CFRP utilizado para el análisis ligero y económico de vehículos de pasajeros de nueva energía

La fibra de carbono generalmente se combina con resina epoxi para formar un material compuesto. Este material compuesto hereda una serie de ventajas tales como mayor resistencia específica, módulo específico, resistencia a la fatiga y resistencia a los golpes de la fibra de carbono. Al mismo tiempo, hereda epoxi. La formulación de la resina es flexible y versátil, y su aplicación es altamente específica. En comparación con los miembros estructurales de aleación de aluminio, el efecto de reducción de peso de los materiales compuestos de fibra de carbono puede alcanzar entre 20% y 40%. En comparación con los componentes metálicos de acero, el efecto de reducción de peso de los materiales compuestos de fibra de carbono puede llegar incluso a 60% a 80%. El uso de materiales compuestos de fibra de carbono Esto no solo reduce la calidad general del vehículo, sino que también afecta y cambia el proceso de fabricación del automóvil hasta cierto punto.

1 tipo de proceso

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se refieren a un compuesto de fibras de carbono como una fase de refuerzo y un material de resina termoplástica o termoendurecible. La tecnología de fabricación de los materiales compuestos de CFRP incluye principalmente procesos de preimpregnación y formación de líquidos. La comparación y el análisis de los tipos de proceso de los materiales compuestos de matriz de polímero reforzados con fibra de carbono se muestran en la Tabla 1.

2 Asamblea automotriz y tecnología de montaje

El ensamblaje combinado de piezas automotrices compuestas y la conexión entre piezas compuestas y partes metálicas es un problema inevitable. El material compuesto es anisotrópico, con baja resistencia interlaminar y baja ductilidad, lo que hace que el diseño y análisis de las juntas de materiales compuestos sea mucho más complejo que los metales. La conexión entre las partes metálicas tradicionales en la industria del automóvil no es adecuada para materiales compuestos. Por lo tanto, la conexión es crucial para comprender y mejorar la manera en que los materiales compuestos de automoción están conectados y fijos, y para tomar decisiones razonables.

Debido a la continuidad de las fibras rotas por las aberturas, se producen concentraciones locales de tensión. Las juntas de los materiales compuestos suelen ser el eslabón más débil de toda la estructura. Por lo tanto, es fundamental garantizar la resistencia de las juntas en el diseño estructural de los materiales compuestos. Los materiales compuestos se dividen en tres categorías principales, a saber, conexiones pegadas, conexiones mecánicas y conexiones híbridas entre los dos. Para compuestos termoplásticos, existen técnicas de soldadura. El diseño de la tecnología de conexión del material compuesto debe determinarse de acuerdo con las condiciones de uso específicas y los requisitos de diseño de los componentes.

2.1 conexión pegada

En comparación con la conexión mecánica, las principales ventajas de la tecnología de unión son la concentración de tensiones causada por la ausencia de aberturas, calidad estructural reducida, resistencia a la fatiga, buena vibración y propiedades de aislamiento, aspecto liso, proceso de unión simple y sin problemas de corrosión electroquímicos. Sin embargo, existen algunas deficiencias en la tecnología de unión, como el difícil control de la calidad de adhesión, la dispersabilidad relativamente grande de la fuerza de unión, la falta de métodos de inspección fiables y requisitos estrictos sobre el tratamiento superficial y la unión de superficies de unión. Para el cuerpo compuesto de fibra de carbono, la unión es la conexión principal.

2.2 Conexión mecánica

La conexión mecánica generalmente se utiliza remaches y pernos, es la conexión más comúnmente utilizada. La principal ventaja de la conexión mecánica es la alta fiabilidad de la conexión, que puede desmontarse y ensamblarse repetidas veces durante el mantenimiento o la sustitución, no requiere tratamiento superficial y tiene un impacto relativamente pequeño en el medioambiente. La principal desventaja de las conexiones mecánicas es el aumento de la masa, la concentración de tensiones y la corrosión electroquímica de metales y materiales compuestos. La comparación de las conexiones de remaches y pernos se muestra en la Figura 1.

