений, вызванная отсутствием отверстий, пониженным качеством конструкции, усталостной прочностью, хорошими вибрационными и изоляционными свойствами, плавным внешним видом, простым процессом склеивания, отсутствием проблем с электрохимической коррозией и т. Д. Тем не менее, технология склеивания также имеет некоторые недостатки, такие как сложный контроль качества склеивания, относительно большая дисперсность прочности сцепления, отсутствие надежных методов контроля и строгие требования к процессу обработки поверхности и склеивания поверхности склеивания. Основной метод подключения.
2.2 Механическое соединение
Заклепки и болты обычно используются для механических соединений. Это наиболее распространенный тип соединения. Основным преимуществом механических соединений является высокая надежность соединения, которые могут быть разобраны и собраны повторно во время ремонта или замены и не требуют обработки поверхности. Малый и т. Д. Основным недостатком механического соединения является увеличение массы, концентрации напряжений и электрохимической коррозии, вызванных контактом между металлом и композитным материалом. Сравнение между заклепочным соединением и болтовым соединением показано на рисунке 1.
2.3 Гибридное соединение
В целях повышения безопасности и целостности соединения в некоторых важных местах соединения гибридное соединение склеенного соединения и механического соединения обычно принимается в то же время, чтобы в полной мере использовать преимущества двух режимов соединения, чтобы убедиться, что место соединения имеет достаточную прочность и высокую надежность.
2.4 Сварка
Сварочные технологии применяются к термопластичному композиционному элементу, его основной принцип заключается в том, что поверхность нагретого расплавленного композиционного материала термопластичной смолы, и нажав перекрытия, так как единое целое приварена связной основную ультразвуковую сварку, сварки, индукционные и контактную сваркой три вида . преимущество, так как сварка хорошие результаты соединения и короткий цикл, без обработки поверхности, высокая прочность склеивания, стресса и мал; недостаток легко разобрать необходимо добавить провод щего материала или металлической проволоки и т.д. Кроме того, в композитном материале конструктивного элемента формованной. процесс, может быть встроен в волокнистых заготовках в металлической детали соединения, после формирования композитного материала и металлического элемента как единое целого встроенного между композитными элементами может быть соединены с помощью металлического элемента вложенного, механического обработки для того, чтобы избежать повреждений композиционного материала.
3 преимущества для автомобильных применений
При выборе автомобильных материалов необходимо рассмотреть ряд факторов, такие как механические свойства, легкой, устойчивость материала, конструкция и технологичность материала и т.д. Каждый из этих факторов будет иметь на не-автомобильном дизайне, производство, продажи, использование и т.д. влияние пренебрежимо мало. в последние годы, Углепластики матричных композитов (углеродного волокна армированных полимеров, углепластика) с уникальными рабочими характеристиками, это стало популярным внимание автомобильный новый материал. по сравнению с другими материалами автомобильных, Углепластики был основан композитный материал имеет следующие преимущества.
Отличные механические свойства 3.1
Плотность автомобилей из углеродного волокна из полимера, армированного матричного композитного материала (углепластика) составляет 1,5 ~ 2 г / см3, только обычные углеродистой стали 1/4 до 1/5, примерно одна треть легче, чем алюминий, но композитный материал из углеродного волокна механические свойства значительно лучше, чем металлический материал, предел прочность при растяжении стало составляет от 3 до 4 раз усталостной прочности стали и алюминий составляет от 30% до 50% от предела прочности на разрыве, то углепластик может достигать от 70% до 80%. в то же время, углепластик также лучше, чем легкий металл, имеющий демпфирование вибрации характеристике, такие как легкие 9s сплава необходима остановить вибрацию, волокно углерода композитного материал, который останавливает 2s, высокую удельную прочность и удельный модуль упругости.
