CFRP مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل سبک و اقتصادی وسایل نقلیه مسافری انرژی جدید

فیبر کربن به طور کلی با رزین اپوکسی ترکیب شده است تا مواد کامپوزیتی ایجاد کند. این مواد کامپوزیتی به ارث می برد مجموعه ای از مزایا مانند قدرت ویژه خاص، مدول خاص، قدرت خستگی، و مقاومت در برابر ضربه فیبر کربن خود. در عین حال اپوکسی به ارث برده است. فرمول رزین انعطاف پذیر و همه جانبه است، و کاربرد آن بسیار هدفمند است. در مقایسه با اعضای ساختمانی آلیاژ آلومینیوم، اثر کاهش وزن مواد کامپوزیتی فیبر کربن می تواند 20 تا 40 درصد افزایش یابد. در مقایسه با قطعات فلزی فولاد، اثر کاهش وزن مواد کامپوزیتی فیبر کربن حتی می تواند به 60 تا 80 درصد برسد. استفاده از مواد کامپوزیتی فیبر کربنی این نه تنها کیفیت کلی وسایل نقلیه را کاهش می دهد، بلکه فرایند تولید خودرو را نیز تا حدودی تحت تاثیر قرار می دهد.

1 نوع فرایند

پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) به کامپوزیت از الیاف کربن به عنوان یک فاز تقویت کننده و مواد رزین گرمانرم یا ترموپلاستی اشاره دارد. تکنولوژی تولید مواد کامپوزیتی CFRP عمدتا شامل فرآیندهای تشکیل دهنده و مایع تشکیل دهنده پیشرو است. مقایسه و تجزیه و تحلیل انواع فرایندهای کامپوزیت های ماتریس تقویت پلیمر کربن در جدول 1 نشان داده شده است.

2 مصالح ساختمانی و مصالح ساختمانی

ترکیب کامپوزیت قطعات خودرو و اتصال قطعات کامپوزیتی و قطعات فلزی یک مشکل اجتناب ناپذیر است. مواد کامپوزیت آنیزوتروپیک است، با قدرت کم بین شفاف و کم خوابی، طراحی و تجزیه و تحلیل مفاصل مواد کامپوزیت بسیار پیچیده تر از فلزات است. اتصال بین قطعات فلز سنتی در صنعت خودرو برای مصالح کامپوزیت مناسب نیست. بنابراين، اتصال به اينترنت، شناختن و بهبود نحوه اتصال مواد و مواد کامپوزي کامپيوتر خودرويي و انتخاب مناسبي براي آن ضروري است.

با توجه به تداوم فیبرهای شکسته شده توسط حفره ها، باعث ایجاد غلظت های شدید استرس می شود. مفاصل مواد کامپوزیت معمولا ضعیف ترین پیوند در کل ساختار هستند. بنابراین، مهم است که به اطمینان از قدرت اتصالات در طراحی ساختار مواد کامپوزیتی. مواد کامپوزیتی به سه دسته عمده تقسیم می شوند: اتصالات چسب دار، اتصالات مکانیکی و اتصالات ترکیبی بین دو. برای کامپوزیت های ترموپلاستیک، تکنیک های جوش وجود دارد. طراحی فن آوری ارتباط مواد کامپوزیت باید با توجه به شرایط استفاده خاص و الزامات طراحی اجزاء تعیین شود.

2.1 اتصال چسب

در مقایسه با اتصال مکانیکی، مزایای اصلی فن آوری اتصال، تمرکز استحکام ناشی از هیچ حفره ای، کاهش کیفیت ساختاری، مقاومت خستگی، ارتعاش خوب و خواص عایق، ظاهر صاف، روند پیوند ساده و مشکلات خوردگی الکتروشیمیایی است. با این حال، برخی از معایب در تکنولوژی پیوند، مانند کنترل سختی کیفیت پیوند، پراکندگی نسبتا بزرگ از قدرت اتصال، عدم وجود روش های بازرسی قابل اعتماد، و الزامات سخت برای درمان سطح و پیوند سطوح پیوند وجود دارد. برای فیبر کامپوزیت فیبر کربن، اتصال اصلی اتصال اصلی است.

