A fibra de carbono é geralmente combinada com resina epóxi para formar um material compósito. Este material compósito herda uma série de vantagens, tais como resistência específica, módulo específico, resistência à fadiga e absorção de energia e resistência ao choque da própria fibra de carbono. Ao mesmo tempo, herda epóxi. O design da fórmula de resina é flexível e diversificado, e o aplicativo é segmentado. Em comparação com as peças estruturais de liga de alumínio, o efeito de redução de peso dos compósitos de fibra de carbono pode atingir 20% a 40%. Comparado com peças metálicas de aço, o efeito de redução de peso dos materiais compósitos de fibra de carbono pode atingir 60% a 80%. Uso de materiais compósitos de fibra de carbono Não apenas reduziu a qualidade de todo o veículo, mas também afetou e alterou o processo de fabricação de automóveis até certo ponto.
1 tipo de processo
Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (CFRP) refere-se a um material obtido pela combinação de fibras de carbono como uma fase de reforço com um material de resina termoplástica ou termoendurecível. A tecnologia de fabricação de compósitos CFRP inclui principalmente processos de pré-impregnação e de formação de líquidos. A análise comparativa dos tipos de processo de compósitos com matriz polimérica reforçada com fibra de carbono é mostrada na Tabela 1.
2 Tecnologia de montagem de conexão de peças automotivas
O conjunto combinado entre peças automotivas compostas e a conexão entre peças compostas e componentes metálicos é um problema inevitável. O material compósito é anisotrópico, a resistência do interlayer é relativamente baixa e a ductilidade é pequena, o que torna o projeto e a análise das juntas compostas muito mais complicadas do que o metal. A conexão entre as tradicionais peças de metal da indústria automotiva não é aplicável aos materiais compostos. Conexões, portanto, é fundamental para entender e melhorar a maneira pela qual os compósitos automotivos são unidos e protegidos.
A concentração de tensão local é causada pela continuidade das fibras quebradas. Juntas compostas são geralmente o elo mais fraco na estrutura geral, garantindo assim que a resistência da junta seja a chave para o projeto estrutural composto. Materiais compostos são principalmente divididos em três categorias, ou seja, juntas coladas, juntas mecânicas e articulações híbridas dos dois. Para compósitos termoplásticos, também existem técnicas de soldagem. O projeto da tecnologia de juntas compostas precisa ser determinado com base no uso específico dos requisitos do componente e do projeto.
Conexão de cola 2.1
Comparado com a conexão mecânica, a principal vantagem da tecnologia de colagem é que não há concentração de tensão causada pela abertura, a qualidade da estrutura é reduzida, a resistência à fadiga, o amortecimento de vibrações e o desempenho de isolamento são bons, a aparência é suave e suave, o processo de colagem é simples e não há problema de corrosão eletroquímica. No entanto, a tecnologia de colagem também tem algumas deficiências, como dificuldade no controle de qualidade da colagem, grande dispersão da resistência da colagem, falta de métodos de inspeção confiáveis, requisitos rigorosos para o tratamento de superfície e processo de colagem da superfície de adesão. Para o corpo composto de fibra de carbono, a cola é a conexão principal.
2.2 Conexão Mecânica
Conexões mecânicas geralmente usam rebites e parafusos e são o tipo mais comum de conexão. A principal vantagem da conexão mecânica é a alta confiabilidade da conexão, a repetida desmontagem e montagem durante a manutenção ou substituição, a necessidade de lidar com a superfície e o impacto no ambiente é relativamente pequeno. A principal desvantagem da união mecânica é que ela aumenta a qualidade, causa concentração de tensão e causa corrosão eletroquímica em contato com o compósito. A comparação da conexão do rebite e da conexão do parafuso é mostrada na Figura 1.
2.3 Conexão mista
A fim de melhorar a segurança e a integridade da conexão, em algumas peças de conexão importantes, o método de conexão híbrida de conexão de cola e conexão mecânica é normalmente usado ao mesmo tempo, e as vantagens dos dois métodos de conexão são totalmente utilizadas para garantir força e alto ponto de conexão. confiabilidade.
2.4 Soldagem
A tecnologia de soldagem é aplicada principalmente em peças compostas termoplásticas. O princípio básico é aquecer a resina na superfície do compósito termoplástico fundido, e depois pressurizar e unir os mesmos. Existem três métodos principais de soldagem: soldagem ultra-sônica, solda por indução elétrica e solda por resistência. As vantagens da soldagem são um bom efeito de conexão e ciclo curto, sem tratamento de superfície, alta força conjunta, baixo estresse, etc .; a desvantagem é que não é fácil desmontar, e é necessário adicionar materiais condutores ou fios. Além disso, no processo de moldagem do membro estrutural composto, o conector de metal pode ser incorporado na pré-forma de fibra, e o material compósito e o componente de metal incorporado são integrados após a moldagem, e o componente composto pode ser conectado pelo metal incorporado componente para evitar compostos de danos usinados.
