کامپوزیت ماتریس رزین تقویت شده با کربن برای وسایل نقلیه مسافری انرژی جدید - مقدمه - Xiamen LFT کامپوزیت پلاستیک شرکت با مسئولیت محدود

فیبر کربن به طور کلی با رزین اپوکسی ترکیب شده است تا مواد کامپوزیتی ایجاد کند. این مواد کامپوزیتی یک سری از مزایایی مانند قدرت ویژه، مدول خاص، مقاومت خستگی و جذب انرژی و مقاومت در برابر شوک فیبر کربن را به ارث می برد. در عین حال اپوکسی به ارث برده است. طراحی فرمول رزین انعطاف پذیر و متنوع است و برنامه مورد هدف قرار می گیرد. در مقایسه با قطعات ساختمانی آلیاژ آلومینیوم، اثر کاهش وزن کامپوزیتهای فیبر کربن می تواند به 20 تا 40 درصد برسد. در مقایسه با قطعات فلزی فولاد، اثر کاهش وزن مواد کامپوزیتی فیبر کربن می تواند به 60 تا 80 درصد برسد. استفاده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن نه تنها کیفیت کل وسیله نقلیه را کاهش می دهد، بلکه تا حدی تاثیر گذار و فرایند تولید خودرو را نیز تحت تاثیر قرار داده است.

1 نوع فرایند

پلیمرهای تقویت شده فیبر کربن (CFRP) به موادی که به وسیله ترکیبی از الیاف کربن به عنوان یک مرحله تقویت کننده با مواد رزین گرمانرم یا ترموپلاستی به دست می آید اشاره شده است. تکنولوژی تولید کامپوزیت های CFRP عمدتا شامل فرایندهای تشکیل دهنده و پیش فرایند تولید می باشد. تجزیه و تحلیل مقایسهای از انواع فرایندهای کامپوزیتهای ماتریس تقویت شده با فیبر کربن در جدول 1 نشان داده شده است.

2 فن آوری مونتاژ اتصال قطعات خودرو

ترکیب مونتاژ قطعات کامپوزیت خودرو و اتصال قطعات کامپوزیتی و قطعات فلزی یک مشکل اجتناب ناپذیر است. مواد کامپوزیتی آنیزوتروپیک است، مقاومت بین دو لایه نسبتا کم است و انعطاف پذیری کوچک است که باعث می شود طراحی و تجزیه و تحلیل مفاصل کامپوزیت بسیار پیچیده تر از فلز است. اتصال بین قطعات فلز سنتی صنعت خودرو برای مواد کامپوزیتی قابل استفاده نیست. بنابراین اتصالات، برای درک و بهبود روش های ترکیب کامپوزیت های خودروی پیوسته و ایمن، حیاتی است.

غلظت استرس محلی ناشی از تداوم الیاف شکسته است. مفاصل کامپوزیت معمولا ضعیف ترین پیوند در ساختار کلی هستند، بنابراین اطمینان از قدرت مشترک، کلید طراحی کامپوزیت ساختاری است. مواد کامپوزیت عمدتا به سه دسته تقسیم می شوند: اتصالات چسب، اتصالات مکانیکی و اتصالات ترکیبی دو. برای کامپوزیتهای گرمانرم نیز روشهای جوش وجود دارد. طراحی تکنولوژی مشترک کامپوزیت باید بر اساس استفاده خاص از الزامات جزء و طراحی تعیین شود.

2.1 اتصال چسب

در مقایسه با اتصال مکانیکی، مزیت اصلی فن آوری اتصال این است که هیچ غلظت استرس ناشی از باز شدن وجود ندارد، کیفیت ساختار کاهش می یابد، مقاومت خستگی، مهار ارتعاش و عملکرد عایق خوب است، ظاهر صاف است و صاف، روند پیوند ساده است و هیچ مشکل خوردگی الکتروشیمیایی وجود ندارد. با این حال، فن آوری اتصال نیز دارای برخی از کاستی ها، مانند مشکل در کنترل کیفیت پیوند، پراکندگی گسترده ای از قدرت اتصال، عدم وجود روش های بازرسی قابل اعتماد، الزامات سختگیرانه برای درمان سطح و روند پیوند سطح اتصال. برای چسب کامپوزیت فیبر کربن، چسب اتصال اصلی است.

2.2 اتصال مکانیکی

اتصالات مکانیکی معمولا از پرچ ها و پیچ ها استفاده می کنند و شایع ترین نوع اتصال هستند. مزیت اصلی اتصال مکانیکی قابلیت اطمینان بالا اتصال، جداسازی و ترمیم مکرر در حین نگهداری یا جایگزینی، نیاز به مقابله با سطح است و تاثیر آن بر محیط نسبتا کوچک است. معایب اصلی اتصال مکانیکی این است که کیفیت آن را افزایش می دهد، باعث ایجاد استرس می شود و باعث ایجاد خوردگی الکتروشیمیایی در تماس با کامپوزیت می شود. مقایسه اتصال اتصال ناخن و اتصال پیچ در شکل 1 نشان داده شده است.

