CFRP brukes til lett og økonomisk analyse av nye energikjøretøy

Karbonfiber er generelt kombinert med epoksyharpiks for å danne et komposittmateriale. Dette komposittmaterialet arver en rekke fordeler som høyere spesifikk styrke, spesifikk modul, tretthetsstyrke og støtmotstand av karbonfiber selv. Samtidig arver det epoksy. Harpiksformuleringen er fleksibel og allsidig, og applikasjonen er svært målrettet. Sammenlignet med aluminiumslegeringsstrukturelementer, kan vektreduserende effekten av karbonfiberkomposittmateriale nå 20% til 40%. Sammenlignet med stålmetallkomponenter, kan vektreduserende effekten av karbonfiberkomposittmateriale til og med nå 60% til 80%. Bruken av karbonfiberkomposittmaterialer Dette reduserer ikke bare den totale bilkvaliteten, men påvirker og endrer også bilproduksjonsprosessen til en viss grad.

1 Prosess Type

Karbonfiberforsterkede polymerer (CFRP) refererer til et kompositt av karbonfibre som en forsterkende fase og et termoplastisk eller termohærdende harpiksmateriale. Produksjonsteknologien av CFRP-komposittmaterialer omfatter i hovedsak prepregforming og væskeformingsprosesser. Sammenligning og analyse av prosesstyper av karbonfiberforsterket polymermatrikskompositter er vist i tabell 1.

2 Bilmontering og monteringsteknologi

Den kombinerte sammensetningen av komposittbiler og sammenhengen mellom komposittdeler og metalldeler er et uunngåelig problem. Komposittmaterialet er anisotropisk, med lav interlaminarstyrke og lav duktilitet, noe som gjør utformingen og analysen av leddene i komposittmaterialer mye mer kompleks enn metaller. Forbindelsen mellom tradisjonelle metalldeler i bilindustrien er ikke egnet for komposittmaterialer. Kobling er derfor avgjørende for å forstå og forbedre måten bildekomposittmaterialer er koblet til og fikser, og for å gjøre rimelige valg.

På grunn av kontinuiteten i fibrene brutt av åpningene, oppstår lokale spenningskonsentrasjoner. Leddene i komposittmaterialer er vanligvis den svakeste lenken i hele strukturen. Derfor er det viktig å sikre styrken av leddene i den strukturelle utformingen av komposittmaterialer. Komposittmaterialer er delt inn i tre hovedkategorier, nemlig limte forbindelser, mekaniske forbindelser og hybridforbindelser mellom de to. For termoplastiske kompositter er det sveiseteknikker. Konstruksjon av komposittmaterialetilkoblingsteknologi må bestemmes i henhold til de spesifikke bruksforholdene og designkravene til komponentene.

2.1 limet tilkobling

Sammenlignet med den mekaniske tilkoblingen er de viktigste fordelene ved bindingsteknologien spenningskonsentrasjon forårsaket av ingen åpninger, redusert strukturell kvalitet, tretthetsmotstand, gode vibrasjoner og isolasjonsegenskaper, glatt utseende, enkel limingsprosess og ingen elektrokemiske korrosjonsproblemer. Det er imidlertid noen mangler i bindingsteknologien, som vanskelig kontroll av bindekvalitet, relativt stor dispergerbarhet av bindestyrke, mangel på pålitelige kontrollmetoder og strenge krav til overflatebehandling og binding av bindingsflater. For karbonfiberkompositt kroppen er liming hovedforbindelsen.

2.2 Mekanisk tilkobling

Mekanisk tilkobling er vanligvis brukt nitter og bolter, er den mest brukte tilkoblingen. Hovedfordelen ved den mekaniske tilkoblingen er den høye påliteligheten til forbindelsen, som kan demonteres og monteres flere ganger under vedlikehold eller utskifting, ikke krever overflatebehandling og har en relativt liten innvirkning på miljøet. Den største ulempen ved mekaniske tilkoblinger er økning i masse, spenningskonsentrasjon og elektrokjemisk korrosjon av metaller og kompositter. Sammenligningen av nitteforbindelser og boltforbindelser er vist i figur 1.