2.3 Conexión híbrida

Para mejorar la seguridad y la integridad de la conexión, en algunos sitios de conexión importantes, generalmente se adopta al mismo tiempo un método de conexión híbrida y una conexión mecánica, y las ventajas de los dos métodos de conexión se utilizan completamente para garantizar que el sitio de conexión tiene suficiente fuerza y alta fiabilidad.

2.4 Soldadura

La tecnología de soldadura se aplica principalmente a las partes de compuestos termoplásticos. El principio básico es calentar la resina en la superficie del compuesto termoplástico fundido, y luego doblar la prensa para hacerlo integrado. La soldadura incluye principalmente soldadura ultrasónica, soldadura por inducción eléctrica y soldadura por resistencia. Las ventajas de la soldadura son una buena conexión y ciclo corto, ningún tratamiento superficial, alta resistencia de conexión, bajo estrés, etc .; las insuficiencias son difíciles de desmontar y es necesario agregar materiales conductores o alambres metálicos. Además, durante el moldeo del miembro estructural compuesto, el conector de metal se puede incrustar en la preforma de fibra, y el material compuesto y el miembro incrustado de metal se integran después del moldeo, y las piezas compuestas se pueden conectar a través del miembro incrustado de metal para evitar compuestos de daño de mecanizado.

3 ventajas de aplicación para automotriz

Hay una serie de factores a considerar cuando se seleccionan materiales automotrices, tales como propiedades mecánicas, peso liviano, estabilidad del material, designación del material y procesabilidad. Cada uno de estos factores tendrá un impacto no despreciable en el diseño, la producción, las ventas y el uso de automóviles. En los últimos años, los Polímeros Reforzados de Fibra de Carbono (CFRP) se han convertido en un nuevo material automotriz que atrae la atención debido a sus características de rendimiento únicas. Comparado con otros materiales de automoción, los compuestos de matriz de polímero reforzados con fibra de carbono tienen las siguientes ventajas.

3.1 Excelentes propiedades mecánicas

La densidad de los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de carbono (CFRP) para vehículos es de 1.5 a 2 g / cm3, que es solo 1/4 a 1/5 del acero al carbono común, y es aproximadamente 1/3 más liviano que la aleación de aluminio, pero el carbono material compuesto de fibra Las propiedades mecánicas integrales son obviamente mejores que los materiales metálicos, y su resistencia a la tracción es de 3 a 4 veces mayor que la del acero. La resistencia a la fatiga del acero y el aluminio es del 30% al 50% de la resistencia a la tracción, y el CFRP puede alcanzar del 70% al 80%. Al mismo tiempo, CFRP también tiene mejores características de amortiguación de vibraciones que los metales ligeros, como la aleación ligera requiere 9s para detener la vibración. El material compuesto de fibra de carbono 2s puede detenerse y tiene una resistencia específica más alta y un módulo específico.

3.2 Designable

El diseño del material compuesto de fibra de carbono es fuerte, y el material de la matriz puede seleccionarse razonablemente según los requisitos de rendimiento, la disposición de las fibras puede diseñarse y la estructura del material compuesto, y el diseño del producto puede llevarse a cabo de manera flexible. Por ejemplo, disponiendo las fibras de carbono en la dirección de la fuerza, se puede ejercer completamente la anisotropía de la resistencia del material compuesto, logrando con ello el objetivo de ahorro de material y reducción de la calidad. Para productos que requieren resistencia a la corrosión, se puede usar un material base con buena resistencia a la corrosión durante el diseño.

