CFRP gebruikt voor lichtgewicht en economische analyse van nieuwe energiepassagiersvoertuigen

Koolstofvezel wordt meestal gecombineerd met epoxyhars om een samengesteld materiaal te vormen. Dit composietmateriaal erft een reeks voordelen zoals hogere specifieke sterkte, specifieke modulus, vermoeidheidssterkte en schokbestendigheid van koolstofvezel zelf. Tegelijkertijd neemt het epoxy over. De harsformulering is flexibel en veelzijdig en de toepassing ervan is zeer gericht. Vergeleken met structurele delen van aluminiumlegeringen kan het gewichtsverminderende effect van koolstofvezelcomposietmaterialen 20% tot 40% bereiken. In vergelijking met stalen metalen onderdelen kan het gewichtsverminderende effect van koolstofvezelcomposietmaterialen zelfs 60% tot 80% bedragen. Het gebruik van koolstofvezelcomposietmaterialen Dit vermindert niet alleen de algehele kwaliteit van het voertuig, maar beïnvloedt en verandert ook het autoproductieproces tot op zekere hoogte.

1 Procestype

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) verwijst naar een composiet van koolstofvezels als een versterkende fase en een thermoplastisch of thermohardend harsmateriaal. De fabricagetechnologie van CFRP-composietmaterialen omvat hoofdzakelijk prepreg-vormende en vloeistofvormende processen. De vergelijking en analyse van de procestypes van met koolstofvezel versterkte polymeermatrixcomposieten worden getoond in Tabel 1.

2 Assemblage- en assemblagetechnologie voor auto's

De gecombineerde assemblage van samengestelde auto-onderdelen en de verbinding tussen composietonderdelen en metalen onderdelen is een onvermijdelijk probleem. Het composietmateriaal is anisotroop, met lage interlaminaire sterkte en lage ductiliteit, waardoor het ontwerp en de analyse van de verbindingen van composietmaterialen veel complexer zijn dan metalen. De verbinding tussen traditionele metalen onderdelen in de auto-industrie is niet geschikt voor composietmaterialen. Verbinden is daarom cruciaal om de manier waarop automotive composietmaterialen zijn verbonden en gefixeerd te begrijpen en te verbeteren en om redelijke keuzes te maken.

Vanwege de continuïteit van de vezels die door de openingen worden gebroken, worden plaatselijke spanningsconcentraties veroorzaakt. De verbindingen van composietmaterialen zijn meestal de zwakste schakel in de hele structuur. Daarom is het van cruciaal belang om de sterkte van de verbindingen in het structurele ontwerp van composietmaterialen te waarborgen. Composietmaterialen zijn onderverdeeld in drie hoofdcategorieën, namelijk gelijmde verbindingen, mechanische verbindingen en hybride verbindingen tussen de twee. Voor thermoplastische composieten zijn er lastechnieken. Het ontwerp van de verbindingstechnologie voor composietmateriaal moet worden bepaald aan de hand van de specifieke gebruiksomstandigheden en ontwerpvereisten van de componenten.

2.1 gelijmde verbinding

Vergeleken met de mechanische verbinding, zijn de belangrijkste voordelen van de verbindingstechnologie de spanningsconcentratie veroorzaakt door geen openingen, verminderde structurele kwaliteit, weerstand tegen vermoeiing, goede vibratie- en isolatie-eigenschappen, glad uiterlijk, eenvoudig verbindingsproces en geen elektrochemische corrosieproblemen. Er zijn echter enkele tekortkomingen in de verbindingstechnologie, zoals een moeilijke regeling van de bindingskwaliteit, relatief grote dispergeerbaarheid van bindingssterkte, gebrek aan betrouwbare inspectiemethoden en strikte vereisten voor oppervlaktebehandeling en hechting van bindingsoppervlakken. Voor een koolstofvezelcomposietlichaam is verlijming de belangrijkste verbinding.

2.2 Mechanische verbinding

Mechanische verbinding wordt meestal gebruikt klinknagels en bouten, is de meest gebruikte verbinding. Het grote voordeel van de mechanische verbinding is de hoge betrouwbaarheid van de verbinding, die herhaaldelijk kan worden gedemonteerd en gemonteerd tijdens onderhoud of vervanging, geen oppervlaktebehandeling vereist en een relatief kleine impact heeft op het milieu. Het grootste nadeel van mechanische verbindingen is de toename van de massa, de spanningsconcentratie en de elektrochemische corrosie van metalen en composieten. De vergelijking van klinknagelverbindingen en boutverbindingen wordt getoond in figuur 1.

