Włókno węglowe jest zwykle łączone z żywicą epoksydową w celu utworzenia materiału kompozytowego. Ten materiał kompozytowy dziedziczy szereg korzyści, takich jak wytrzymałość, specyficzny moduł, wytrzymałość zmęczeniowa i pochłanianie energii oraz odporność na wstrząsy samego włókna węglowego. W tym samym czasie dziedziczy on żywicę epoksydową. Wzór żywicy jest elastyczny i różnorodny, a aplikacja jest ukierunkowana. W porównaniu z częściami konstrukcyjnymi ze stopu aluminium, efekt zmniejszania ciężaru kompozytów z włókien węglowych może osiągnąć 20% do 40%. W porównaniu ze stalowymi częściami metalowymi efekt redukcji masy kompozytów z włókien węglowych może osiągnąć 60% do 80%. Używanie materiałów kompozytowych z włókna węglowego Nie tylko obniżyło jakość całego pojazdu, ale także wpłynęło w pewnym stopniu i zmieniło proces produkcji samochodów.
1 Typ procesu
Polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) odnoszą się do materiału otrzymanego przez połączenie włókien węglowych jako fazy wzmacniającej z termoplastycznym lub termoutwardzalnym materiałem żywicznym. Technologia wytwarzania kompozytów CFRP obejmuje głównie procesy prepreg i formowania cieczy. Porównawcza analiza typów polimerowych kompozytów matrycowych wzmocnionych włóknem węglowym została przedstawiona w tabeli 1.
2 Technologia montażu części samochodowych
Połączenie złożonych części samochodowych z połączeniem części kompozytowych i elementów metalowych jest nieuniknionym problemem. Materiał kompozytowy jest anizotropowy, wytrzymałość międzywarstwowa jest stosunkowo niska, a ciągliwość jest niewielka, co sprawia, że projektowanie i analiza kompozytowych połączeń jest o wiele bardziej skomplikowana niż metal. Połączenie między tradycyjnymi metalowymi częściami przemysłu motoryzacyjnego nie ma zastosowania do materiałów kompozytowych. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć i ulepszyć sposób łączenia i zabezpieczania kompozytów samochodowych.
Miejscowe koncentracje naprężeń są spowodowane ciągłością zerwanych włókien. Złącza kompozytowe są zazwyczaj najsłabszym ogniwem w całej strukturze, więc zapewnienie wytrzymałości połączenia jest kluczem do złożonego projektu konstrukcyjnego. Materiały kompozytowe są głównie podzielone na trzy kategorie, a mianowicie połączenia klejone, połączenia mechaniczne i połączenia hybrydowe tych dwóch. W przypadku kompozytów termoplastycznych istnieją również techniki spawania. Projektowanie technologii połączeń zespolonych musi zostać określone na podstawie specyficznego zastosowania wymagań dotyczących elementów i konstrukcji.
2.1 połączenie klejowe
W porównaniu z połączeniem mechanicznym, główną zaletą technologii łączenia jest to, że nie występuje koncentracja naprężeń spowodowana otwieraniem, jakość konstrukcji jest zmniejszona, odporność na zmęczenie, tłumienie drgań i izolacyjność są dobre, wygląd jest gładki i gładki proces wiązania jest prosty i nie ma problemu elektrochemicznej korozji. Jednakże, technika łączenia ma również pewne wady, takie jak trudności w kontroli jakości wiązania, duże rozproszenie wytrzymałości wiązania, brak wiarygodnych metod kontroli, surowe wymagania dotyczące obróbki powierzchni i procesu łączenia powierzchni wiążącej. W przypadku korpusu kompozytowego z włókna węglowego, klej jest głównym połączeniem.
2.2 Połączenie mechaniczne
Połączenia mechaniczne zazwyczaj używają nitów i śrub i są najczęstszym typem połączenia. Główną zaletą połączenia mechanicznego jest wysoka niezawodność połączenia, wielokrotny demontaż i montaż podczas konserwacji lub wymiany, konieczność radzenia sobie z powierzchnią, a wpływ na środowisko jest stosunkowo niewielki. Główną wadą mechanicznego łączenia jest to, że zwiększa ona jakość, powoduje koncentrację naprężeń i powoduje korozję elektrochemiczną w kontakcie z kompozytem. Porównanie połączenia nitu z połączeniem śrub pokazano na rysunku 1.