3,2 дизайн, хорошее
Композитный материал из углеродного волокна имеет прочную конструкцию и может разумно выбирать материал матрицы в соответствии с требованиями к характеристикам, проектировать расположение волокон и структуру композитного материала и гибко выполнять конструкцию изделия. Например, углеродные волокна могут быть расположены в направлении силы и могут быть полностью Анизотропию прочности композитного материала можно использовать для достижения цели экономии материала и снижения качества. Для продуктов, требующих коррозионной стойкости, базовый материал с хорошей коррозионной стойкостью может быть выбран во время проектирования.
3.3 может обеспечить интегрированное производство
Модулизация и интеграция также являются тенденциями в развитии автомобильных конструкций. Композиты легко формируются в изогнутые поверхности различной формы при формовании, что позволяет интегрировать производство изделий из автозапчастей. Интегрированное формование может не только уменьшить количество деталей и форм Количество компонентов и процесс сокращения соединений компонентов также могут значительно сократить производственный цикл. Например, если передний передний модуль автомобиля выполнен из композитного материала из углеродного волокна, он может быть выполнен за одно целое и интегрирован, избегая последующей частичной сварки и последующей обработки металлических деталей. Концентрация напряжения, обеспечивая точность продукта и улучшая производительность, снижает качество автозапчастей и снижает производственные затраты.
3.4. Энергопоглощение и сопротивление ударам
Композиты матричной смолы с углеродным волокном (CFRP) имеют определенную степень вязкоупругости, и существует небольшое локальное относительное движение между углеродным волокном и матрицей, которое может генерировать межфазное трение. При синергетическом действии вязкоупругости и межфазного трения части CFRP имеют Лучше поглощение энергии и ударопрочность. С другой стороны, поглощающая поглощающая способность поглощающей абсорбированную углеродсодержащую композицию из углеродного волокна фрагментируется на более мелкие куски в высокоскоростных столкновениях, поглощает большое количество энергии удара и обладает более высокой поглощающей способностью энергии, чем металлические материалы. 4-5 раз, может эффективно улучшить безопасность транспортных средств и обеспечить безопасность членов.
3.5 Хорошая коррозионная стойкость
Композиции из полимерной матрицы с углеродным волокном в основном состоят из углеродного волокна и смоляных материалов, обладают отличными свойствами для защиты от кислот и щелочей. Автозапчасти из них не нуждаются в поверхностной антисептической обработке, а устойчивость к атмосферным воздействиям и устойчивость к старению хороши. В 2 - 3 раза больше стали.
3.6 высокая температура
Производительность углеродного волокна ниже 400 ° C остается очень стабильной, и она не сильно изменяется при 1000 ° C.
3.7 Хорошая устойчивость к усталости
Усиленные углеродным волокном материалы оказывают ингибирующее влияние на распространение усталостной трещины из-за усталостной стойкости волокна до 70% до 80%. Структура углеродного волокна стабильна. После усталостного срока службы композитного материала составляет миллионы циклов, Есть еще 60%, а сталь и алюминий - 40% и 30% соответственно, а стекловолокно - только от 20% до 25%. Поэтому усталостная устойчивость композитов из углеродного волокна подходит для широкого спектра применений в автомобильной промышленности.
4 Экономический анализ для автомобилей с новой энергетикой
Из-за использования углеродного волокна вес кузова может быть уменьшен более чем на 50%. В качестве примера, потеря веса на 100 кг на типичном автомобиле класса А очень важна, поскольку значение веса легкого автомобиля очень очевидно. Это можно объяснить следующими аспектами: 1 Для одной станции Для легкового автомобиля грузоподъемностью 45 кВт · ч и грузоподъемностью 300 км он рассчитывается по мере увеличения пробега пробега в транспортном средстве примерно на 8% на 100 кг, а тот же диапазон движения может снизить потребление электроэнергии 3,6 кВт · ч. Стоимость батареи составляет около 0,6 млн. Юаней; 2 Жизненный цикл вождения 400 000 км, средняя стоимость электроэнергии рассчитывается в соответствии с 0,9 юаня / кВт • ч, весь жизненный цикл транспортного средства может сэкономить затраты на электроэнергию 400 000/100 * 1,2 * 0,9 = 0,432 млн. Юаней (согласно 100 км, чтобы экономить расчет электроэнергии на 1,2 кВт · ч); 3В случае применения материалов из углеродного волокна, например, с производственной массой 50 000 автомобилей, экономия инвестиций в процесс, инвестиции в оборудование преобразуются в экономичный эквивалент электромобилей, каждое транспортное средство Амортизация сэкономила около 2000 юаней, 4 из-за упрощения процесса, расходы на персонал, по крайней мере, сэкономили 1000 юаней / Тайвань.