2.3 Hybride verbinding

Om de veiligheid en integriteit van de verbinding te verbeteren, wordt op sommige belangrijke verbindingslocaties meestal een hybride verbindingsmethode voor verlijming en mechanische verbinding gebruikt, en worden de voordelen van de twee verbindingsmethoden volledig benut om ervoor te zorgen dat de verbindingsplaats heeft voldoende sterkte en hoge betrouwbaarheid.

2.4 Lassen

Lastechniek wordt voornamelijk toegepast op thermoplastische composietonderdelen. Het basisprincipe is om de hars op het oppervlak van de gesmolten thermoplastische composiet te verwarmen en vervolgens de pers te laten overlappen om deze te integreren. Lassen omvat hoofdzakelijk ultrasoon lassen, elektrisch inductielassen en weerstandslassen. De voordelen van lassen zijn een goede verbinding en een korte cyclus, geen oppervlaktebehandeling, hoge verbindingssterkte, lage spanning, enz .; de onvolkomenheden zijn moeilijk te demonteren en moeten geleidende materialen of metaaldraden toevoegen. Bovendien kan tijdens het vormen van het samengestelde constructiedeel, de metalen connector worden ingebed in de vezelvoorvorm, en worden het composietmateriaal en het met metaal ingebedde onderdeel geïntegreerd na het vormen, en kunnen de composietdelen worden verbonden via het metalen ingebed element om bewerkingsschade composieten te voorkomen.

3 Toepassingsvoordelen voor automotive

Er zijn een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van automobielmaterialen, zoals mechanische eigenschappen, lichtgewicht, materiaalstabiliteit, materiaalontwerp en verwerkbaarheid. Elk van deze factoren zal een niet te verwaarlozen impact hebben op het ontwerp, de productie, de verkoop en het gebruik van auto's. In de afgelopen jaren is Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) een nieuw automa- tisch materiaal geworden dat de aandacht trekt vanwege zijn unieke prestatiekenmerken. Vergeleken met andere automobielmaterialen hebben met koolstofvezel versterkte polymeermatrixcomposieten de volgende voordelen.

3.1 Uitstekende mechanische eigenschappen

De dichtheid van koolstofvezelversterkte harsmatrixcomposieten (CFRP) voor voertuigen is 1,5 tot 2 g / cm3, wat slechts 1/4 tot 1/5 van koolstofstaal is, en is ongeveer 1/3 lichter dan aluminiumlegering, maar de koolstof vezelcomposietmateriaal De uitgebreide mechanische eigenschappen zijn duidelijk beter dan metalen materialen, en de treksterkte is 3 tot 4 maal die van staal. De vermoeiingssterkte van staal en aluminium is 30% tot 50% van de treksterkte en CFRP kan 70% tot 80% bereiken. Tegelijkertijd heeft CFRP ook betere trillingsdempende eigenschappen dan lichte metalen, zoals lichtmetalen die 9 s nodig hebben om trillingen te stoppen. Het koolstofvezelcomposietmateriaal 2s kan worden gestopt en heeft hogere specifieke sterkte en specifieke modulus.

3.2 Ontwerpbaar

Het ontwerp van koolstofvezelcomposietmateriaal is sterk en het matrixmateriaal kan redelijk worden geselecteerd volgens de prestatie-eisen, de opstelling van de vezels kan worden ontworpen en de structuur van het composietmateriaal en het productontwerp kan flexibel worden uitgevoerd. Door bijvoorbeeld de koolstofvezels in de richting van de kracht te plaatsen, kan de anisotropie van de sterkte van het composietmateriaal volledig worden uitgeoefend, waardoor het doel van materiaalbesparing en kwaliteitsvermindering wordt bereikt. Voor producten die corrosiebestendigheid vereisen, kan een basismateriaal met een goede corrosiebestendigheid tijdens het ontwerp worden gebruikt.