2.2 اتصال مکانیکی

اتصالات مکانیکی به طور کلی استفاده می شود اتصال دهنده ها و پیچ و مهره، اتصال اغلب استفاده می شود. مزیت اصلی اتصالات مکانیکی قابلیت اطمینان بالا اتصال است که می تواند بارگیری و بارگذاری مجدد در طول تعمیر و نگهداری یا جایگزینی انجام شود، نیازی به سطح کاری ندارد و تاثیر نسبتا کمی بر محیط زیست دارد. ضعف اصلی اتصالات مکانیکی افزایش وزن، غلظت تنش و خوردگی الکتروشیمیایی فلزات و کامپوزیت ها است. مقایسه اتصالات پیچی و اتصالات پیچ در شکل 1 نشان داده شده است.

2.3 اتصال هیبریدی

به منظور بهبود ایمنی و یکپارچگی اتصال، در برخی از سایت های ارتباطی مهم، یک روش اتصال ترکیبی پیوند و اتصال مکانیکی معمولا در همان زمان به کار می رود و مزایای استفاده از دو روش اتصال به طور کامل مورد استفاده قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که سایت اتصال دارای قدرت کافی و قابلیت اطمینان بالا است.

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 مطبوعات را به هم متصل می کنیم. جوشکاری عمدتا شامل جوشکاری التراسونیک، جوشکاری القایی الکتریکی و جوشکاری مقاومت است. مزایای جوشکاری اتصالات خوب و چرخه کوتاه، بدون درمان سطح، قدرت اتصال بالا، استرس کم و غیره است. ناپایداری برای جداسازی دشوار است و نیاز به افزودن مواد رسانا یا سیمهای فلزی است. علاوه بر این، در زمان ریخته گری ساختار عضو کامپوزیت، اتصال فلزی را می توان در قالب پیش ساخته فیبر جاسازی شده، و مواد کامپوزیتی و قطعات گیرنده فلزی پس از قالب بندی، یکپارچه شده و قطعات کامپوزیت را می توان از طریق عضو متصل به فلز برای اجتناب از کامپوزیت آسیب ماشینکاری.

3 مزایای استفاده برای خودرو

تعدادی از عوامل در هنگام انتخاب مواد خودرویی مانند خواص مکانیکی، وزن سبک، ثبات مواد، قابلیت شناسایی مواد و قابلیت پردازش وجود دارد. هر یک از این عوامل اثرات ناچیزی بر طراحی، تولید، فروش و استفاده از اتومبیل داشته است. در سال های اخیر، پلیمر های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود، به یک ماده جدید خودرو تبدیل شده است. کامپوزیت های ماتریکس پلیمر تقویت شده با فیبر کربن در مقایسه با سایر مواد خودروی مزایای زیر را داراست.

3.1 خواص مکانیکی عالی

تراکم کامپوزیت ماتریس کامپوزیت رزین تقویت شده (CFRP) برای وسایل نقلیه 1.5 تا 2g / cm3 است که تنها 1/4 تا 1/5 فولاد معمولی کربن است و حدود 1/3 سبکتر از آلیاژ آلومینیوم است، اما کربن مواد کامپوزیت فیبر ویژگی های مکانیکی جامد به طور مشخص بهتر از مواد فلزی است و استحکام کششی آن 3 تا 4 برابر فولاد است. مقاومت خستگی فولاد و آلومینیوم 30٪ تا 50٪ استحکام کششی است و CFRP می تواند از 70٪ تا 80٪ برسد. در عین حال، CFRP همچنین دارای ویژگی های مهار ارتعاش بهتر از فلزات نازک است، مانند آلیاژهای سبک نیاز به 9S برای جلوگیری از ارتعاش، مواد کامپوزیتی فیبر کربن 2s می تواند متوقف شود و دارای قدرت خاص و مدول خاص است.

3.2 قابل طراحی

طراحی مواد کامپوزیتی فیبر کربن قوی است و ماده ماتریس را می توان منطبق بر اساس الزامات عملکرد انتخاب کرد، ترتیب الیاف می تواند طراحی شده و ساختار مواد کامپوزیتی باشد و طراحی محصول می تواند انعطاف پذیر باشد. به عنوان مثال، با تنظیم الیاف کربن در جهت نیرو، ناهماهنگی از مقاومت مواد کامپوزیت می تواند به طور کامل اعمال شود، در نتیجه دستیابی به هدف صرفه جویی در مواد و کاهش کیفیت. برای محصولاتی که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی دارند، مواد پایه با مقاومت در برابر خوردگی خوب می توانند در هنگام طراحی استفاده شوند.