2.3 Hybrid Tilkobling

For å forbedre sikkerheten og integriteten til forbindelsen, i noen viktige tilkoblingssteder, blir en hybridforbindelsesmetode for binding og mekanisk tilkobling vanligvis vedtatt samtidig, og fordelene ved de to tilkoblingsmetodene blir fullt utnyttet for å sikre at Tilkoblingsstedet har tilstrekkelig styrke og høy pålitelighet.

2.4 Sveising

Sveiseteknologi brukes hovedsakelig på termoplastiske komposittdeler. Det grunnleggende prinsippet er å varme harpiksen på overflaten av det smeltede termoplastiske komposittet, og deretter lap pressen for å gjøre det integrert. Sveising omfatter hovedsakelig ultralydsveising, elektrisk induksjons sveising og motstandssveising. Fordelene ved sveising er god tilkobling og kort syklus, ingen overflatebehandling, høy tilkoblingsstyrke, lav spenning, etc .; mangler er vanskelige å demontere og trenger å legge til ledende materialer eller metall ledninger. I tillegg kan metallkontakten under støpingen av komposittkonstruksjonselementet være innlagt i fiberpreformen, og komposittmaterialet og det metallbaserte elementet er integrert etter støpingen, og komposittdelene kan kobles gjennom det metallinnlagte element for å unngå Maskinering av skadekompositter.

3 Programfordeler for bilindustrien

Det er en rekke faktorer å vurdere når du velger bilmaterialer, for eksempel mekaniske egenskaper, lettvekt, materialstabilitet, materialdesignbarhet og bearbeidbarhet. Hver av disse faktorene vil ha en ubetydelig innvirkning på design, produksjon, salg og bruk av biler. I løpet av de senere årene har Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) blitt et nytt bilmateriale som tiltrekker seg oppmerksomheten på grunn av sine unike egenskaper. Sammenlignet med andre bilmaterialer har kullfiberforsterkede polymermatrikskompositter følgende fordeler.

3.1 Utmerket mekaniske egenskaper

Tettheten av karbonfiberforsterket harpiksmatrikskompositt (CFRP) for kjøretøy er 1,5 til 2 g / cm3, som bare er 1/4 til 1/5 av vanlig karbonstål, og er ca. 1/3 lettere enn aluminiumslegering, men karbonet fiberkomposittmateriale De omfattende mekaniske egenskapene er åpenbart bedre enn metallmaterialer, og strekkstyrken er 3 til 4 ganger så stor som stål. Utmattningsstyrken til stål og aluminium er 30% til 50% strekkfasthet, og CFRP kan nå 70% til 80%. Samtidig har CFRP også bedre vibrasjonsdempende egenskaper enn lette metaller, slik som lett legering krever 9s for å stoppe vibrasjon. Kullfiberkomposittmaterialet 2s kan stoppes og har høyere spesifikk styrke og spesifikk modul.

3.2 Designbar

Utformingen av karbonfiberkomposittmateriale er sterk, og matriksmaterialet kan være rimelig valgt i henhold til ytelseskravene, arrangementet av fibrene kan utformes og strukturen av komposittmaterialet og produktdesignen kan utføres fleksibelt. For eksempel, ved å anordne karbonfibrene i kraftens retning, kan anisotropien av styrken av komposittmaterialet utøves fullt, og derved oppnå formålet med materialbesparelse og kvalitetsreduksjon. For produkter som krever korrosjonsbestandighet, kan et grunnmateriale med god korrosjonsbestandighet brukes under design.