3.3 kan geïntegreerde productie bereiken

Modularisering en integratie zijn ook trends in de automobielstructuur. Wanneer het composietmateriaal wordt gevormd, is het gemakkelijk om een gekromd oppervlak van verschillende vormen te vormen om geïntegreerde productie van auto-onderdelen en componenten te bereiken. Geïntegreerd vormen kan niet alleen het aantal onderdelen en vormen verminderen, het aantal componenten en andere processen verminderen, maar ook de productiecyclus aanzienlijk verkorten. Als de front-endmodule van een auto bijvoorbeeld is gemaakt van koolstofvezelcomposietmateriaal, kan deze integraal worden gevormd en geïntegreerd om plaatselijke spanningsconcentratie te voorkomen die wordt veroorzaakt door achteraf lassen en daaropvolgende verwerking van metalen onderdelen, terwijl de nauwkeurigheid van het product wordt verminderd en de prestaties worden verbeterd terwijl het verminderen van auto-onderdelen. Kwaliteit, verlaag de productiekosten.

3.4 Energieabsorptie en slagvastheid

Koolstofvezelversterkte harsmatrixcomposieten (CFRP) hebben een zekere mate van visco-elasticiteit en er is een geringe lokale relatieve beweging tussen de koolstofvezel en de matrix, die grensvlakfrictie kan genereren. Onder het synergetische effect van visco-elasticiteit en grensvlakfrictie hebben CFRP-onderdelen een betere energieabsorptie en slagvastheid. Aan de andere kant crasht het speciaal geabsorbeerde koolstofvezelcomposiet in kleine fragmenten bij botsingen met hoge snelheid, absorbeert een grote hoeveelheid impactenergie, en zijn energieabsorptiecapaciteit is 4 tot 5 keer hoger dan die van metalen materialen, wat effectief kan zijn voertuigen verbeteren. Beveiliging, bescherm de veiligheid van leden.

3.5 Goede corrosieweerstand

Koolstofvezelversterkte polymeermatrixcomposieten bestaan voornamelijk uit koolstofvezelkabel- en harsmaterialen en hebben uitstekende zuur- en alkaliresistenteigenschappen. Auto-onderdelen die hiervan zijn gemaakt, hebben geen oppervlakte-antiseptische behandeling nodig en hun weersbestendigheid en verouderingsbestendigheid zijn goed. Hun levensduur is goed. 2 tot 3 keer die van staal.

3.6 prestaties bij hoge temperaturen

De prestaties van koolstofvezels bij temperaturen onder 400 ° C blijven zeer stabiel en er is geen significante verandering bij 1 000 ° C.

3.7 Goede weerstand tegen vermoeidheid

Met koolstofvezel versterkte materialen hebben een remmend effect op de vermoeiingsscheurpropagatie vanwege de vezel, en de weerstand tegen vermoeiing kan 70% tot 80% bedragen. De structuur van koolstofvezel is stabiel. Na de vermoeiingslevensduur van het composietmateriaal zijn miljoenen cycli, de retentiewaarde van de sterkte. Er zijn nog steeds 60%, terwijl staal en aluminium respectievelijk 40% en 30% zijn en glasvezel slechts 20% tot 25%. Daarom is de vermoeidheidsbestendigheid van koolstofvezelcomposieten geschikt voor een breed scala van toepassingen in de auto-industrie.

4 Economische analyse voor nieuwe energiepassagiersvoertuigen

Door het gebruik van koolstofvezel kan het lichaam met meer dan 50% worden verminderd. Door het gewichtsverlies van 100 kg op een typisch A-klasse voertuig als voorbeeld te nemen, is de betekenis van lichtgewichten van het voertuig zeer duidelijk. Uit de volgende aspecten kan het volgende worden verklaard: 1 Voor één station Voor een personenauto met 300 km en een laadvermogen van 45 kW · h kan hetzelfde bereik met 3,6 kW · h worden verminderd, zoals berekend door de branchedeskundige; "100 kg per 100 kg, plus 8% toename in driving range." De batterijbesparingskosten bedragen ongeveer 0,6 miljoen yuan; 2 De gemiddelde levenscyclus van het rijden met 400.000 kilometer en de elektriciteitskosten worden berekend volgens 0.9 yuan / kW · h. De elektriciteitskosten van het hele voertuig kunnen 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 miljoen besparen. 100km bespaart 1,2 kW · h elektriciteit.) 3Omdat koolstofvezelmaterialen worden toegepast en de productieschaal van 50.000 voertuigen als voorbeeld wordt genomen, worden de investering in opgeslagen investeringen en apparatuur omgezet in het economische equivalent van elektrische voertuigen en is elk voertuig Amortisatie bespaarde ongeveer 2.000 yuan; 4 omdat het proces gestroomlijnd is, personeelskosten op zijn minst 1.000 yuan / Taiwan besparen.

