CFRP משמש לניתוח קל משקל כלכלי של כלי רכב נוסעים אנרגיה חדשה

סיבי פחמן משולב בדרך כלל עם שרף אפוקסי כדי ליצור חומר מרוכב. חומר מרוכב זה יורש שורה של יתרונות כגון חוזק ספציפי גבוה יותר, מודולוס ספציפי, כוח עייפות, ואת ההתנגדות הלם של סיבי פחמן עצמה. במקביל, הוא יורש אפוקסי. ניסוח שרף הוא גמיש צדדי, היישום שלה הוא ממוקד מאוד. לעומת חברי סגסוגת אלומיניום מבניים, ההשפעה של הפחתת משקל של חומרים מרוכבים סיבים פחמן יכול להגיע 20% ל 40%. לעומת רכיבי מתכת פלדה, ירידה במשקל השפעה של חומרים סיבי פחמן מרוכבים יכול אפילו להגיע 60% ל 80%. השימוש בחומרים מרוכבים סיבי פחמן זה לא רק מפחית את איכות הרכב הכוללת, אלא גם משפיע ומשנה את תהליך ייצור הרכב במידה מסוימת.

1 סוג תהליך

סיבי פחמן מחוזק פולימרים (CFRP) מתייחס מורכב של סיבי פחמן כמו שלב חיזוק תרמופלסטיים או חומר שרף תרמוסטית. טכנולוגיית הייצור של חומרים מרוכבים CFRP כולל בעיקר prepreg ויצירת תהליכים נוזל להרכיב. ההשוואה וניתוח של סוגי התהליך של סיבי פחמן מחוזק מרוכבים פולימר מטריקס מוצגים בטבלה 1.

2 כלי רכב הרכבה טכנולוגיית האסיפה

הרכבה המשולב של חלקי רכב מרוכבים ואת החיבור בין חלקים מרוכבים חלקי מתכת היא בעיה בלתי נמנעת. החומר מרוכב הוא anisotropic, עם כוח interlaminar נמוך משיכות נמוכה, מה שהופך את העיצוב וניתוח של המפרקים של חומרים מרוכבים הרבה יותר מורכב מאשר מתכות. הקשר בין חלקי מתכת מסורתיים בתעשיית הרכב אינו מתאים לחומרים מרוכבים. חיבור, לכן, חשוב להבין ולשפר את האופן שבו חומרים מרוכבים הרכב מחוברים ומתוקנים, כדי לבצע בחירות סבירות.

בשל המשכיות של הסיבים שבורים על ידי הפתחים, ריכוזי מתח מקומיים נגרמות. המפרקים של חומרים מרוכבים הם בדרך כלל החוליה החלשה ביותר בכל המבנה. לכן, חשוב כדי להבטיח את כוחם של המפרקים בעיצוב המבני של חומרים מרוכבים. חומרים מרוכבים מחולקים לשלוש קטגוריות עיקריות, כלומר, חיבורים מודבקים, חיבורים מכניים, קשרים היברידיים בין השניים. עבור חומרים מרוכבים תרמופלסטיים, יש טכניקות ריתוך. Composite חומר חיבור עיצוב הטכנולוגיה צריכה להיות נקבעת על פי תנאי השימוש הספציפיים דרישות העיצוב של הרכיבים.

2.1 חיבור מודבק

לעומת החיבור המכני, היתרונות העיקריים של טכנולוגיית מליטה הם ריכוז הלחץ נגרמת על ידי לא פתחים, איכות מבנית מופחת, עמידות עייפות, רטט טוב תכונות בידוד, מראה חלקה, תהליך מליטה פשוטה, ולא בעיות קורוזיה אלקטרוכימיים. עם זאת, יש כמה חסרונות בטכנולוגיה מליטה, כגון שליטה קשה על איכות מליטה, פיזור גדול יחסית של כוח מליטה, היעדר שיטות בדיקה אמין, דרישות קפדניות על טיפול פני השטח מליטה משטחי מליטה. עבור גוף סיבי פחמן מורכב, מליטה היא החיבור העיקרי.

2.2 חיבור מכני

חיבור מכני משמש בדרך כלל מסמרות וברגים, הוא החיבור הנפוץ ביותר. היתרון העיקרי של החיבור המכני הוא אמינות גבוהה של החיבור, אשר ניתן לפרק שוב ושוב התאספו במהלך תחזוקה או החלפת, אינו דורש טיפול פני השטח, ויש לו השפעה קטנה יחסית על הסביבה. החיסרון העיקרי של חיבורים מכניים הוא הגידול במסה, ריכוז הלחץ, ואת קורוזיה אלקטרוכימית של מתכות וחומרים מרוכבים. ההשוואה של חיבורים מסמרת וחיבורים הבריח מוצג באיור 1.