2.3 اتصال مختلط

به منظور بهبود ایمنی و یکپارچگی اتصال، در برخی از اتصالات مهم اتصال، روش اتصال ترکیبی اتصال چسب و اتصال مکانیکی معمولا در همان زمان استفاده می شود و مزایای استفاده از دو روش اتصال به طور کامل برای اطمینان از کافی قدرت و نقطه اتصال بالا. قابلیت اطمینان.

2.4 جوشکاری

تکنولوژی جوشکاری عمدتا برای قطعات کامپوزیتی گرمانرم استفاده می شود. اصل اساسی این است که رزین را روی سطح کامپوزیت گرمانرم ریخته گری حرارت دهیم و سپس فشار آن را به هم بزنیم. سه روش اصلی جوشکاری وجود دارد: جوشکاری اولتراسونیک، جوشکاری الکتریکی و جوش مقاومت. مزایای جوشکاری اثر اتصال خوب و چرخه کوتاه، بدون درمان سطح، قدرت اتصال بالا، استرس کم، و غیره. مضراب این است که آسان ساختن قطعات نیست، و لازم است مواد یا سیمهای هدایت شده را اضافه کنید. علاوه بر این، در فرایند ریخته گری عضو ساختاری کامپوزیت، اتصال فلزی را می توان در قالب پیش ساخته فیبر جاسازی شده، و مواد کامپوزیتی و مولفه های جاسازی شده فلزی بعد از ریخته گری به هم پیوسته، و مولفه کامپوزیت می تواند توسط فلزی جاسازی شده اجزای اجتناب از کامپوزیت آسیب شده با ماشینکاری.

3 مزایای استفاده برای خودرو

در هنگام انتخاب مواد خودرویی از قبیل خواص مکانیکی، وزن سبک، ثبات مواد، قابلیت شناسایی مواد و قابلیت پردازش، تعدادی از عوامل باید مورد توجه قرار گیرند. هر عامل تأثیر قابل توجهی در طراحی، تولید، فروش و استفاده از خودرو داشته باشد. در سال های اخیر، پلیمر های تقویت شده فیبر کربن (CFRP) تبدیل به یک ماده جدید خودرو با ویژگی های عملکرد منحصر به فرد خود شده است. کامپوزیت ماتریکس پلیمری تقویت شده با فیبر کربن دارای مزایای زیر نسبت به سایر مواد خودرویی است.

3.1 خواص مکانیکی عالی

کامپوزیت ماتریس رزین تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) دارای تراکم 1.5 تا 2 گرم در cm3 است که فقط 1/4 تا 1/5 فولاد کربنی معمولی است و حدود 1/3 سبکتر از آلومینیوم است، اما فیبر کربن مواد کامپوزیت خواص مکانیکی جامد به طور قابل توجهی بهتر از مواد فلزی است و استحکام کششی 3 تا 4 برابر فولاد است. مقاومت خستگی فولاد و آلومینیوم 30٪ تا 50٪ استحکام کششی است، در حالی که CFRP می تواند به 70٪ تا 80٪ برسد. در عین حال، CFRP همچنین ویژگی های ارتعاشی بهتر نسبت به فلز سبک دارد. به عنوان مثال، آلیاژهای سبک نیاز به 9s برای جلوگیری از ارتعاش. مواد کامپوزیت فیبر کربن را می توان برای 2 ثانیه متوقف کرد، و قدرت خاص و مدول خاص بالا است.

3.2 قابل طراحی

مواد کامپوزیتی فیبر کربن دارای قابلیت تشخیص قوی هستند و می توانند مواد پایه منطقی را با توجه به نیازهای عملکرد انتخاب کنند، طراحی الیاف و شکل ساختاری مواد کامپوزیتی را طراحی و انعطاف پذیری محصول را طراحی کنند. به عنوان مثال، با تنظیم الیاف کربن در جهت نیرو، ناهماهنگی از مقاومت مواد کامپوزیت می تواند به طور کامل استفاده شود، در نتیجه دستیابی به هدف صرفه جویی در مواد و کاهش کیفیت. برای محصولات نیاز به مقاومت در برابر خوردگی، یک ماده پایه با مقاومت در برابر خوردگی خوب می تواند برای طراحی انتخاب شود.