2.3 Połączenie mieszane
Aby poprawić bezpieczeństwo i integralność połączenia, w niektórych ważnych częściach łączących stosuje się zazwyczaj połączenie hybrydowe połączenia klejowego i mechanicznego, a zalety obu metod łączenia są w pełni wykorzystywane, aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość i wysoki punkt połączenia. niezawodność.
2.4 Spawanie
Technologia spawania jest głównie stosowana do termoplastycznych elementów kompozytowych. Podstawową zasadą jest podgrzanie żywicy na powierzchni stopionego kompozytu termoplastycznego, a następnie zwiększenie ciśnienia i połączenie ich. Istnieją trzy główne metody spawania: zgrzewanie ultradźwiękowe, spawanie elektryczne indukcyjne i zgrzewanie oporowe. Zalety spawania to dobry efekt połączenia i krótki cykl, bez obróbki powierzchniowej, wysoka wytrzymałość połączenia, niskie naprężenia itp .; wadą jest to, że nie jest łatwy do demontażu i konieczne jest dodanie przewodzących materiałów lub drutów. Ponadto, w procesie formowania kompozytowego elementu konstrukcyjnego, metalowy łącznik może być osadzony w preformie włóknistej, a materiał kompozytowy i element osadzony w metalu są zintegrowane po formowaniu, a komponent kompozytowy może być połączony za pomocą osadzonego metalu. składnik, aby uniknąć kompozytów obraŜonych maszynowo.
3 Zalety zastosowania w samochodach
Przy doborze materiałów samochodowych należy wziąć pod uwagę szereg czynników, takich jak właściwości mechaniczne, lekkość, stabilność materiału, zdolność do znakowania materiałów i przetwarzalność. Każdy czynnik będzie miał znaczący wpływ na projekt, produkcję, sprzedaż i użytkowanie samochodu. W ostatnich latach polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) stały się nowym materiałem motoryzacyjnym o wyjątkowych właściwościach. Kompozyty polimerowe wzmocnione włóknami węglowymi mają następujące zalety w stosunku do innych materiałów samochodowych.
3.1 Doskonałe właściwości mechaniczne
Wzmocniony włóknem węglowym kompozyt matrycowy z żywicy (CFRP) ma gęstość od 1,5 do 2 g / cm3, co stanowi tylko 1/4 do 1/5 zwykłej stali węglowej i jest o 1/3 lżejszy od stopu aluminium, ale do włókna węglowego Materiał kompozytowy Kompleksowe właściwości mechaniczne są znacznie lepsze niż materiałów metalowych, a wytrzymałość na rozciąganie jest 3 do 4 razy większa niż stali. Wytrzymałość zmęczeniowa stali i aluminium wynosi od 30% do 50% wytrzymałości na rozciąganie, podczas gdy CFRP może osiągnąć 70% do 80%. Jednocześnie, CFRP ma również lepsze właściwości tłumienia drgań niż metal lekki. Na przykład lekki stop potrzebuje 9 s, aby zatrzymać wibracje. Materiał kompozytowy z włókna węglowego można zatrzymać na 2 sekundy, a siła właściwa i moduł właściwy są wysokie.
3.2 Planowane
Materiał kompozytowy z włókna węglowego ma silną zdolność określania i może wybrać materiał bazowy w rozsądny sposób zgodnie z wymaganiami dotyczącymi działania, zaprojektować układ włókien i postać strukturalną materiału kompozytowego oraz elastycznie zaprojektować produkt. Na przykład, układając włókna węglowe w kierunku siły, można w pełni wykorzystać anizotropię wytrzymałości materiału kompozytowego, osiągając w ten sposób cel oszczędzania materiałów i obniżania jakości. W przypadku produktów wymagających odporności na korozję do projektowania można wybrać materiał podstawowy o dobrej odporności na korozję.
3.3 Możliwe jest zintegrowane wykonanie
Modularność i integracja są również trendem rozwojowym w strukturze samochodów. Materiały kompozytowe są łatwe do formowania zakrzywionych powierzchni o różnych kształtach podczas formowania, umożliwiając zintegrowaną produkcję części samochodowych. Zintegrowane formowanie może nie tylko zmniejszyć liczbę części i liczbę form, zmniejszyć liczbę części i innych procesów, ale także znacznie skrócić cykl produkcyjny. Na przykład, jeśli przedni moduł pojazdu jest wykonany z materiału kompozytowego z włókna węglowego, może on realizować zintegrowane zintegrowane formowanie, unikając miejscowego koncentracji naprężeń spowodowanego późniejszym spawaniem i późniejszym przetwarzaniem części metalowych oraz zmniejszaniem części samochodowych przy jednoczesnym zapewnieniu precyzji produktu i poprawa wydajności. Jakość, obniżenie kosztów produkcji.