3.3 می تواند تولید یکپارچه را به دست آورد

مدولاسیون و ادغام نیز روند در ساختار خودرو است. هنگامی که مواد کامپوزیت شکل می گیرد، یک سطح منحنی از اشکال مختلف برای تولید یکپارچه قطعات خودرو و اجزای آن آسان است. ریخته گری مجتمع می تواند نه تنها تعداد قطعات و 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 یک ماشین از مواد کامپوزیتی فیبر کربن ساخته شود، می توان آن را یکپارچه تشکیل داده و یکپارچه برای جلوگیری از تمرکز استرس موضعی ناشی از جوش بعدی و پردازش بعدی قطعات فلزی، در حالی که کاهش دقت محصول و بهبود عملکرد در حالی که کاهش قطعات خودرو. کیفیت، هزینه های تولید را کاهش می دهد.

3.4 جذب انرژی و مقاومت به ضربه

کامپوزیت ماتریس رزین تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) درجه خاصی از ویسکلوسپلاستیک دارد و حرکت نسبی نسبی بین فیبر کربن و ماتریکس وجود دارد که می تواند اصطکاک بین فضای ایجاد کند. تحت تأثیر نیروی واسکولاسیون و اصطکاک مواجهه، قطعات CFRP دارای جذب انرژی و مقاومت کمتری هستند. از سوی دیگر، کامپوزیت فیبر کربن مخصوص جذب شده به قطعات کوچک با برخورد های با سرعت بالا سقوط می کند، 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 بهبود وسایل نقلیه. امنیت، امنیت ایمنی اعضا را حفظ کنید.

3.5 مقاومت در برابر خوردگی خوب

کامپوزیت ماتریکس پلیمری تقویت شده با فیبر کربن عمدتا از مواد فیبر کربن و مواد رزین تشکیل شده و دارای خواص مقاومتی اسیدی و قلیایی است. قطعات خودرو ساخته شده از آنها نیازی به درمان سطحی ضدعفونی کننده ندارند و مقاومت در برابر آب و هوا و مقاومت پیری آنها خوب است. زندگی آنها خوب است. 2 تا 3 برابر فولاد.

3.6 عملکرد بالا درجه حرارت

عملکرد فیبر کربن در دمای زیر 400 درجه سانتیگراد بسیار پایدار است و تغییرات قابل توجهی در 1000 درجه سانتیگراد وجود ندارد.

3.7 مقاومت خوب خستگی

مواد تقویت شده از فیبر کربن اثر مهاری بر انتشار ترک خستگی به علت فیبر دارند و مقاومت خستگی آن می تواند به 70٪ تا 80٪ برسد. ساختار فیبر کربنی پایدار است. پس از خستگی مواد مواد کامپوزیت میلیون ها سیکل است، میزان استقامت آن هنوز 60٪ است، در حالی که فولاد و آلومینیوم به ترتیب 40٪ و 30٪ و فایبرگلاس تنها 20٪ تا 25٪ است. بنابراین، مقاومت خستگی کامپوزیتهای فیبر کربن برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعت خودرو سازی مناسب است.

4 تجزیه و تحلیل اقتصادی وسایل نقلیه مسافری انرژی جدید

به علت استفاده از فیبر کربن، بدن می تواند بیش از 50٪ کاهش یابد. با توجه به کاهش وزن 100 کیلوگرم در یک وسیله نقلیه معمولی کلاس A، اهمیت وزن سبک خودرو بسیار واضح است. این را می توان از جنبه های زیر توضیح داد: 1 برای یک ایستگاه برای یک ماشین سواری با 300 کیلومتر و ظرفیت شارژ 45 کیلو وات · ساعت، رانندگی همان محدوده را می توان به 3.6 کیلو وات · کاهش، به عنوان محاسبه شده توسط متخصص صنعت، "100 کیلوگرم به ازای هر 100 کیلوگرم، به علاوه 8 درصد افزایش در محدوده رانندگی". هزینه صرفه جویی در باتری حدود 0.6 میلیون یوان است؛ 2 میانگین چرخه زندگی رانندگی 400000 کیلومتر و هزینه برق بر اساس 0.9 یوان / کیلو وات ساعت محاسبه می شود. هزینه برق کل وسیله نقلیه می تواند 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 میلیون نفر را ذخیره کند. 100 کیلوگرم موجب صرفه جویی در مصرف انرژی 1.2 کیلووات ساعت می شود.) 3 به دلیل استفاده از مواد فیبر کربن، با در نظر گرفتن مقیاس تولید 50،000 وسیله نقلیه، سرمایه گذاری فرآیند ذخیره شده و سرمایه گذاری تجهیزات به معادل اقتصادی خودروهای الکتریکی تبدیل می شود و هر وسیله نقلیه استهلاک صرفه جویی در حدود 2000 یوان؛ 4 زیرا روند ساده شده است، هزینه های پرسنلی حداقل 1000 یوان / تایوان را نجات می دهد.