3.3 تولید مجتمع امکان پذیر است

مدولار و یکپارچه سازی نیز یک روند توسعه ساختار خودرو است. مواد کامپوزیت آسان برای تشکیل سطوح منحنی از اشکال مختلف در طول قالب ریزی، و امکان تولید یکپارچه از قطعات خودرو را فراهم می کند. ریخته گری مجتمع می تواند نه تنها تعداد قطعات و تعداد قالب ها را کاهش دهد، بلکه تعداد قطعات و سایر فرآیندها را کاهش می دهد، بلکه چرخه تولید را نیز بسیار کوتاه می کند. به عنوان مثال، اگر ماژول جلویی اتومبیل ساخته شده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن باشد، می تواند قالب بندی جامد یکپارچه را انجام دهد، از غلظت استرس محلی ناشی از جوشکاری بعدی و پردازش بعدی قطعات فلزی و کاهش قطعات خودرو در حین اطمینان از دقت محصول و بهبود عملکرد. کیفیت، کاهش هزینه های تولید.

3.4 جذب انرژی و مقاومت در برابر ضربه

کامپوزیت ماتریس رزین تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) دارای خاصیت ویسکلوالستیک است و حرکت نسبی داخلی بین فیبر کربن و ماتریس وجود دارد که می تواند اصطکاک بین فضای ایجاد کند. با همکاری ویزو الاستیک و اصطکاک مواجهه، قطعات CFRP دارای جذب انرژی و مقاومت بیشتری در برابر ضربه هستند. از سوی دیگر، ساختار جذب انرژی کلاسیک فیبر کربن مخصوص بافته شده با فیبر کربن در برخورد با سرعت بالا قطعات کوچکتری را می شکند، مقدار زیادی از انرژی ضربه را جذب می کند و ظرفیت جذب انرژی آن 4 تا 5 برابر بیشتر از مواد فلزی است. که می تواند به طور موثر خودرو را بهبود بخشد. امنیت برای محافظت از ایمنی عضو.

3.5 مقاومت در برابر خوردگی خوب

مواد کامپوزیت ماتریس پلیمری تقویت شده با فیبر کربن عمدتا از مواد فیبر کربن و مواد رزین ساخته شده و دارای مقاومت اسیدی و قلیایی عالی است. قطعات خودرو تولید شده توسط این دستگاه به ضد خوردگی سطحی نیاز ندارند، مقاومت در برابر آب و هوای خوب و مقاومت در برابر پیری دارند و عمر مفید عموما 2 تا 3 برابر فولاد است.

3.6 عملکرد خوب دما

فیبر کربن دارای عملکرد بسیار پایدار در زیر 400 درجه سانتیگراد است و در دمای 1000 درجه سانتیگراد تغییری نمی کند.

3.7 مقاومت خوب خستگی

مواد تقویت شده از فیبر کربن مانع رشد ترک خستگی فیبر می شود و مقاومت خستگی آن می تواند به 70٪ تا 80٪ برسد. ساختار فیبر کربن پایدار است و قدرت مواد کامپوزیتی پس از آزمون چرخه خستگی استرس میلیون ها بار است. هنوز 60٪ وجود دارد، در حالی که فولاد و آلومینیوم به ترتیب 40٪ و 30٪ و FRP تنها 20٪ تا 25٪ است. بنابراین، مقاومت خستگی کامپوزیت های فیبر کربن برای طیف گسترده ای از کاربردهای صنعت خودرو مناسب است.

4 تجزیه و تحلیل اقتصادی وسایل نقلیه مسافری انرژی جدید

با توجه به مرجع فیبر کربن، وزن بدن می تواند بیش از 50٪ کاهش یابد. با توجه به کاهش وزن 100 کیلوگرم مدل معمولی کلاس A به عنوان مثال، وزن کل وسیله نقلیه بسیار واضح است. این را می توان از جنبه های زیر توضیح داد: 1 برای 1 برای یک ماشین سواری با فاصله رانندگی 300km و مصرف برق 45kW · h محدوده رانندگی را می توان توسط 3.6kW · h توسط متخصص صنعت کاهش می یابد "100kg per کاهش وزن و افزایش رانندگی 8٪ ". هزینه صرفه جویی در باتری حدود 0.6 میلیون یوان است. 2، با چرخه عمر 400000 کیلومتر و متوسط هزینه برق 0.9 یوان / کیلو وات · ساعت، هزینه برق را می توان در چرخه حیات وسیله نقلیه با 400،000 / 100 × 1.2 × 0.9 = 0.32 میلیون یوان ذخیره شده است. محاسبه برق 1.2 کیلوولت · ساعت برق 100 کیلو وات)؛ 3 به دلیل استفاده از مواد فیبر کربن، با در نظر گرفتن مقیاس تولید 50،000 وسیله نقلیه به عنوان مثال، سرمایه گذاری صرفه جویی در فن آوری و تجهیزات به معادل اقتصادی خودروهای الکتریکی در هر وسیله نقلیه تبدیل می شود. استهلاک صرفه جویی در حدود 2000 یوان؛ 4 زیرا فرآیند ساده است، هزینه های پرسنلی می تواند حداقل 1000 یوان / تایوان را نجات دهد.