3 vantagens de aplicação para automóveis
Vários fatores precisam ser considerados na seleção de materiais automotivos, como propriedades mecânicas, peso leve, estabilidade do material, designabilidade do material e processabilidade. Cada fator terá um impacto significativo no design, produção, vendas e uso do carro. Nos últimos anos, polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) tornou-se um novo material automotivo com suas características únicas de desempenho. Os compósitos com matriz de polímero reforçados com fibra de carbono apresentam as seguintes vantagens em relação a outros materiais automotivos.
3.1 Excelentes propriedades mecânicas
O compósito com matriz de resina reforçada com fibra de carbono (CFRP) tem uma densidade de 1,5 a 2 g / cm3, que é de apenas 1/4 a 1/5 do aço carbono comum, e é cerca de 1/3 mais leve que a liga de alumínio, mas fibra de carbono material compósito As propriedades mecânicas abrangentes são significativamente melhores que as dos materiais metálicos, e a resistência à tração é de 3 a 4 vezes a do aço. A resistência à fadiga do aço e do alumínio é de 30% a 50% da resistência à tração, enquanto o CFRP pode atingir 70% a 80%. Ao mesmo tempo, o CFRP também possui melhores características de amortecimento de vibrações do que o metal leve. Por exemplo, a liga leve precisa de 9s para interromper a vibração. O material compósito de fibra de carbono pode ser parado por 2 segundos, e a força específica e o módulo específico são altos.
3.2 Designável
O material compósito de fibra de carbono tem uma forte capacidade de designação e pode selecionar o material base razoavelmente de acordo com o requisito de desempenho, projetar o arranjo das fibras e a forma estrutural do material compósito e projetar o produto com flexibilidade. Por exemplo, ao dispor as fibras de carbono na direção da força, a anisotropia da resistência do material compósito pode ser totalmente utilizada, alcançando assim a finalidade de economizar materiais e reduzir a qualidade. Para produtos que exigem resistência à corrosão, um material de base com boa resistência à corrosão pode ser selecionado para o projeto.
3.3 Produção integrada é possível
Modularidade e integração também são uma tendência de desenvolvimento da estrutura do automóvel. Materiais compósitos são fáceis de formar superfícies curvas de várias formas durante a moldagem, permitindo a fabricação integrada de peças automotivas. A moldagem integrada pode não apenas reduzir o número de peças e o número de moldes, reduzir o número de peças e outros processos, mas também encurtar consideravelmente o ciclo de produção. Por exemplo, se o módulo frontal do automóvel for feito de material compósito de fibra de carbono, ele pode realizar a moldagem integral integrada, evitando a concentração de tensão local causada pela subsequente soldagem sob medida e subseqüente processamento de peças metálicas e reduzindo peças de automóveis, garantindo a precisão do produto e melhorando o desempenho. Qualidade, reduzindo os custos de fabricação.
3.4 Absorção de energia e resistência ao impacto
O compósito com matriz de resina reforçada com fibra de carbono (CFRP) tem uma certa viscoelasticidade, e existe um leve movimento relativo local entre a fibra de carbono e a matriz, que pode gerar atrito interfacial. Sob a sinergia da viscoelasticidade e da fricção interfacial, as peças CFRP têm melhor absorção de energia e resistência ao impacto. Por outro lado, a estrutura de absorção de energia de colisão de compósito de fibra de carbono especialmente tecida se quebra em fragmentos menores em colisões de alta velocidade, absorve uma grande quantidade de energia de impacto e sua capacidade de absorção de energia é 4 a 5 vezes maior que a de materiais metálicos. que pode efetivamente melhorar o veículo. Segurança para proteger a segurança dos membros.
3,5 boa resistência à corrosão
O material compósito com matriz de polímero reforçado com fibra de carbono é composto principalmente por fibra de carbono e material de resina, e tem excelente resistência a ácidos e álcalis. As peças de automóveis fabricadas pela mesma não necessitam de tratamento anticorrosivo de superfície, e têm boa resistência a intempéries e resistência ao envelhecimento, e a vida útil é geralmente de 2 a 3 vezes a do aço.
3,6 Bom desempenho de temperatura
A fibra de carbono tem um desempenho muito estável abaixo de 400 ° C e não muda muito a 1 000 ° C.
3.7 Boa resistência à fadiga
O material reforçado com fibra de carbono tem um obstáculo ao crescimento de trincas por fadiga da fibra, e a sua resistência à fadiga pode atingir 70% a 80%. A estrutura da fibra de carbono é estável, e a resistência do material composto após o teste de ciclo de fadiga ao estresse é de milhões de vezes. Ainda existem 60%, enquanto o aço e o alumínio são 40% e 30%, respectivamente, e o FRP é de apenas 20% a 25%. Portanto, a resistência à fadiga dos compósitos de fibra de carbono é adequada para uma ampla gama de aplicações na indústria automotiva.