3.3 kan oppnå integrert produksjon

Modularisering og integrasjon er også trender i bilstrukturen. Når komposittmaterialet er dannet, er det enkelt å danne en buet overflate av forskjellige former for å oppnå integrert produksjon av bildeler og komponenter. Integrert støping kan ikke bare redusere antall deler og mugg, redusere antall komponenter og andre prosesser, men også forkorte produksjonssyklusen sterkt. Hvis forreste enhetsmodul i en bil er laget av karbonfiberkomposittmateriale, kan den bli integrert og integrert for å unngå lokal spenningskonsentrasjon forårsaket av påfølgende sveising og påfølgende bearbeiding av metalldeler, samtidig som produktnøyaktigheten reduseres og ytelsen forbedres. mens du reduserer auto deler. Kvalitet, redusere produksjonskostnader.

3.4 Energiabsorpsjon og støtmotstand

Kobberfiberforsterket harpiksmatrikskompositt (CFRP) har en viss grad av viskoelastisitet, og det er en liten lokal relativ bevegelse mellom karbonfiberen og matrisen, som kan generere grensefriksjon. Under den synergiske effekten av viskoelastisk og grensesnittfriksjon har CFRP-deler bedre energiabsorpsjon og slagfasthet. På den annen side krasjer det spesialabsorberte karbonfiberkompositten i små fragmenter i høyhastighets kollisjoner, absorberer mye støtkraft, og dens energiabsorpsjonskapasitet er 4 til 5 ganger høyere enn for metallmaterialer, som effektivt kan forbedre bilene. Sikkerhet, beskytte medlemmers sikkerhet.

3.5 God korrosjonsbestandighet

Kobberfiberforsterkede polymermatrikskompositter er hovedsakelig sammensatt av karbonfiber-tau og harpiksmaterialer, og har gode egenskaper for syre og alkali-resistens. Auto deler laget av dem trenger ingen overflate antiseptisk behandling, og deres værbestandighet og aldringsmotstand er gode. Deres levetid er bra. 2 til 3 ganger det av stål.

3,6 høy temperatur ytelse

Utførelsen av karbonfiber ved temperaturer under 400 ° C forblir svært stabil, og det er ingen signifikant forandring ved 1 000 ° C.

3.7 God tretthetsmotstand

Kobberfiberforsterket materiale har en inhiberende effekt på utmattelseskrekkutbredelsen på grunn av fiberen, og dens utmattelsesresistens kan nå 70% til 80%. Karbonfiberstrukturen er stabil. Etter tretthetstid for komposittmaterialet er det millioner av sykluser, styrkefastholdelsesraten. Det er fortsatt 60%, mens stål og aluminium er henholdsvis 40% og 30%, og glassfiber er bare 20% til 25%. Derfor er tretthetsmotstanden av karbonfiberkomposittene egnet for et bredt spekter av bruksområder i bilindustrien.

4 Økonomisk analyse for nye energikjøretøyer

På grunn av bruken av karbonfiber kan kroppen reduseres med mer enn 50%. Med et vekttap på 100 kg på et typisk A-klasse kjøretøy som et eksempel, er betydningen av lettvekt av kjøretøyet meget åpenbart. Det kan forklares av følgende aspekter: 1 For en stasjon For en personbil med 300 km og en ladingskapasitet på 45 kW · h, kan det samme kjørespekteret reduseres med 3,6 kW · h, beregnet av bransjens ekspert, "100 kg per 100 kg, pluss 8% økning i kjøreområdet." Batteribesparende kostnad er om lag 0,6 millioner yuan; 2 Gjennomsnittlig levetid for å kjøre 400 000 kilometer og strømkostnaden beregnes i henhold til 0,9 yuan / kW · h. Strømkostnaden for hele kjøretøyet kan spare 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 millioner. 100km sparer 1,2kW · h elektrisitet.) 3En grunn av bruken av karbonfibermaterialer, og tar produksjonskala på 50.000 biler som eksempel, blir investeringen i sparet prosessinvestering og utstyr konvertert til den økonomiske ekvivalenten til elektriske kjøretøy, og hvert kjøretøy er Amortisering lagret rundt 2000 yuan; 4 fordi prosessen er strømlinjeformet, personalkostnader minst spare 1000 yuan / Taiwan.