3.3 puede lograr la fabricación integrada

La modularización y la integración también son tendencias en la estructura automotriz. Cuando se forma el material compuesto, es fácil formar una superficie curva de varias formas para lograr la producción integrada de partes y componentes de automóviles. El moldeado integrado no solo puede reducir el número de piezas y moldes, reducir el número de componentes y otros procesos, sino también acortar considerablemente el ciclo de producción. Por ejemplo, si el módulo frontal de un automóvil está hecho de material compuesto de fibra de carbono, puede formarse integralmente e integrarse para evitar la concentración de tensión localizada causada por la soldadura posterior y el posterior procesamiento de piezas metálicas, mientras reduce la precisión del producto y mejora el rendimiento mientras reduce las piezas de automóvil. Calidad, reducir los costos de fabricación.

3.4 Absorción de energía y resistencia al impacto

Los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de carbono (CFRP) tienen un cierto grado de viscoelasticidad y existe un ligero movimiento local relativo entre la fibra de carbono y la matriz, que puede generar fricción interfacial. Bajo el efecto sinérgico de la viscoelasticidad y la fricción interfacial, las piezas de CFRP tienen una mejor absorción de energía y resistencia al impacto. Por otro lado, el compuesto de fibra de carbono especialmente absorbido se estrella en pequeños fragmentos en colisiones de alta velocidad, absorbe una gran cantidad de energía de impacto y su capacidad de absorción de energía es de 4 a 5 veces mayor que la de los materiales metálicos, lo que puede mejorar vehículos. Seguridad, proteger la seguridad de los miembros.

3.5 Buena resistencia a la corrosión

Los materiales compuestos de matriz polimérica reforzada con fibra de carbono están compuestos principalmente por materiales de arrastre y resina de fibra de carbono, y tienen excelentes propiedades de resistencia a los ácidos y los álcalis. Las partes automotrices hechas de ellas no necesitan tratamiento antiséptico superficial, y su resistencia a la intemperie y su resistencia al envejecimiento son buenas. Su vida de servicio es buena. 2 a 3 veces más que el acero.

3.6 rendimiento a alta temperatura

El rendimiento de la fibra de carbono a temperaturas inferiores a 400 ° C sigue siendo muy estable, y no hay cambios significativos a 1 000 ° C.

3.7 Buena resistencia a la fatiga

Los materiales reforzados con fibra de carbono tienen un efecto inhibidor sobre la propagación de grietas por fatiga debido a la fibra, y su resistencia a la fatiga puede alcanzar del 70% al 80%. La estructura de la fibra de carbono es estable. Después de que la vida de fatiga del material compuesto es de millones de ciclos, su tasa de retención de fuerza Todavía hay un 60%, mientras que el acero y el aluminio son 40% y 30%, respectivamente, y la fibra de vidrio es solo 20% a 25%. Por lo tanto, la resistencia a la fatiga de los compuestos de fibra de carbono es adecuada para una amplia gama de aplicaciones en la industria del automóvil.

4 Análisis económico para vehículos de pasajeros de nueva energía

Debido al uso de fibra de carbono, el cuerpo puede reducirse en más del 50%. Tomando como ejemplo la pérdida de peso de 100 kg en un vehículo típico de Clase A, la importancia de la reducción de peso del vehículo es muy obvia. Puede explicarse por los siguientes aspectos: 1 Para una estación Para un automóvil de pasajeros con 300 km y una capacidad de carga de 45 kW · h, el mismo campo de prácticas se puede reducir en 3.6 kW · h, según lo calculado por el experto de la industria. "100 kg por 100 kg, más un aumento del 8% en el campo de prácticas". El costo de ahorro de la batería es de aproximadamente 0,6 millones de yuanes; 2 El ciclo de vida promedio de conducir 400,000 kilómetros y el costo de la electricidad se calculan de acuerdo con 0.9 yuan / kW · h. El costo de electricidad de todo el vehículo puede ahorrar 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 millones. 100km ahorra 1.2kW · h de electricidad.) 3Por la aplicación de materiales de fibra de carbono, tomando como ejemplo la escala de producción de 50,000 vehículos, la inversión en el proceso ahorrado y la inversión en equipos se convierten en el equivalente económico de vehículos eléctricos, y cada vehículo es La amortización ahorró alrededor de 2.000 yuanes; 4 porque el proceso se simplifica, los costos de personal al menos ahorran 1.000 yuanes / Taiwán.

