CFRP, mida kasutatakse kergekaalulise ja majandusliku analüüsi jaoks uute sõiduautode puhul

Süsinikkiud on tavaliselt kombineeritud materjali moodustamiseks epoksüvaikuga. See komposiitmaterjal pärib mitmeid eeliseid, nagu näiteks kõrgem eritugevus, spetsiifiline moodul, väsimustugevus ja süsinikkiust iseenesest šokk. Samal ajal pärib ta epoksiidi. Vaigu koostis on paindlik ja mitmekülgne ning selle rakendamine on väga suunatud. Alumiiniumsulamitest konstruktsioonielementidega võrreldes võib süsinikkiust komposiitmaterjalide massi vähendamise efekt ulatuda 20% -st kuni 40% -ni. Terasest metallkomponentidega võrreldes võib süsinikkiust komposiitmaterjalide massi vähendamise efekt isegi 60% -80%. Süsinikkiu komposiitmaterjalide kasutamine See mitte ainult ei vähenda üldist sõidukikvaliteeti, vaid mõjutab ka teatud määral autotootmisprotsessi.

1 protsessi tüüp

Süsinikkiudiga tugevdatud polümeerid (CFRP) tähistavad süsinikkiudude segu tugevdava faasi ja termoplastiliste või termokõvenevate vaigu materjalidega. CFRP-komposiitmaterjalide tootmistehnoloogia hõlmab peamiselt prepregi moodustamist ja vedeliku moodustamist. Süsinikkiust tugevdatud polümeermaatriks-komposiidide protsessitüüpide võrdlus ja analüüs on toodud tabelis 1.

2 Automotive Assembly and Assembly Technology

Kombineeritud mootorsõidukite osade kombineeritud kokkupanek ja ühendusosade ja metallosad on vältimatu probleem. Komposiitmaterjal on anisotroopsed, madala interlaminantse tugevusega ja madala jäikusega, muutes komposiitmaterjalide ühenduste konstruktsiooni ja analüüsi keerukamaks kui metallid. Ühendus traditsiooniliste metallosade vahel autotööstuses ei sobi komposiitmaterjalide jaoks. Seepärast on väga oluline mõista ja parandada mootorsõidukite komposiitmaterjalide ühendamist ja kinnitamist ning teha mõistlikke valikuid.

Avade tõttu purustatavate kiudude järjepidevuse tõttu on põhjustatud kohalik stressi kontsentratsioon. Komposiitmaterjalide ühendused on tavaliselt kogu struktuuri nõrgim lüli. Seepärast on komplementaarsete materjalide konstruktsioonide projekteerimisel oluline tagada liigeste tugevus. Komposiitmaterjalid jagunevad kolmeks peamiseks kategooriaks, nimelt liimitud ühendused, mehaanilised ühendused ja hübriidühendused kahe vahel. Termoplastsete komposiidide jaoks on olemas keevitusmeetodid. Komposiitmaterjalide ühendustehnoloogia disain tuleb kindlaks määrata vastavalt komponentide konkreetsetele kasutustingimustele ja konstruktsiooninõuetele.

2.1 liimitud ühendus

Võrreldes mehaanilise ühendusega on liimimistehnoloogia peamised eelised pingekontsentratsioonid, mis on põhjustatud avade puudumisest, struktuurilise kvaliteedi vähenemisest, väsimustakistusest, hea vibratsiooni ja isolatsiooniomadustest, siledast välimusest, lihtsast liimimisprotsessist ja elektrokeemilisest korrosiooniprobleemist. Liimimistehnoloogias esineb mõningaid puudusi, näiteks tihendusmõõdetugevuse keerukus, sideme tugevuse suhteliselt suur hajuvustase, usaldusväärsete kontrollimeetodite puudumine ja ranged nõuded pindade töötlemiseks ja liimimispindade sidumiseks. Süsinikkiudude komposiitkeha jaoks on peamine ühendusliides.

2.2 Mehaaniline ühendus

Mehhaaniline ühendus on üldiselt kasutatud neetide ja poltidega, on kõige sagedamini kasutatav ühendus. Mehaanilise ühenduse peamine eelis on ühendamise kõrge usaldusväärsus, mida saab korduvalt demonteerida ja kokku monteerida hooldus- või asendamisprotsessi ajal, ei vaja pinnatöötlust ja sellel on suhteliselt väike mõju keskkonnale. Mehaaniliste ühenduste peamine puudus on massi suurenemine, stressikontsentratsioon ja metallide ja komposiitide elektrokeemiline korrosioon. Neetide ühendused ja poltide ühendused on näidatud joonisel 1.