3.4 Pochłanianie energii i odporność na uderzenia
Wzmocniony włóknem węglowym kompozyt matrycowy z żywicy (CFRP) ma pewną lepkosprężystość i występuje niewielki lokalny ruch względny między włóknem węglowym a matrycą, który może generować tarcie międzyfazowe. W ramach synergii lepkosprężystości i tarcia międzyfazowego, części z CFRP mają lepszą absorpcję energii i odporność na uderzenia. Z drugiej strony, specjalnie tkana kompozytowa struktura pochłaniająca energię z włókna węglowego rozpada się na mniejsze fragmenty w kolizji o wysokiej prędkości, pochłania dużą ilość energii uderzenia, a jej zdolność pochłaniania energii jest 4 do 5 razy większa niż w przypadku materiałów metalowych, który może skutecznie poprawić pojazd. Bezpieczeństwo w celu ochrony bezpieczeństwa członków.
3.5 Dobra odporność na korozję
Materiał kompozytowy z matrycą polimerową wzmocnioną włóknami węglowymi składa się głównie z kabla z włókna węglowego i materiału żywicznego i ma doskonałą odporność na kwasy i zasady. Produkowane przez siebie części samochodowe nie wymagają obróbki antykorozyjnej powierzchni i mają dobrą odporność na warunki atmosferyczne i starzenie, a żywotność jest na ogół 2 do 3 razy większa niż stali.
3.6 Dobre działanie w zakresie temperatury
Włókno węglowe ma bardzo stabilną wydajność poniżej 400 ° C i nie zmienia się zbytnio przy 1000 ° C.
3.7 Dobra odporność na zmęczenie
Materiał wzmocniony włóknem węglowym ma utrudnienie wzrostu pękania zmęczeniowego włókna, a jego wytrzymałość zmęczeniowa może osiągnąć 70% do 80%. Struktura włókna węglowego jest stabilna, a wytrzymałość materiału kompozytowego po teście cyklu zmęczenia naprężeń jest miliony razy. Wciąż jest 60%, podczas gdy stal i aluminium to odpowiednio 40% i 30%, a FRP to tylko 20% do 25%. Dlatego odporność na zmęczenie kompozytów z włókien węglowych jest odpowiednia dla szerokiego zakresu zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym.
4 Analiza ekonomiczna nowych energetycznych pojazdów pasażerskich
Ze względu na odniesienie do włókna węglowego ciężar ciała można zmniejszyć o ponad 50%. Biorąc na przykład utratę wagi 100 kg typowego modelu klasy A, waga całego pojazdu jest bardzo oczywista. Można to wyjaśnić na podstawie następujących aspektów: 1 na 1 W przypadku samochodu osobowego o dystansie jazdy 300 km i poborze mocy 45 kW · h, ten sam zasięg jazdy może zostać zmniejszony o 3,6 kW · h przez eksperta z branży "100 kg na zmniejszenie masy i zwiększenie zakresu jazdy o 8% ". Koszt oszczędzania baterii to około 0,6 miliona juanów; 2, z cyklem życia 400 000 kilometrów i średnim kosztem energii 0,9 juana / kW · h, koszt energii elektrycznej może zostać zaoszczędzony w cyklu życia pojazdu przez 400 000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,32 miliona juanów. 100km oszczędności 1,2kW · h obliczenie elektryczności); 3 Ze względu na zastosowanie materiałów z włókien węglowych, biorąc na przykład skalę produkcji 50 000 pojazdów, zaoszczędzone inwestycje w technologię i wyposażenie są przeliczane na ekwiwalent ekonomiczny pojazdów elektrycznych w każdym pojeździe. Amortyzacja pozwoli zaoszczędzić około 2000 juanów; 4, ponieważ proces jest usprawniony, koszty personelu można zaoszczędzić co najmniej 1000 juanów / Tajwanu.