De bovenstaande punten vormen een gemiddelde besparing van 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljoen yuan per voertuig, maar deze kosten zijn niet voldoende om de stijging van de kosten van het materiaal zelf te compenseren door de introductie van koolstofvezel. Het is duidelijk dat er nog steeds grote problemen zijn bij de toepassing van koolstofvezellichamen. Als u lichtgewicht body wilt promoten, kunt u alleen beginnen met het verminderen van de input van het proces en de apparatuur. De bovenstaande punten vormen een gemiddelde besparing van 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljoen yuan per voertuig, maar deze kosten zijn niet voldoende om de stijging van de kosten van het materiaal zelf te compenseren door de introductie van koolstofvezel. Het is duidelijk dat er nog steeds grote problemen zijn bij de toepassing van koolstofvezellichamen.

Als u lichtgewicht body wilt promoten, kunt u alleen beginnen met het verminderen van de input van het proces en de apparatuur.

Als de auto massaproductie van koolstofvezelcarrosserieën realiseert, zullen ook de kosten van het koolstofvezelmateriaal zelf sterk worden verlaagd, zal het volledige industrie-effect vrij groot zijn en zullen de economische voordelen ook duidelijker worden. Deze zijn alleen vanuit het perspectief van koolstofvezelanalyse, als u de carrosserieverminderingsfactor van de aluminiumlegering van 50 kg beschouwt, is het economische effect volgens dezelfde reden een positieve stap voor de hand liggend.

5 Ontwikkelingstrends voor voertuigcarrosserie

Gezien de eigenschappen van met koolstofvezel versterkte composieten, wordt dit type materiaal in toenemende mate begunstigd door autofabrikanten. Geschat wordt dat in de automobielsector het gebruik van koolstofvezel met een gemiddeld jaarlijks percentage van 34% groeit en tegen 2020 23.000 ton zal bereiken. Figuur 2 toont de routekaart voor de ontwikkeling van met koolstofvezel versterkte composieten voor carrosserie.

Op dit moment worden met koolstofvezels versterkte composieten voornamelijk toegepast op carrosseriepanelen, koetswerken en structurele componenten. BMW heeft bijvoorbeeld een groot aantal koolstofvezelcomposietmaterialen gebruikt bij de ontwikkeling van een verscheidenheid aan modellen voor het vervaardigen van carrosserieconstructiedelen. Dit is een belangrijk moment geworden voor de toepassing van koolstofvezelcomposietmaterialen in de automobielindustrie. Tegelijkertijd heeft BMW verder samengewerkt met SGL in Duitsland, investeert 100 miljoen euro in het onderzoek en de ontwikkeling van goedkope koolstofvezel en verhoogt de koolstofvezelproductie van 3000 ton per jaar naar 9000 ton om tegemoet te komen aan de groeiende BMW i -serie elektrische voertuigen en anderen. Vraag naar modellen.

6. Conclusie

Samengevat, koolstofvezelversterkte harsmatrixcomposieten (CFRP) zijn in de toekomst een belangrijke ontwikkelingsrichting geworden voor nieuwe automobielmaterialen met zijn unieke prestatievoordelen. Om het gebruik van dit materiaal op het gebied van de automobielindustrie te bevorderen, is het echter noodzakelijk om gezamenlijk onderzoek en ontwikkeling van productie, leren en onderzoek te starten vanuit de volgende aspecten: (1) Verder zoeken naar goedkopere precursoren van koolstofvezel; (2) Ontwikkeling van nieuwe koolstofvezelproductieprocessen, zoals stabilisatie van precursormaterialen. Technologie; 3 Optimaliseer de parameters voor het productieproces van koolstofvezels of gebruik nanokoolstofvezels om de prestaties van CFRP-composietmaterialen verder te verbeteren; 4 Ontwikkeling van snelle en effectieve CFRP-onderdelen voor vorm- en productietechnologieën, zoals snel stollende giettechnologie en stroomtechnologie voor composietmateriaal; 5 Gebruik computersimulatieanalysetechnologie (CAE) om verschillende koolstofvezelcomposietmaterialen te selecteren en de parameters van het vormproces te optimaliseren.