Kohlefaser wird im Allgemeinen mit Epoxidharz kombiniert, um ein Verbundmaterial zu bilden. Dieses Verbundmaterial erbt eine Reihe von Vorteilen wie spezifische Festigkeit, spezifischer Modul, Ermüdungsfestigkeit und Energieabsorption und Stoßfestigkeit der Kohlenstoffaser selbst. Zur gleichen Zeit erbt es Epoxy. Harzformel Design ist flexibel und vielfältig, und die Anwendung ist gezielt. Verglichen mit Strukturteilen aus Aluminiumlegierung kann der Gewichtsreduktionseffekt von Kohlefaserverbundwerkstoffen 20% bis 40% erreichen. Im Vergleich zu Stahlmetallteilen kann der Gewichtsreduzierungseffekt von Kohlefaserverbundwerkstoffen 60% bis 80% erreichen. Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen Nicht nur die Qualität des gesamten Fahrzeugs wurde reduziert, sondern auch der Herstellungsprozess der Automobile beeinflusst und verändert.
1 Prozesstyp
Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRP) bezieht sich auf ein Material, das durch Kombinieren von Kohlenstoffasern als verstärkende Phase mit einem thermoplastischen oder wärmehärtbaren Harzmaterial erhalten wird. Die Herstellungstechnologie von CFK-Verbundwerkstoffen umfasst hauptsächlich Prepreg- und Flüssigformverfahren. Die vergleichende Analyse der Verfahrenstypen von kohlenstofffaserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen ist in Tabelle 1 gezeigt.
2 Automobilteile Verbindungstechnik
Die kombinierte Montage zwischen Automobilverbundbauteilen und der Verbindung zwischen Verbundbauteilen und Metallbauteilen ist ein unvermeidbares Problem. Das Verbundmaterial ist anisotrop, die Zwischenschichtfestigkeit ist relativ gering und die Duktilität ist gering, was das Design und die Analyse der Verbundverbindungen viel komplizierter macht als das Metall. Die Verbindung zwischen den traditionellen Metallteilen der Automobilindustrie ist nicht auf die Verbundwerkstoffe anwendbar. Verbindungen, daher ist es wichtig zu verstehen und verbessern die Art und Weise, in der Automobil-Verbundwerkstoffe verbunden und gesichert werden.
Die lokale Spannungskonzentration wird durch die Kontinuität der gebrochenen Fasern verursacht. Kompositfugen sind normalerweise das schwächste Glied in der Gesamtstruktur, so dass die Festigkeit der Fugen der Schlüssel zum zusammengesetzten Strukturdesign ist. Verbundwerkstoffe werden hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt, nämlich Klebverbindungen, mechanische Verbindungen und Hybridverbindungen der beiden. Für thermoplastische Verbundwerkstoffe gibt es auch Schweißtechniken. Das Design der Verbundfugen-Technologie muss basierend auf der spezifischen Verwendung der Komponenten- und Designanforderungen bestimmt werden.
2.1 Klebeverbindung
Im Vergleich zur mechanischen Verbindung besteht der Hauptvorteil der Verbindungstechnologie darin, dass keine durch die Öffnung verursachte Spannungskonzentration auftritt, die Strukturqualität verringert ist, die Ermüdungsbeständigkeit, die Schwingungsdämpfung und die Isolationsleistung gut sind, das Erscheinungsbild glatt ist und glatt, der Verbindungsprozess ist einfach und es gibt kein elektrochemisches Korrosionsproblem. Die Verbindungstechnologie weist jedoch auch einige Unzulänglichkeiten auf, wie z. B. Schwierigkeiten bei der Qualitätskontrolle der Verbindung, große Dispersion der Verbindungsfestigkeit, Mangel an zuverlässigen Inspektionsverfahren, strenge Anforderungen an die Oberflächenbehandlung und den Klebevorgang der Verbindungsfläche. Für Kohlefaserverbundkörper ist Leim die Hauptverbindung.
2.2 Mechanische Verbindung
Mechanische Verbindungen verwenden typischerweise Nieten und Bolzen und sind die üblichste Verbindungsart. Der Hauptvorteil der mechanischen Verbindung ist die hohe Zuverlässigkeit der Verbindung, die wiederholte Demontage und Montage während der Wartung oder des Austauschs, die Notwendigkeit, mit der Oberfläche fertig zu werden, und die Auswirkung auf die Umwelt ist relativ gering. Der Hauptnachteil des mechanischen Verbindens besteht darin, dass es die Qualität erhöht, Spannungskonzentration verursacht und elektrochemische Korrosion in Kontakt mit dem Verbundwerkstoff verursacht. Der Vergleich der Nietverbindung und der Bolzenverbindung ist in Abbildung 1 dargestellt.