2.3 hübriidühendus

Ühenduse turvalisuse ja terviklikkuse parandamiseks kasutatakse mõnes olulises ühenduskohas üheaegselt hübriidühendust ja sidemete mehaanilist ühendamist ning kahe ühendamismeetodi eeliseid kasutatakse täielikult, tagamaks, et ühenduskoht on piisavalt tugev ja usaldusväärne.

2.4 Keevitamine

Keevitustehnoloogiat kasutatakse peamiselt termoplastsete komposiitosade jaoks. Põhiprintsiip on sulami termoplastilise komposiidi pinnale kuumutamine ja seejärel ajakirjandus, et see integreerida. Keevitus hõlmab peamiselt ultraheli keevitust, elektrilist induktsioonkeevitust ja vastupidavat keevitust. Keevitamise eelised on hea ühendus ja lühike tsükkel, pinnatöötlus, kõrge tugevus, madal stress jne; ebatäpsusi on raske lahti võtta ja vajadust lisada juhtivaid materjale või metalltrate. Lisaks sellele võib komposiitstruktuuri elemendi vormimise ajal metallplokk olla kiudude ettevalmistamisel sisse lülitatud ja komposiitmaterjal ja metallist sisseehitatud detail integreeritakse pärast vormimist ja komposiitosad võivad olla ühendatud läbi metalli sisseehitatud elemendi vältida kahjustusi komposiitide töötlemisel.

3 Autotööstuse rakenduslikud eelised

Autotööstuse materjalide valimisel tuleb arvestada mitmete faktoritega, nagu näiteks mehaanilised omadused, kerge kaal, materjali stabiilsus, materjali sobivus ja töötlemine. Kõikidel nendel teguritel on autode projekteerimisel, tootmisel, müümisel ja kasutamisel märkimisväärne mõju. Viimastel aastatel on süsinikkiust tugevdatud polümeerid (CFRP) muutunud uueks mootorsõidukimaterjaliks, mis meelitab tähelepanu oma ainulaadsete jõudlusnäitajate tõttu. Võrreldes muude mootorsõidukite materjalidega on süsinikkiust tugevdatud polümeermaatrikskomposiididel järgmised eelised.

3.1 Suuremad mehaanilised omadused

Sõidukite süsinikkiust tugevdatud vaik-maatriks-komposiitide (CFRP) tihedus on 1,5 kuni 2 g / cm3, mis on vaid 1/4 kuni 1/5 ühisest süsinikterasest ja on ligikaudu 1/3 kergem kui alumiiniumsulam, kuid süsinikkiust kiudkomposiitmaterjalid Universaalsed mehaanilised omadused on ilmselgelt paremad kui metallmaterjalid ja nende tõmbetugevus on 3 kuni 4 korda suurem kui terasest. Terase ja alumiiniumi väsimus on 30% kuni 50% tõmbetugevusest ja CFRP võib ulatuda 70-80% -ni. Samal ajal on CFRP-l ka paremad vibratsiooni summutamise omadused kui kerged metallid, näiteks kergete sulamite puhul on vibratsiooni peatamiseks vaja 9 sekundit, süsinikkiust komposiitmaterjal 2s saab peatada ning sellel on kõrgem eritugevus ja spetsiifiline moodul.

3.2 Mõistlik

Süsinikkiudkomposiitmaterjalide disain on tugev ja maatriksmaterjali saab mõistlikult valida vastavalt töönõuetele, kiudude konstruktsiooni ja komposiitmaterjali struktuuri ning toote disaini saab teostada paindlikult. Näiteks süsinikkiudude korraldamisel jõu suunas saab komposiitmaterjali tugevuse anisotroopia täielikult rakendada, saavutades seeläbi materjali säästmise ja kvaliteedi vähendamise eesmärgi. Korrosioonikindlat tootmist vajavate toodete puhul võib konstruktsiooni ajal kasutada hea korrosioonikindlusega alusmaterjali.