Для вышеупомянутых пунктов средняя стоимость одного автомобиля может быть сохранена на 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 млн. Юаней, но этих затрат недостаточно, чтобы компенсировать увеличение стоимости самого материала из-за внедрения углеродного волокна. Это показывает, что углеродное волокно По-прежнему существует большая проблема в применении кузова. Если мы хотим продвигать легкий кузов, мы можем начать только с сокращения ввода процесса и оборудования. Вышеуказанные итоги, каждый автомобиль может сэкономить в среднем 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,332 Миллион юаней стоит, но этих затрат недостаточно, чтобы компенсировать увеличение стоимости самого материала, вызванного внедрением углеродного волокна. Можно видеть, что применение корпуса из углеродного волокна все еще имеет большую проблему.
Если вы хотите продвигать легкий корпус, вы можете начать только с сокращения инвестиций в процесс и оборудование.
Если массовое производство автомобилей из углеродного волокна, стоимость самого углеродного волокна сама по себе также будет значительно снижена, весь отраслевой эффект также будет довольно большим, экономические выгоды станут более очевидными. Они анализируются только с точки зрения углеродного волокна, если вы рассматриваете уменьшение кузовов алюминиевого сплава Фактор весом 50 кг накладывается по одной и той же причине, и экономический эффект является самоочевидным.
5 Тенденции развития кузова транспортного средства
Учитывая характеристики композитов, армированных углеродным волокном, этот тип материалов пользуется все большим преимуществом у автопроизводителей. По оценкам, в автомобильном секторе использование углеродного волокна растет в среднем на 34% в год и достигнет 23 000 тонн к 2020 году. 2 является дорожной картой для разработки композитов, армированных углеродным волокном, для кузовов автомобилей.
В настоящее время композиты, армированные углеродным волокном, в основном применяются к панелям кузова, плафонам и конструкционным деталям на автомобилях. Например, BMW использовал большое количество композитных материалов из углеродного волокна при разработке различных моделей для изготовления корпусных конструкций. Композиции из углеродного волокна используются в важные моменты в автомобилестроении. В то же время BMW и немецкая корпорация SGL также сотрудничают, чтобы инвестировать 100 миллионов евро в разработку недорогого углеродного волокна и увеличить производство углеродного волокна с 3000 тонн в год до 9000 тонн. Познакомьтесь с растущим спросом на электромобилях BMW i-series и других моделях.
6 Заключение
Таким образом, композиты на основе смолы с углеродным волокном (CFRP) стали важным направлением развития для будущих автомобильных новых материалов с его уникальными эксплуатационными преимуществами. Однако для содействия применению этого материала в области автомобилестроения также необходимо начинать со следующих аспектов: Проводить совместные НИОКР в области производства, исследований и исследований: 1 далее искать более дешевые прекурсоры углеродных волокон; 2 разрабатывать новые процессы для производства углеродных волокон, такие как стабилизация материалов-прекурсоров; 3 оптимизировать параметры процесса производства углеродного волокна или использовать нано-углеродные волокна для дальнейшего улучшения композитов из углепластика Производительность: 4 быстрое и эффективное развитие технологий производства формовочных изделий из углепластика, таких как технология быстрого формования затвердевания, технология управления потоком композитного материала и т. Д .; 5 с использованием технологии компьютерного моделирования (CAE) выбрали различные композиционные материалы из углеродного волокна и оптимизировали процесс формования параметры.