2.3 Gemischte Verbindung
Um die Sicherheit und Integrität der Verbindung zu verbessern, wird bei einigen wichtigen Verbindungsteilen üblicherweise das hybride Verbindungsverfahren der Leimverbindung und der mechanischen Verbindung gleichzeitig verwendet, und die Vorteile der beiden Verbindungsmethoden werden voll ausgenützt, um ausreichend zu gewährleisten Stärke und hoher Verbindungspunkt. Zuverlässigkeit.
2.4 Schweißen
Schweißtechnik wird hauptsächlich bei thermoplastischen Verbundteilen angewendet. Das Grundprinzip besteht darin, das Harz auf der Oberfläche des geschmolzenen thermoplastischen Verbundstoffs zu erhitzen und dann unter Druck zu setzen und sie zu verbinden. Es gibt drei Hauptmethoden des Schweißens: Ultraschallschweißen, elektrisches Induktionsschweißen und Widerstandsschweißen. Die Vorteile des Schweißens sind ein guter Verbindungseffekt und kurzer Zyklus, keine Oberflächenbehandlung, hohe Verbindungsfestigkeit, geringe Spannung usw .; der Nachteil ist, dass es nicht einfach zu demontieren ist, und es ist notwendig, leitfähige Materialien oder Drähte hinzuzufügen. Zusätzlich kann bei dem Formprozess des Verbundstrukturelements der Metallverbinder in den Faservorformling eingebettet werden, und das Verbundmaterial und die eingebettete Metallkomponente können nach dem Formen integriert werden, und die Verbundkomponente kann durch das eingebettete Metall verbunden werden Komponente, um mechanisch beschädigte Verbundwerkstoffe zu vermeiden.
3 Anwendungsvorteile für Automobile
Bei der Auswahl von Automobilwerkstoffen müssen eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, z. B. mechanische Eigenschaften, geringes Gewicht, Materialstabilität, Materialgestaltungsfähigkeit und Verarbeitbarkeit. Jeder Faktor wird sich erheblich auf Design, Produktion, Verkauf und Nutzung des Autos auswirken. In den letzten Jahren wurde Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFK) zu einem neuen Automobilwerkstoff mit einzigartigen Leistungsmerkmalen. Kohlenstofffaserverstärkte Polymermatrixverbundstoffe haben die folgenden Vorteile gegenüber anderen Automobilwerkstoffen.
3.1 Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
Der kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoff (CFRP) hat eine Dichte von 1,5 bis 2 g / cm 3, was nur 1/4 bis 1/5 von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl ist, und ist etwa 1/3 leichter als Aluminiumlegierung, aber Kohlenstofffaser Verbundwerkstoff Die mechanischen Gesamteigenschaften sind deutlich besser als die von metallischen Werkstoffen und die Zugfestigkeit ist 3- bis 4-mal höher als die von Stahl. Die Ermüdungsfestigkeit von Stahl und Aluminium beträgt 30% bis 50% der Zugfestigkeit, während CFK 70% bis 80% erreichen kann. Gleichzeitig hat CFK auch bessere Schwingungsdämpfungseigenschaften als Leichtmetall. Zum Beispiel braucht Leichtmetall 9s, um die Vibration zu stoppen. Das Kohlefaserverbundmaterial kann für 2 Sekunden gestoppt werden, und die spezifische Festigkeit und der spezifische Modul sind hoch.
3.2 Designbar
Das Kohlefaserverbundmaterial weist eine starke Gestaltbarkeit auf und kann das Grundmaterial vernünftig entsprechend den Leistungsanforderungen auswählen, die Anordnung der Fasern und die Strukturform des Verbundmaterials gestalten und das Produkt flexibel gestalten. Zum Beispiel kann durch Anordnen der Kohlenstofffasern in der Richtung der Kraft die Anisotropie der Festigkeit des Verbundmaterials vollständig ausgenutzt werden, wodurch der Zweck des Einsparens von Materialien und der Verringerung der Qualität erreicht wird. Für Produkte, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, kann ein Grundmaterial mit guter Korrosionsbeständigkeit für die Gestaltung ausgewählt werden.