2.3 חיבור היברידי

על מנת לשפר את הבטיחות והשלמות של החיבור, בכמה אתרי חיבור חשובים, שיטת חיבור היברידית של מליטה וחיבור מכני מאומצת בדרך כלל באותו זמן, והיתרונות של שתי שיטות החיבור מנוצלים במלואם כדי להבטיח אתר החיבור יש מספיק כוח ואמינות גבוהה.

2.4 ריתוך

ריתוך הטכנולוגיה מיושמת בעיקר חלקים תרמופלסטיים מרוכבים. העיקרון הבסיסי הוא לחמם את שרף על פני השטח של מרוכבים תרמופלסטיים מותכת, ולאחר מכן הברכיים הקש כדי להפוך אותו משולב. ריתוך בעיקר כולל ריתוך קולי, ריתוך אינדוקציה חשמלי ריתוך התנגדות. היתרונות של ריתוך הם חיבור טוב ומחזור קצר, ללא טיפול פני השטח, חוזק חיבור גבוה, מתח נמוך, וכו '; את אי דיוקים קשה לפרק צריך להוסיף חומרים מוליכים או חוטי מתכת. בנוסף, במהלך דפוס של חבר מבני מורכב, מחבר המתכת יכול להיות מוטבע ב preform סיבים, ואת החומר מרוכבים חבר מוטבע מתכת משולבים לאחר דפוס, ואת החלקים מרוכבים ניתן לחבר דרך חבר מוטבע מתכת כדי למנוע עיבוד שבבי מרוכבים.

3 יתרונות היישום עבור הרכב

ישנם מספר גורמים שיש לקחת בחשבון בעת בחירת חומרים הרכב, כגון תכונות מכניות, משקל קל, יציבות החומר, designability החומר, ו processability. לכל אחד מהגורמים הללו תהיה השפעה לא זניחה על תכנון, ייצור, מכירה ושימוש במכוניות. בשנים האחרונות, סיבי פחמן מחוזק פולימרים (CFRP) הפך חומר הרכב החדש מושך תשומת לב בשל מאפייני הביצועים הייחודיים שלה. לעומת חומרים אחרים הרכב, סיבי פחמן מחוזק מרוכבים פולימר מטריקס יש את היתרונות הבאים.

3.1 תכונות מכניות מצוינות

הצפיפות של סיבי פחמן מחוזק שרף מטריקס שרף (CFRP) עבור כלי רכב הוא 1.5-2g / cm3, אשר רק 1/4 עד 1/5 של פחמן פלדה משותף, והוא על 1/3 קל יותר מסגסוגת אלומיניום, אבל פחמן חומר סיבי מרוכבים המאפיינים המכניים מקיף הם כמובן טוב יותר מאשר חומרי מתכת, חוזק מתיחה שלה הוא 3 עד 4 פעמים של פלדה. כוח עייפות של פלדה ואלומיניום הוא 30% עד 50% חוזק מתיחה, CFRP יכול להגיע 70% ל 80%. במקביל, CFRP יש גם טוב יותר רטט תכונות דעיכה מאשר מתכות קלות, כגון סגסוגת אור דורש 9S כדי לעצור רטט, סיבי פחמן חומר מרוכב 2s ניתן לעצור יש כוח ספציפי גבוה יותר מודולוס ספציפי.

3.2 ניתן לעיצוב

העיצוב של חומר סיבי פחמן מורכב הוא חזק, ואת החומר מטריקס ניתן לבחור באופן סביר על פי דרישות הביצועים, את הסדר של סיבים יכול להיות מתוכנן ואת המבנה של החומר מרוכבים, ואת עיצוב המוצר יכול להתבצע בצורה גמישה. לדוגמה, על ידי הסדרת סיבי הפחמן בכיוון של כוח, האניזוטרופיה של הכוח של החומר מרוכבים יכול להיות מופעל באופן מלא, ובכך להשיג את המטרה של חיסכון חומר והפחתת איכות. עבור מוצרים הדורשים עמידות בפני קורוזיה, חומר בסיס עם עמידות בפני קורוזיה טובה ניתן להשתמש במהלך העיצוב.