4 Análise econômica de veículos de passageiros de energia nova
Devido à referência de fibra de carbono, o peso do corpo pode ser reduzido em mais de 50%. Tomando a perda de peso de 100 kg do modelo típico de classe A como exemplo, o peso de todo o veículo é muito óbvio. Pode ser explicado dos seguintes aspectos: 1 para 1 Para um carro de passeio com uma distância de condução de 300 km e um consumo de energia de 45kW · h, a mesma autonomia pode ser reduzida em 3.6kW · h pelo especialista da indústria. redução de peso e aumento de 8% no driving range ”. O custo de economia de bateria é de cerca de 0,6 milhões de yuans; 2, com um ciclo de vida de 400.000 quilômetros e um custo médio de eletricidade de 0,9 yuan / kW · h, o custo da eletricidade pode ser salvo no ciclo de vida do veículo por 400.000 / 100 × 1,2 × 0,9 = 0,32 milhões de yuans. 100km de economia de 1.2kW · h cálculo de eletricidade); 3 Por causa da aplicação de materiais de fibra de carbono, tomando como exemplo a escala de produção de 50.000 veículos, o investimento economizado em tecnologia e equipamento é convertido no equivalente econômico de veículos elétricos, em cada veículo. A amortização vai economizar cerca de 2.000 yuan; 4 porque o processo é simplificado, o custo de pessoal pode ser salvo pelo menos 1.000 yuan / Taiwan.
No total, o custo médio por veículo é 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 milhão, mas esses custos não são suficientes para compensar o aumento no custo do próprio material devido à introdução da fibra de carbono. Pode ser visto que a aplicação do corpo de fibra de carbono ainda tem um grande problema. Se você quer promover um corpo leve, você só pode começar reduzindo o investimento em tecnologia e equipamentos. No total, o custo médio por veículo é 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 milhão, mas esses custos não são suficientes para compensar o aumento no custo do próprio material devido à introdução da fibra de carbono. Pode ser visto que a aplicação do corpo de fibra de carbono ainda tem um grande problema.
Se você quer promover um corpo leve, você só pode começar reduzindo o investimento em tecnologia e equipamentos.
Se o automóvel perceber a produção em massa do corpo de fibra de carbono, o custo do próprio material de fibra de carbono também cairá drasticamente, e todo o efeito da indústria será bastante grande, e os benefícios econômicos se tornarão cada vez mais óbvios. Estes são analisados apenas sob a perspectiva da fibra de carbono. Se considerarmos o fator de redução do peso do corpo de liga de alumínio em 50 kg, o efeito econômico é evidente.
5 para o desenvolvimento do corpo
Tendo em conta as características dos materiais compósitos reforçados com fibra de carbono, esses materiais são gradualmente favorecidos pelos fabricantes de automóveis. Estima-se que no setor automotivo, o uso de fibra de carbono está crescendo a uma taxa média anual de 34% e chegará a 23.000 toneladas até 2020. A Figura 2 é um roteiro para o desenvolvimento de compósitos reforçados com fibra de carbono para o corpo.
Atualmente, materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são usados principalmente para revestimentos de corpo, peças decorativas e membros estruturais no corpo. Por exemplo, a BMW usou compósitos de fibra de carbono para fabricar peças estruturais de carroceria em uma variedade de modelos que desenvolveu, o que se tornou um momento importante para os compósitos de fibra de carbono na fabricação automotiva. Ao mesmo tempo, a BMW cooperou com a SGL para investir 100 milhões de euros para desenvolver fibra de carbono de baixo custo e aumentar a produção de fibra de carbono de 3.000 toneladas por ano para 9000 toneladas para atender aos crescentes veículos elétricos da série i da BMW. outras. A demanda por modelos.
6. Conclusão
Em resumo, compósitos de matriz de resina reforçados com fibra de carbono (CFRP) tornaram-se uma importante direção de desenvolvimento para novos materiais automotivos no futuro, devido às suas vantagens exclusivas de desempenho. No entanto, para que este material seja promovido e aplicado na área automotiva, é necessário iniciar a pesquisa colaborativa e o desenvolvimento da indústria, academia e pesquisa a partir dos seguintes aspectos: 1 buscar um precursor de fibra de carbono de menor custo; 2 desenvolver novos processos de fabricação de fibra de carbono, como a estabilidade de materiais precursores. 3; otimizar os parâmetros do processo de fabricação de fibra de carbono ou usar nano fibra de carbono para melhorar ainda mais o desempenho dos compósitos CFRP; 4 desenvolver tecnologias de fabricação de moldagem de peças CFRP rápidas e eficazes, como tecnologia de cura rápida, tecnologia de controle de fluxo de material composto; 5 Use a tecnologia de análise de simulação computacional (CAE) para selecionar diferentes materiais compósitos de fibra de carbono e otimizar os parâmetros do processo de moldagem.
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