3.3 Integrierte Fertigung ist möglich
Modularität und Integration sind auch ein Entwicklungstrend der Automobilstruktur. Verbundwerkstoffe sind während des Formens leicht zu gekrümmten Oberflächen verschiedener Formen zu formen, was die integrierte Herstellung von Automobilteilen ermöglicht. Integriertes Formen kann nicht nur die Anzahl der Teile und die Anzahl der Formen verringern, die Anzahl der Teile und anderer Prozesse verringern, sondern auch den Produktionszyklus stark verkürzen. Wenn beispielsweise das Frontendmodul des Automobils aus Kohlefaserverbundmaterial hergestellt ist, kann integrales integriertes Gießen realisiert werden, lokale Spannungskonzentrationen, die durch nachfolgendes Tailor-Schweißen und anschließende Bearbeitung von Metallteilen verursacht werden, reduziert werden und Automobilteile geschützt werden, während Produktpräzision gewährleistet wird und Verbesserung der Leistung. Qualität, Reduzierung der Herstellungskosten.
3.4 Energieabsorption und Schlagfestigkeit
Der kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundstoff (CFRP) weist eine gewisse Viskoelastizität auf, und es gibt eine leichte lokale Relativbewegung zwischen der Kohlenstofffaser und der Matrix, die eine Grenzflächenreibung erzeugen kann. Unter der Synergie von Viskoelastizität und Grenzflächenreibung haben CFK-Teile eine bessere Energieabsorption und Stoßfestigkeit. Auf der anderen Seite bricht die speziell gewebte Kohlenstoffaser-Verbund-Kollisionsenergie-absorbierende Struktur bei Kollision mit hoher Geschwindigkeit in kleinere Fragmente, absorbiert eine große Menge an Aufprallenergie und ihre Energieabsorptionskapazität ist 4- bis 5-mal höher als die von Metallmaterialien. was das Fahrzeug effektiv verbessern kann. Sicherheit zum Schutz der Sicherheit der Mitglieder.
3.5 Gute Korrosionsbeständigkeit
Das kohlenstofffaserverstärkte Polymermatrix-Verbundmaterial besteht hauptsächlich aus Kohlefaserkabel und Harzmaterial und weist eine ausgezeichnete Säure- und Alkalibeständigkeit auf. Die von ihnen hergestellten Automobilteile benötigen keine Oberflächenkorrosionsbehandlung und weisen eine gute Wetterbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit auf, und die Lebensdauer ist im Allgemeinen 2 bis 3 mal höher als die von Stahl.
3.6 Gute Temperaturleistung
Die Kohlefaser hat eine sehr stabile Leistung unter 400 ° C und ändert sich bei 1000 ° C kaum.
3.7 Gute Ermüdungsbeständigkeit
Das kohlefaserverstärkte Material ist für das Ermüdungsrisswachstum der Faser hinderlich und seine Ermüdungsbeständigkeit kann 70% bis 80% erreichen. Die Struktur der Kohlenstofffaser ist stabil, und die Festigkeit des Verbundmaterials nach dem Zyklustest der Belastungsermüdung ist millionenfach. Es gibt immer noch 60%, während Stahl und Aluminium 40% bzw. 30% und FRP nur 20% bis 25% sind. Daher ist die Ermüdungsbeständigkeit von Kohlefaserverbundwerkstoffen für eine breite Palette von Anwendungen in der Automobilindustrie geeignet.
4 Ökonomische Analyse von neuen Energie-Personenfahrzeugen
Aufgrund der Kohlefaser-Referenz kann das Körpergewicht um mehr als 50% reduziert werden. Bei einem Gewichtsverlust von 100 kg des typischen A-Klasse-Modells ist das Gewicht des gesamten Fahrzeugs sehr offensichtlich. Es lässt sich aus folgenden Aspekten erklären: 1 für 1 Bei einem Pkw mit einer Fahrstrecke von 300 km und einer Leistungsaufnahme von 45 kWh kann die gleiche Reichweite durch den Branchenkenner 100 kg pro Stunde um 3,6 kWh reduziert werden Gewichtsreduktion und eine Steigerung der Reichweite um 8% ". Die Batteriesparkosten betragen ca. 0,6 Millionen Yuan; 2, mit einem Lebenszyklus von 400.000 Kilometern und einem durchschnittlichen Stromkosten von 0,9 Yuan / kWh, die Stromkosten können im Lebenszyklus des Fahrzeugs um 400.000 / 100 × 1,2 × 0,9 = 0,32 Millionen Yuan gespeichert werden. 100km sparen 1,2kW · h Stromberechnung); 3 Durch den Einsatz von Kohlefaserwerkstoffen am Beispiel des Produktionsmaßstabs von 50.000 Fahrzeugen werden die eingesparten Investitionen in Technologie und Ausstattung in das ökonomische Äquivalent von Elektrofahrzeugen in jedem Fahrzeug umgewandelt. Die Amortisation wird ungefähr 2.000 Yuan einsparen; 4, weil der Prozess gestrafft wird, können die Personalkosten mindestens 1.000 Yuan / Taiwan gespart werden.