3.3 võib saavutada integreeritud tootmise

Mooduliseerumine ja integreerimine on ka autotööstuse struktuuri suundumused. Kui komposiitmaterjal on moodustunud, on autoosade ja komponentide integreeritud tootmise saavutamiseks lihtne kujundada eri kujuga kõvera pinda. Integreeritud vormimine ei saa mitte ainult vähendada osade ja hallitusseente arvu, vähendada komponentide arvu ja muid protsesse, vaid ka tootmistsüklit oluliselt lühendada. Näiteks kui auto esiosa moodul on valmistatud süsinikkiust komposiitmaterjalist, saab see integreeritud kujundada ja integreerida, et vältida lokaliseeritud pingekontsentratsiooni, mis on põhjustatud metallide osade järgnevast keevitamisest ja sellele järgnevast töötlemisest, vähendades samal ajal toote täpsust ja parandades tootlikkust vähendades samal ajal autoosasid. Kvaliteet, tootmiskulude vähendamine.

3.4 Energia neeldumine ja löögikindlus

Süsinikkiust tugevdatud vaik-maatrikskomposiidid (CFRP) omavad teatavat viskoelastsust ja süsinikkiudude ja maatriksi vahel on väike lokaalne suhteline liikumine, mis võib tekitada piirides hõõrdumist. Viskoelastsuse ja vaheruumidevahelise hõõrdumise sünergistliku mõju all on CFRP-osade energia parem neeldumine ja löögikindlus. Teisest küljest skaneerib spetsiaalselt absorbeeritud süsinikkiust komposiit väikeste kiirete kokkupõrgete fragmentidega, absorbeerib suurel määral kokkupõrke energiat ja selle energia neeldumisvõime on 4-5 korda kõrgem kui metallimaterjalide puhul, mis võib tõhusalt parandada sõidukeid. Turvalisus, liikmete turvalisuse tagamine.

3.5 hea korrosioonikindlus

Süsinikkiust tugevdatud polümeermaatriks-komposiidid koosnevad peamiselt süsinikkiust puksiir- ja vaikmaterjalidest ning neil on suurepärased happelised ja leeliskindlad omadused. Nendest valmistatud autoosad ei vaja pinda antiseptilist hoolitsust ning nende vastupidavus ja vastupidavus vananemisele on head. Nende tööea on hea. 2 kuni 3 korda terasest.

3.6 kõrgtemperatuuriline jõudlus

Süsinikkiu tootlikkus temperatuuril alla 400 ° C jääb väga stabiilseks ja märkimisväärseid muutusi 1000 ° C juures ei ole.

3.7 Hea väsimuskindlus

Süsinikkiust tugevdatud materjalid on kiudude tõttu väsimuskaaride levikut pärssivat mõju ning väsimuskindlus võib ulatuda 70-80% -ni. Süsinikkiu struktuur on stabiilne. Pärast komposiitmaterjali väsimust on miljonid tsüklid, selle tugevuse säilivusaste on endiselt 60%, teras ja alumiinium on vastavalt 40% ja 30% ning klaaskiud moodustavad ainult 20% kuni 25%. Seepärast sobib süsinikkiust komposiidide väsimuskindlus autotööstuse mitmesuguste rakenduste jaoks.

4 Uus-energiaga sõiduautode majandusanalüüs

Süsinikkiudude kasutamise tõttu saab keha vähendada üle 50%. Näiteks on tavalisel A-klassi sõidukil 100 kg kehakaalu vähenemine, kuna sõiduki kerge kaal on väga selge. Seda saab seletada järgmiste aspektide poolest: 1 Ühe jaama jaoks 300 km sõiduauto ja laadimisvõimega 45 kW · h võib sama sõidutee vähendada 3,6 kWh-ni, nagu on välja arvanud tööstuse ekspert, "100 kg 100 kg kohta, pluss 8% sõidupiirkonna suurenemine." Aku säästmise maksumus on umbes 0,6 miljonit jüaani; 2 Keskmine 400 000 kilomeetri pikkuse sõidu elutsükkel ja elektrienergia kulu arvutatakse vastavalt 0,9 jüaani / kW · h. Kogu sõiduki elektrienergia maksumus võib säästa 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0,43 miljonit. 100km säästab 1,2kW · h elektrit.) 3Kuest süsinikkiudmaterjalide kasutamise tõttu on 50 000 sõiduki tootmismahtu näide saanud, konverteeritakse salvestatud protsessi investeeringud ja seadmete investeering elektrisõidukite majanduslikeks ekvivalenditeks ning iga sõiduk on Amortisatsioon salvestatud umbes 2000 jüaani; 4, kuna protsess on sujuvamaks, vähendab personali kulu vähemalt 1000 jüaani / Taiwani.