Ovennevnte poster utgjør en gjennomsnittlig besparelse på 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 millioner yuan per kjøretøy, men disse kostnadene er ikke tilstrekkelig til å kompensere for økningen i kostnaden av materialet selv på grunn av innføringen av karbonfiber. Det kan sees at det fortsatt er store problemer ved anvendelsen av karbonfiberlegemer. Hvis du ønsker å fremme lett kropp, kan du bare begynne å redusere inngangen til prosessen og utstyret. Ovennevnte poster utgjør en gjennomsnittlig besparelse på 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 millioner yuan per kjøretøy, men disse kostnadene er ikke tilstrekkelig til å kompensere for økningen i kostnaden av materialet selv på grunn av innføringen av karbonfiber. Det kan sees at det fortsatt er store problemer ved anvendelsen av karbonfiberlegemer.

Hvis du ønsker å fremme lett kropp, kan du bare begynne å redusere inngangen til prosessen og utstyret.

Hvis bilen oppnår masseproduksjon av karbonfiberlegemer, vil kostnaden for karbonfibermaterialet i seg selv også bli sterkt redusert, hele bransjens effekt vil være ganske stor, og de økonomiske fordelene vil også bli mer åpenbare. Disse er bare ut fra kullfiberanalysens perspektiv, hvis du vurderer bilens vektreduksjonsfaktor på 50 kg, av samme grunn positiv stabling, er den økonomiske effekten selvsagt.

5 Utviklingstendenser for kjøretøylegeme

Gitt egenskapene til karbonfiberforsterkede kompositter, blir denne typen materiale i stigende grad foretrukket av bilprodusenter. Det er anslått at i bilindustrien øker bruken av karbonfiber med en gjennomsnittlig årlig rate på 34% og vil nå 23.000 tonn i 2020. Figur 2 viser veikart for utvikling av karbonfiberforsterkede kompositter for karosseri.

For tiden brukes karbonfiberforsterkede kompositter hovedsakelig på kroppspaneler, kroppsrammer og strukturelle komponenter. For eksempel har BMW brukt et stort antall karbonfiberkomposittmaterialer i utviklingen av en rekke modeller for å produsere kroppsstrukturer. Dette har blitt et viktig øyeblikk for anvendelse av karbonfiberkomposittmaterialer i bilproduksjon. Samtidig har BMW samarbeidet videre med SGL i Tyskland og investert 100 millioner euro i forskning og utvikling av lavpris karbonfiber og øker kullfiberproduksjonen fra 3000 tonn per år til 9000 tonn for å møte den voksende BMW jeg -serier elbiler og andre. Etterspørsel etter modeller.

6 Konklusjon

Sammenfattende har karbonfiberforsterkede harpiksmatrikskompositter (CFRP) blitt en viktig utviklingsretning for nye bilmaterialer i fremtiden med sine unike ytelsesfordeler. For å fremme bruken av dette materialet i bilbransjen er det imidlertid nødvendig å starte samarbeidende forskning og utvikling av produksjon, læring og forskning fra følgende aspekter: (1) Videre søken etter billigere karbonfibreforløpere; (2) Utvikle nye produksjonsprosesser for karbonfiber, for eksempel stabilisering av forløpermaterialer. Teknologi; 3 Optimaliser karbonfiberproduksjonsprosessparametrene eller bruk nanokarbonfibre for ytterligere å forbedre ytelsen til CFRP-komposittmaterialer; 4 Utvikle raske og effektive CFRP-deler støping og produksjonsteknologi, for eksempel hurtigstøpingsteknologi og komposittmaterialestrømstyringsteknologi; 5 Bruk datasimuleringsanalyse teknologi (CAE) til å velge forskjellige karbonfiberkomposittmaterialer og optimalisere støpeprosessparametere.