Insgesamt betragen die durchschnittlichen Kosten pro Fahrzeug 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 Millionen, aber diese Kosten sind nicht ausreichend, um den Anstieg der Materialkosten durch die Einführung von Kohlefasern auszugleichen. Es ist ersichtlich, dass die Anwendung von Kohlefaser-Körper immer noch ein großes Problem hat. Wenn Sie Leichtbau fördern wollen, können Sie nur damit beginnen, die Investition in Technologie und Ausrüstung zu reduzieren. Insgesamt betragen die durchschnittlichen Kosten pro Fahrzeug 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 Millionen, aber diese Kosten sind nicht ausreichend, um den Anstieg der Materialkosten durch die Einführung von Kohlefasern auszugleichen. Es ist ersichtlich, dass die Anwendung von Kohlefaser-Körper immer noch ein großes Problem hat.
Wenn Sie Leichtbau fördern wollen, können Sie nur damit beginnen, die Investition in Technologie und Ausrüstung zu reduzieren.
Wenn das Automobil eine Massenproduktion von Kohlenstofffaserkörper realisiert, werden die Kosten des Kohlenstoffasermaterials selbst ebenfalls drastisch sinken, und der gesamte Industrieeffekt wird ziemlich groß sein, und die wirtschaftlichen Vorteile werden immer offensichtlicher werden. Diese werden nur aus der Perspektive von Carbonfasern analysiert. Wenn wir den Faktor der Gewichtsreduzierung des Aluminiumlegierungskörpers um 50 kg betrachten, ist der wirtschaftliche Effekt selbstverständlich.
5 für die Entwicklung des Körpers
Im Hinblick auf die Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Verbundmaterialien werden derartige Materialien allmählich von Automobilherstellern bevorzugt. Es wird geschätzt, dass der Kohlenstofffaserverbrauch im Automobilsektor mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von 34% wächst und bis 2020 23.000 Tonnen erreichen wird. Abbildung 2 ist eine Roadmap für die Entwicklung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen für den Körper.
Gegenwärtig werden kohlenstoffaserverstärkte Verbundmaterialien hauptsächlich für Körperabdeckungen, dekorative Teile und strukturelle Elemente auf dem Körper verwendet. Zum Beispiel hat BMW Carbonfaser-Verbundwerkstoffe verwendet, um Karosseriestrukturteile in einer Vielzahl von Modellen herzustellen, die es entwickelt hat, was ein wichtiger Moment für Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe in der Automobilherstellung geworden ist. Gleichzeitig hat BMW mit SGL (SGL) weitere 100 Millionen Euro investiert, um kostengünstige Kohlefasern zu entwickeln und die Kohlenstofffaserproduktion von 3.000 Tonnen pro Jahr auf 9.000 Tonnen zu steigern Andere. Die Nachfrage nach Modellen.
6 Fazit
Zusammengefasst sind kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe (CFRP) aufgrund ihrer einzigartigen Leistungsvorteile in der Zukunft zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für neue Automobilmaterialien geworden. Wenn dieses Material jedoch im Bereich der Automobilindustrie gefördert und angewendet werden soll, ist es notwendig, die gemeinschaftliche Forschung und Entwicklung der Industrie, der Wissenschaft und der Forschung aus folgenden Aspekten zu starten: 1 um weiter nach einem kostengünstigeren Kohlenstofffaservorläufer zu suchen; 2 um neue Verfahren für die Carbonfaserherstellung zu entwickeln, wie die Stabilität von Vorläufermaterialien. 3; optimieren Sie die Prozessparameter für die Kohlenstofffaserherstellung oder verwenden Sie Nano-Kohlefasern, um die Leistung von CFK-Verbundwerkstoffen weiter zu verbessern; 4 entwickeln schnelle und effektive CFRP-Teile Formteilherstellungstechnologie, wie schnelle aushärtende Technologie, zusammengesetzte Materialflusskontrolltechnologie; 5 Verwenden Sie Computer-Simulations-Analyse-Technologie (CAE), um verschiedene Kohlefaser-Verbundwerkstoffe auszuwählen und die Formprozessparameter zu optimieren.
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