Eespool nimetatud kaubad kokku kokku hoiavad keskmiselt 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljonit jüaani sõiduki kohta, kuid need kulud ei ole piisavad, et kompenseerida süsinikkiud kasutuselevõtuga materjali enda kulude kasvu. On näha, et süsinikkiudude kehade rakendamisel on ikka veel suuri probleeme. Kui soovite edendada kergekaalu, võite alustada ainult protsessi ja seadmete sisendite vähendamisest. Eespool nimetatud kaubad kokku kokku hoiavad keskmiselt 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 miljonit jüaani sõiduki kohta, kuid need kulud ei ole piisavad, et kompenseerida süsinikkiud kasutuselevõtuga materjali enda kulude kasvu. On näha, et süsinikkiudude kehade rakendamisel on ikka veel suuri probleeme.

Kui soovite edendada kergekaalu, võite alustada ainult protsessi ja seadmete sisendite vähendamisest.

Kui auto saavutab süsinikkiudude kehaosade massilise tootmise, vähendatakse ka süsinikkiudmaterjali enda maksumust oluliselt, kogu tööstusharu mõju on üsna suur ja majanduslik kasu muutub veelgi ilmsemaks. Need on ainult süsinikkiudude analüüsi vaatepunktist, kui arvestada alumiiniumsulamiga auto kehakaalu vähendamise koefitsiendiga 50 kg, siis on sama põhjus positiivne, et majanduslik mõju on iseenesestmõistetav.

5 sõidukikere arengusuunad

Arvestades süsinikkiust tugevdatud komposiitide omadusi, on seda tüüpi materjali auto tootjad üha enam soosivad. Hinnanguliselt kasvab süsinikkiudude kasutamine autotööstuses keskmiselt 34% aastas ja jõuab 2020. aastaks 23 000 tonnini. Joonisel 2 on kujutatud tegevuskava keretüüpi süsinikkiust tugevdatud komposiitide arendamiseks.

Praegu kasutatakse süsinikkiust tugevdatud komposiite peamiselt kereklaaside, kereklaaside ja konstruktsioonielementide suhtes. Näiteks on BMW kasutanud hulgaliselt süsinikkiust komposiitmaterjale mitmesuguste mudelite väljatöötamisel keha konstruktsiooniosade valmistamiseks. See on muutunud oluliseks hetkeks süsinikkiust komposiitmaterjalide kasutamisel autotööstuses. Samal ajal on BMW veel teinud koostööd SGL-iga Saksamaal, investeerides odavate süsinikkiustude uurimisse ja arendamisse 100 miljonit eurot ja suurendades süsinikkiustootmist 3000 tonnilt aastas 9000 tonnini, et vastata kasvavale BMW i-le - elektrisõidukid ja teised. Mudeli nõudlus.

6 Kokkuvõte

Kokkuvõttes on süsinikkiust tugevdatud vaik-maatrikskomposiitmaterjal (CFRP) muutunud tulevikuks uute autotööstuse materjalide jaoks oluliseks arengu suunas, millel on ainulaadsed jõudluselised eelised. Kuid selleks, et edendada selle materjali kasutamist autotööstuses, on vaja alustada ühist teadus- ja arendustegevust, tootmist, õppimist ja uurimistööd järgmiste aspektide abil: (1) odavamate süsinikkiu eellaste edasine otsimine; (2) Arendada välja uued süsinikkiust valmistamise protsessid, näiteks lähteainete stabiliseerimine. Tehnoloogia; 3 Optimeerige süsinikkiust tootmisprotsessi parameetreid või kasutage nano-süsinikkiust CFRP-komposiitmaterjalide toimivuse parandamiseks; 4 Arendada kiireid ja tõhusaid CFRP osade vormimise ja tootmistehnoloogiaid, nagu näiteks kiire tahkestusvormimise tehnoloogia ja komposiitmaterjalide voolu juhtimise tehnoloogia; 5 Kasutage arvutite simulatsiooni analüüsitehnoloogiat (CAE), et valida erinevaid süsinikkiust komposiitmaterjale ja optimeerida vormimisprotsessi parameetreid.