اقلام فوق به طور متوسط صرفه جویی 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 میلیون یوان در هر وسیله نقلیه است، اما این هزینه ها برای جبران هزینه های خود مواد به دلیل استفاده از فیبر کربن کافی نیست. دیده می شود که در استفاده از فیبرهای فیبر کربن همچنان مشکلی وجود دارد. اگر می خواهید بدن سبک وزن را ترویج کنید، می توانید از کاهش ورودی فرآیند و تجهیزات شروع کنید. اقلام فوق به طور متوسط صرفه جویی 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 میلیون یوان در هر وسیله نقلیه است، اما این هزینه ها برای جبران هزینه های خود مواد به دلیل استفاده از فیبر کربن کافی نیست. دیده می شود که در استفاده از فیبرهای فیبر کربن همچنان مشکلی وجود دارد.

اگر می خواهید بدن سبک وزن را ترویج کنید، می توانید از کاهش ورودی فرآیند و تجهیزات شروع کنید.

اگر ماشین تولید انبوه فیبرهای فیبر کربن را به دست آورد، هزینه مواد فیبر کربن نیز به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت، اثر کل صنعت بسیار بزرگ خواهد بود و مزایای اقتصادی نیز واضح تر خواهد شد. این فقط از دیدگاه تجزیه و تحلیل فیبر کربن است، اگر شما در نظر گرفتن وزن عامل وزن 50kg بدن آلیاژ آلومینیوم، با توجه به همین دلیل پشته مثبت، اثر اقتصادی خود آشکار است.

5 روند توسعه خودرو بدنه

با توجه به ویژگی های کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن، این نوع مواد به طور فزاینده ای توسط تولید کنندگان خودرو مورد توجه قرار می گیرد. برآورد شده است که در بخش خودرو، استفاده از فیبر کربن در سالانه به طور متوسط 34 درصد رشد می کند و تا سال 2020 به 23000 تن خواهد رسید. شکل 2 نقشه راه توسعه کامپوزیت های تقویت شده فیبر کربن برای بدنه خودرو را نشان می دهد.

در حال حاضر، کامپوزیت های تقویت شده فیبر کربن عمدتا به پانل های بدن، ترمو بدن و قطعات ساختاری اعمال می شود. به عنوان مثال، BMW از تعدادی از مواد کامپوزیتی فیبر کربن برای توسعه انواع مدل ها برای ساخت قطعات ساختاری بدن استفاده کرده است. این یک لحظه مهم برای استفاده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن در تولید خودرو است. در همان زمان، BMW با همکاری SGL در آلمان همکاری کرد و 100 میلیون یورو را در تحقیق و توسعه فیبر کربن کم هزینه و تولید فیبر کربن از 3000 تن در سال به 9000 تن افزایش داد تا با رشد BMW I خودروهای الکتریکی سری و دیگران. تقاضا برای مدل

6. نتیجه گیری

به طور خلاصه، کامپوزیت های ماتریکس رزین تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) در آینده با اهداف منحصر به فرد خود، جهت توسعه جدید مواد خودروی جدید تبدیل شده اند. با این حال، به منظور ترویج استفاده از این مواد در زمینه خودرو، لازم است تحقیق و توسعه مشترک تولید، یادگیری و تحقیقات از جنبه های زیر آغاز شود: (1) جستجوی بیشتر برای پیش فروش های کم هزینه فیبر کربن؛ (2) فرآیندهای تولید جدید فیبر کربن مانند تثبیت مواد پیش ساز را توسعه دهند. فن آوری؛ 3 بهینه سازی پارامترهای فرآیند تولید فیبر کربن و یا استفاده از فیبر نانو کربن برای بهبود عملکرد کامپوزیت CFRP. 4 توسعه فن آوری های ریخته گری و ساخت قطعات CFRP سریع و موثر، از جمله تکنولوژی ریخته گری سریع و 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.