Łącznie średni koszt na pojazd wynosi 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 miliona, ale te koszty nie są wystarczające, aby zrównoważyć wzrost kosztu samego materiału w związku z wprowadzeniem włókna węglowego. Można zauważyć, że stosowanie korpusu z włókna węglowego nadal stanowi duży problem. Jeśli chcesz promować lekkie ciało, możesz zacząć od ograniczenia inwestycji w technologię i sprzęt. Łącznie średni koszt na pojazd wynosi 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 miliona, ale te koszty nie są wystarczające, aby zrównoważyć wzrost kosztu samego materiału w związku z wprowadzeniem włókna węglowego. Można zauważyć, że stosowanie korpusu z włókna węglowego nadal stanowi duży problem.
Jeśli chcesz promować lekkie ciało, możesz zacząć od ograniczenia inwestycji w technologię i sprzęt.
Jeśli samochód zrealizuje masową produkcję korpusu z włókna węglowego, koszt samego materiału z włókna węglowego również spadnie drastycznie, a cały efekt w branży będzie dość duży, a korzyści ekonomiczne staną się coraz bardziej oczywiste. Są one analizowane tylko z perspektywy włókna węglowego. Jeśli weźmiemy pod uwagę czynnik zmniejszający masę korpusu ze stopu aluminium o 50 kg, efekt ekonomiczny jest oczywisty.
5 dla rozwoju ciała
Ze względu na właściwości materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami węglowymi, takie materiały są stopniowo preferowane przez producentów samochodów. Szacuje się, że w sektorze motoryzacyjnym zużycie włókien węglowych wzrasta średnio o 34% i osiągnie 23 000 ton do roku 2020. Rysunek 2 jest mapą drogową rozwoju kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym dla ciała.
Obecnie materiały kompozytowe wzmocnione włóknami węglowymi są głównie używane do pokrywania ciała, elementów dekoracyjnych i elementów konstrukcyjnych na ciele. Na przykład, BMW wykorzystało kompozyty z włókien węglowych do budowy elementów konstrukcyjnych nadwozia w różnych opracowanych przez siebie modelach, które stały się ważnym momentem dla kompozytów z włókna węglowego w produkcji samochodów. W tym samym czasie BMW współpracowało z SGL (SGL), aby zainwestować 100 milionów euro, aby rozwinąć tanie włókna węglowe i zwiększyć produkcję włókien węglowych z 3000 ton rocznie do 9000 ton, aby sprostać rosnącym wymaganiom pojazdów elektrycznych BMW serii I i inni. Popyt na modele.
6 Wniosek
Podsumowując, kompozyty z żywicy wzmacnianej włóknami węglowymi (CFRP) stały się ważnym kierunkiem rozwoju nowych materiałów samochodowych w przyszłości ze względu na ich wyjątkowe zalety w zakresie wydajności. Jeśli jednak materiał ten ma być promowany i stosowany w branży motoryzacyjnej, konieczne jest rozpoczęcie wspólnych badań i rozwoju przemysłu, środowiska akademickiego i badań z następujących aspektów: 1, aby dalej poszukiwać tańszego prekursora włókna węglowego; 2 do opracowania nowych procesów wytwarzania włókien węglowych, takich jak stabilność materiałów prekursorowych. 3; zoptymalizować parametry procesu produkcji włókna węglowego lub użyć włókna węglowego nano w celu dalszej poprawy wydajności kompozytów CFRP; 4 opracowanie szybkich i skutecznych technologii formowania wtryskowego CFRP, takich jak technologia szybkiego utwardzania, technologia kontroli przepływu materiału kompozytowego; 5 Użyj komputerowej technologii analizy symulacji (CAE), aby wybrać różne materiały kompozytowe z włókna węglowego i zoptymalizować parametry procesu formowania.
-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- --------------
XIAMEN LFT COMPOSITE PLASTIC CO., LTD.
Skoncentruj się na (LFT-G, LFRT) R & D i produkcji: PA, PP, TPU, PPS, PBT, PPA długie włókna szklane i ciągłe infiltracja włókna węglowego termoplastyczne kompozytowe serie inżynierii tworzyw sztucznych
Jeśli potrzebujesz więcej informacji, skontaktuj się ze mną.
Mike Lee
Email: sale02@lfrtplastic.com
Telefon komórkowy: + 86-180-5026-9764 (wechat / whatsapp / skype)
Witryna: www.lfrt-plastic.com
Dodaj: No.27 Hongxi Road, Tiangong Chuangxin Technology Park, Maxiang Town, Xiang'an Dist., Xiamen, Fujian, Chiny.