در مجموع، میانگین هزینه برای هر وسیله نقلیه 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 1.33 میلیون است، اما این هزینه ها به اندازه کافی برای جبران افزایش هزینه های مواد به دلیل معرفی فیبر کربن نیست. می توان دید که استفاده از بدن فیبر کربن همچنان مشکل بزرگی است. اگر می خواهید بدن سبک وزن را ترویج کنید، می توانید از کاهش سرمایه گذاری در تکنولوژی و تجهیزات شروع کنید. در مجموع، میانگین هزینه برای هر وسیله نقلیه 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 1.33 میلیون است، اما این هزینه ها به اندازه کافی برای جبران افزایش هزینه های مواد به دلیل معرفی فیبر کربن نیست. می توان دید که استفاده از بدن فیبر کربن همچنان مشکل بزرگی است.

اگر می خواهید بدن سبک وزن را ترویج کنید، می توانید از کاهش سرمایه گذاری در تکنولوژی و تجهیزات شروع کنید.

اگر خودرو متوجه تولید انبوه بدن فیبر کربن شود، هزینه مواد فیبر کربنی نیز به شدت کاهش خواهد یافت و اثر کل صنعت نیز بسیار بزرگ خواهد بود و مزایای اقتصادی بیشتر و بیشتر می شود. این فقط از نظر فیبر کربن مورد تحلیل قرار می گیرد. اگر ما عامل کاهش وزن بدن آلیاژ آلومینیوم را با 50 کیلوگرم در نظر بگیریم، اثر اقتصادی واضح است.

5 برای توسعه بدن

با توجه به ویژگی های مواد کامپوزیتی تقویت شده فیبر کربن، این مواد به تدریج توسط تولید کنندگان خودرو مورد توجه قرار می گیرند. برآورد شده است که در بخش خودرو، استفاده از فیبر کربن در سالانه به طور متوسط 34 درصد در حال رشد است و تا سال 2020 به 23000 تن خواهد رسید. شکل 2 یک نقشه راه برای توسعه کامپوزیت تقویت شده فیبر کربن برای بدن است.

در حال حاضر، مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن عمدتا برای پوشش های بدن، قطعات تزئینی و اعضای ساختاری در بدن استفاده می شود. به عنوان مثال، BMW با استفاده از کامپوزیتهای فیبر کربن، قطعات کامپوزیتی کربنی را در انواع مختلفی از مدل های تولید شده از آن استفاده کرده است که لحظه ای مهم برای کامپوزیت های فیبر کربن در تولید خودرو است. در همان زمان، BMW با همکاری SGL (SGL) برای سرمایه گذاری 100 میلیون یورو برای توسعه فیبر کربن کم هزینه و افزایش تولید فیبر کربن از 3000 تن در سال به 9000 تن کمک کرد تا خودروهای الکتریکی BMW I را رشد دهد. دیگران. تقاضا برای مدل ها.

6. نتیجه گیری

به طور خلاصه، کامپوزیت های ماتریکس رزین تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) به علت مزایای عملکرد منحصر به فرد خود، جهت توسعه جدید مواد جدید خودرو در آینده تبدیل شده اند. با این حال، اگر این مواد را در صنعت خودرو ارتقا داده و اعمال می شود، لازم است تحقیق و توسعه مشارکتی صنعت، دانشگاه ها و تحقیقات از جنبه های زیر شروع شود: 1 به دنبال پیش فروش پیشرو قیمت پایین تر فیبر کربن؛ 2 برای توسعه فرآیندهای جدید برای تولید فیبر کربن، مانند ثبات مواد اولیه. 3؛ بهینه سازی پارامترهای فرآیند تولید فیبر کربن و یا استفاده از فیبر نانو کربن به منظور بهبود عملکرد کامپوزیت CFRP؛ 4 تکنولوژی تولید ریخته گری قطعات CFRP سریع و موثر، از قبیل تکنولوژی سریع درمان، تکنولوژی کنترل جریان مواد کامپوزیت؛ 5 استفاده از تکنیک تجزیه و تحلیل شبیه سازی کامپیوتری (CAE) برای انتخاب مواد کامپوزیتی فیبر کربن مختلف و بهینه سازی پارامترهای فرایند ریخته گری.