3.3 יכול להשיג ייצור משולב

מודולריזציה ואינטגרציה הם גם מגמות במבנה הרכב. כאשר החומר מורכב נוצר, קל ליצור משטח מעוקל של צורות שונות כדי להשיג ייצור משולב של חלקי רכב ורכיבים. דפוס משולב לא יכול רק לצמצם את מספר החלקים ותבניות, להפחית את מספר הרכיבים ותהליכים אחרים, אלא גם לקצר מאוד את מחזור הייצור. לדוגמה, אם המודול הקדמי של המכונית עשוי מחומר מרוכב סיבי פחמן, זה יכול להיות משולב אינטגרלי משולבת, כדי למנוע ריכוז הלחץ המקומי שנגרם על ידי ריתוך הבאים עיבוד הבאים של חלקי מתכת, תוך הפחתת דיוק המוצר ושיפור הביצועים תוך הפחתת חלקי רכב. איכות, להפחית את עלויות הייצור.

3.4 קליטת אנרגיה והתנגדות השפעה

סיבי פחמן מחוזק שרף מטריקס מטריקס (CFRP) יש מידה מסוימת של viscoelasticity, ויש תנועה יחסית מקומית יחסית בין סיבי פחמן לבין המטריצה, אשר יכול ליצור חיכוך interfacial. תחת ההשפעה הסינרגטית של viscoelasticity ואת החיכוך interfacial, חלקים CFRP יש ספיגת אנרגיה טובה יותר ואת ההתנגדות השפעה. מצד שני, במיוחד סיבי פחמן מרוכבים סיבים לתוך שברי קטן התנגשויות במהירות גבוהה, סופג כמות גדולה של אנרגיה השפעה, ואת יכולת ספיגת האנרגיה שלה הוא 4 עד 5 פעמים גבוה יותר מזה של חומרים מתכת, אשר יכול ביעילות לשפר את כלי הרכב. אבטחה, להגן על בטיחות החברים.

3.5 עמידות בפני קורוזיה טובה

סיבי פחמן מחוזק פולימר מרוכבים מטריקס מורכבים בעיקר סיבי פחמן גרירה וחומרים שרף, ויש להם חומצה מעולה תכונות ההתנגדות אלקלי. חלקי חילוף לרכב אינם זקוקים לטיפול בחומרים אנטיספטיים, והתנגדות מזג האוויר והתנגדות ההזדקנות שלהם טובים. חיי השירות שלהם טובים. 2 עד 3 פעמים של פלדה.

3.6 ביצועים בטמפרטורה גבוהה

הביצועים של סיבי פחמן בטמפרטורות מתחת 400 ° C נשאר יציב מאוד, ואין שינוי משמעותי ב 1 000 מעלות צלזיוס.

3.7 עמידות עייפות טובה

סיבי פחמן חיזק חומרים יש השפעה מעכבת על התפשטות סדק עייפות בשל הסיבים, ואת ההתנגדות עייפות יכול להגיע 70% ל 80%. המבנה של סיבי פחמן יציב. לאחר חיי עייפות החומר מרוכבים מיליוני מחזורים, שיעור החזקת כוח שלה יש עדיין 60%, ואילו פלדה ואלומיניום הם 40% ו 30%, בהתאמה, פיברגלס הוא רק 20% עד 25%. לכן, ההתנגדות עייפות של סיבי פחמן מרוכבים מתאים למגוון רחב של יישומים בתעשיית הרכב.

4 ניתוח כלכלי לרכבי נוסעים חדשים באנרגיה

בגלל השימוש של סיבי פחמן, הגוף יכול להיות מופחת על ידי יותר מ 50%. אם ניקח את הירידה במשקל של 100kg על רכב מסוג A טיפוסית כדוגמה, המשמעות של lightweighting של הרכב הוא מאוד ברור. זה יכול להיות מוסבר מן ההיבטים הבאים: 1 עבור תחנה אחת עבור מכונית נוסעים עם 300 ק"מ קיבולת הטעינה של 45 כ"ס · h, טווח נסיעה אותו יכול להיות מופחת על ידי 3.6 קילוואט שעה, כפי שחושב על ידי המומחה בתעשייה, "100 ק"ג לכל 100 ק"ג, בתוספת עלייה של 8% בטווח נסיעה." עלות החיסכון בסוללות היא כ 0.6 מיליון יואן; 2 מחזור החיים הממוצע של נסיעה 400,000 ק"מ ואת עלות החשמל מחושבים על פי 0.9 יואן / קילוואט שעה ח. עלות החשמל של הרכב כולו יכולה לחסוך 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 מיליון. 100km חוסך 1.2kW · ח 'חשמל.) 3 בשל היישום של סיבי פחמן חומרים, לוקח את היקף הייצור של 50,000 כלי רכב כדוגמה, ההשקעה תהליך ההשקעה נשמר ההשקעה ציוד מומרים שווה הכלכלי של כלי רכב חשמליים, וכל רכב הוא ההפחתה הצילה כ -2,000 יואן; 4 כי התהליך הוא יעיל, עלויות האדם לפחות לחסוך 1000 יואן / טייוואן.