Los elementos anteriores suman un ahorro promedio de 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 millones de yuanes por vehículo, pero estos costos no son suficientes para compensar el aumento en el costo del material debido a la introducción de fibra de carbono. Se puede ver que todavía hay problemas importantes en la aplicación de cuerpos de fibra de carbono. Si desea promocionar un cuerpo liviano, solo puede comenzar reduciendo la entrada del proceso y el equipo. Los elementos anteriores suman un ahorro promedio de 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 millones de yuanes por vehículo, pero estos costos no son suficientes para compensar el aumento en el costo del material debido a la introducción de fibra de carbono. Se puede ver que todavía hay problemas importantes en la aplicación de cuerpos de fibra de carbono.

Si desea promocionar un cuerpo liviano, solo puede comenzar reduciendo la entrada del proceso y el equipo.

Si el automóvil logra una producción masiva de cuerpos de fibra de carbono, el costo del material de fibra de carbono también se reducirá en gran medida, el efecto total de la industria será bastante grande y los beneficios económicos también serán más obvios. Estos son solo desde la perspectiva del análisis de fibra de carbono, si se tiene en cuenta el factor de reducción de peso corporal de aleación de aluminio de 50 kg, de acuerdo con la misma razón positiva, el efecto económico es evidente.

5 Tendencias de desarrollo para el cuerpo del vehículo

Dadas las características de los compuestos reforzados con fibra de carbono, este tipo de material es cada vez más favorecido por los fabricantes de automóviles. Se estima que en el sector automotriz, el uso de fibra de carbono está creciendo a una tasa anual promedio del 34% y alcanzará las 23,000 toneladas para 2020. La Figura 2 muestra la hoja de ruta para el desarrollo de compuestos reforzados con fibra de carbono para la carrocería.

En la actualidad, los compuestos reforzados con fibra de carbono se aplican principalmente a paneles de carrocería, molduras y componentes estructurales. Por ejemplo, BMW ha utilizado una gran cantidad de materiales compuestos de fibra de carbono en el desarrollo de una variedad de modelos para fabricar piezas estructurales del cuerpo. Esto se ha convertido en un momento importante para la aplicación de materiales compuestos de fibra de carbono en la fabricación de automóviles. Al mismo tiempo, BMW ha cooperado con SGL en Alemania, invirtiendo 100 millones de euros en la investigación y desarrollo de fibra de carbono de bajo costo y aumentando la producción de fibra de carbono de 3.000 toneladas por año a 9000 toneladas para satisfacer el creciente BMW i -series vehículos eléctricos y otros. Demanda de modelos.

6. Conclusión

En resumen, los compuestos de matriz de resina reforzados con fibra de carbono (CFRP) se han convertido en una importante dirección de desarrollo para los nuevos materiales de automoción en el futuro con sus ventajas de rendimiento únicas. Sin embargo, para promover el uso de este material en el campo de la automoción, es necesario comenzar la investigación colaborativa y el desarrollo de producción, aprendizaje e investigación a partir de los siguientes aspectos: (1) Búsqueda adicional de precursores de fibra de carbono de menor costo; (2) Desarrollar nuevos procesos de fabricación de fibra de carbono, como la estabilización de materiales precursores. Tecnología; 3 Optimice los parámetros del proceso de fabricación de fibra de carbono o use fibra nanocarbono para mejorar aún más el rendimiento de los materiales compuestos CFRP; 4 Desarrollar tecnologías de moldeo y fabricación de piezas de CFRP rápidas y efectivas, como la tecnología de moldeo por solidificación rápida y la tecnología de control de flujo de material compuesto; 5 Utilice la tecnología de análisis de simulación por computadora (CAE) para seleccionar diferentes materiales compuestos de fibra de carbono y optimizar los parámetros del proceso de moldeo.