הפריטים הנ"ל מסכמים עד לחיסכון ממוצע של 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 מיליון יואן לרכב, אך עלויות אלה אינן מספקות כדי לקזז את העלייה בעלות החומר עצמו עקב הכנסת סיבי פחמן. ניתן לראות כי יש עדיין בעיות עיקריות ביישום של סיבי פחמן גופים. אם אתה רוצה לקדם גוף קל, אתה יכול רק להתחיל לצמצם את הקלט של תהליך וציוד. הפריטים הנ"ל מסכמים עד לחיסכון ממוצע של 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 מיליון יואן לרכב, אך עלויות אלה אינן מספקות כדי לקזז את העלייה בעלות החומר עצמו עקב הכנסת סיבי פחמן. ניתן לראות כי יש עדיין בעיות עיקריות ביישום של סיבי פחמן גופים.

אם אתה רוצה לקדם גוף קל, אתה יכול רק להתחיל לצמצם את הקלט של תהליך וציוד.

אם המכונית משיגה הייצור ההמוני של גופי סיבי פחמן, העלות של חומר סיבי פחמן עצמו יהיה גם להיות מופחת באופן משמעותי, אפקט בתעשייה כולה תהיה גדולה למדי, ואת היתרונות הכלכליים יהיה גם ברור יותר. אלה הם רק מנקודת המבט של ניתוח סיבי פחמן, אם אתה מחשיב את סגסוגת אלומיניום המכונית גוף הפחתת משקל גורם של 50kg, על פי אותו סיבה מחסנית חיובית, ההשפעה הכלכלית היא מובנת מאליה.

5 מגמות פיתוח עבור גוף הרכב

בהתחשב במאפיינים של סיבי פחמן חיזק מרוכבים, סוג זה של חומר מועדף יותר ויותר על ידי יצרני הרכב. ההערכה היא כי במגזר הרכב, השימוש של סיבי פחמן גדל בשיעור שנתי ממוצע של 34% ו יגיע 23,000 טון עד 2020. איור 2 מראה את מפת הדרכים לפיתוח של סיבי פחמן מחוזק מרוכבים עבור עבודת הגוף.

כיום, סיבי פחמן מחוזק מרוכבים מוחלים בעיקר על לוחות הגוף, trims הגוף, ורכיבים מבניים. לדוגמה, BMW השתמשה מספר רב של סיבי פחמן חומרים מרוכבים בפיתוח של מגוון דגמים לייצור חלקים מבניים הגוף. זה הפך רגע חשוב ליישום של חומרים סיבי פחמן מרוכבים בייצור רכב. במקביל, BMW שיתפה פעולה נוספת עם SGL בגרמניה, להשקיע 100 מיליון אירו במחקר ופיתוח של סיבים פחמן בעלות נמוכה, ולהגדיל את ייצור סיבי פחמן מ -3,000 טון בשנה ל 9000 טון לפגוש את BMW אני הולך וגדל - כלי רכב חשמליים ואחרים. הביקוש לדגמים.

6. מסקנה

לסיכום, סיבי פחמן מחוזק שרף מטריקס מרוכבים (CFRP) הפכו כיוון התפתחות חשוב עבור חומרים חדשים הרכב בעתיד עם יתרונות הביצועים הייחודיים שלה. עם זאת, על מנת לקדם את השימוש בחומר זה בתחום הרכב, יש צורך להתחיל מחקר שיתופי ופיתוח של ייצור, למידה ומחקר מן ההיבטים הבאים: (1) חיפוש נוסף עבור עלות נמוכה מבשרי סיבי פחמן; (2) לפתח תהליכי ייצור סיבי פחמן חדשים, כגון ייצוב של חומרים מבשר. טֶכנוֹלוֹגִיָה; 3 לייעל את סיבי פחמן תהליך ייצור פרמטרים או להשתמש סיבים פחמן ננו כדי לשפר עוד יותר את הביצועים של חומרים מרוכבים CFRP; 4 פיתוח מהיר ויעיל חלקים CFRP יציקה וטכנולוגיות ייצור, כגון טכנולוגיית ההתמצקות המהירה ואת החומר מרוכבים בקרת זרימת הטכנולוגיה; 5 השתמש בטכנולוגיה ניתוח סימולציה המחשב (CAE) כדי לבחור חומרים שונים סיבי פחמן מרוכבים אופטימיזציה פרמטרים תהליך דפוס.