CFRP用于新動力乘用車車身輕量化及經濟性分析
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碳纖維一般會與環氧樹脂膠融合成復合材料應用,這類復合材料承繼了碳纖維自身極強的強度、比應變速率、耐疲勞極限和吸能耐久性等一系列優勢,另外,承繼了環氧樹脂膠秘方設計方案形式多樣、運用目的性強等特性。與鋁合金型材零部件對比,碳纖維復合材料減脂實際效果可做到20%~40%,與鋼類金屬產品對比,碳纖維復合材料的減脂實際效果乃至可做到60%~80%.應用碳纖維復合材料,不但緩解了全車品質,仍在一定水平上危害和更改了汽車生產制造加工工藝。
1 加工工藝種類
碳纖維增強高聚物基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP),就是指將碳纖維做為增強各相熱固性塑料或熱固性塑料的復合樹脂復合型而成的原材料。CFRP復合材料的生產技術關鍵包含預浸成型和液體成型加工工藝,碳纖維增強高聚物基復合材料加工工藝種類數據分析如表1所顯示。
2 汽車構件連接安裝技術性
復合材料汽車構件中間的組成安裝及復合材料構件與金屬結構間的連接是難以避免的難題。復合材料呈各種各樣,固層抗壓強度較為低,可塑性小,促使復合材料連接位置的設計方案和剖析比金屬材料繁雜得多,汽車領域傳統式金屬材料零部件中間的連接方法也不適感用以復合材料的連接,因而,掌握和改善汽車復合材料的連接和固定不動方法,并有效挑選是尤為重要的。
因為打孔切斷化學纖維的持續性,造成 部分應力。復合材料連接位置一般 是全部構造中最欠缺的階段,因而,確保連接抗壓強度是復合材料總體設計中的重要。復合材料連接方法關鍵分成三大類,即膠接連接、機械設備連接及其二者的混和連接。針對熱固性塑料復合材料,也有焊接工藝。復合材料連接技術性設計方案必須依據預制構件的實際應用狀況和設計方案規定來明確。
2.1 熱接連接
與機械設備連接對比,熱接技術性的關鍵優勢是無開孔造成的應力,緩解構造品質,緩解疲勞,減震和絕緣層性能好,外型整平光潔,粘結加工工藝簡易,無電化學反應難題等。可是,熱接技術性也存有一些缺陷,例如熱接質量管理艱難,熱接抗壓強度滲透性較為大,缺乏靠譜的檢測方式,粘結面的金屬表面處理和粘結加工工藝規定嚴苛等。針對碳纖維復合材料車體,膠接是關鍵的連接方法。
2.2 機械設備連接
機械設備連接一般應用的是螺栓和地腳螺栓,是最常見的一種連接方法。機械設備連接的關鍵優勢是連接可信性高,檢修或拆換中可反復拆裝和安裝,不用解決表層,對自然環境的危害較為小等。機械設備連接的關鍵缺陷是會提升品質,會造成 應力,金屬材料與復合材料觸碰造成電化學反應等難題。螺栓連接和地腳螺栓連接的比照狀況如圖所示1所顯示。
2.3 混和連接
為了更好地提升連接的安全系數和一致性,在一些關鍵的連接位置,一般 另外選用熱接和機械設備連接的混和連接方法,靈活運用2 種連接方法的優勢,保證連接位置有充足的抗壓強度和較高的可信性。
2.4 電焊焊接
焊接工藝關鍵運用于熱固性塑料復合材料構件,其基本概念是,加溫熔化熱固性塑料復合材料表層的環氧樹脂,隨后鋼筋搭接充壓,使之連接成一體。電焊焊接關鍵有超音波焊接、電感應電焊焊接和電阻器電焊焊接3 種方法。電焊焊接的優勢是連接效果非常的好且周期時間短,不用金屬表面處理,連接抗壓強度高,地應力小等;存在的不足是不容易拆裝,必須添加導電率原材料或鐵絲等。除此之外,在復合材料零部件成形全過程中,能夠在化學纖維預成形體中預埋件金屬材料連接件,成形后復合材料與金屬材料埋件變成一體,復合材料構件間能夠根據金屬材料埋件連接,以防止機械加工損害復合材料。
3 用以汽車的運用優點
在挑選汽車原材料時必須考慮到一系列要素,例如結構力學性能、輕量、原材料可靠性、原材料的可設計方案性和可工藝性能等。每一個要素都是對汽車的設計方案、生產制造、市場銷售、應用等造成不容忽視的危害。近些年,碳纖維增強高聚物基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP)以其特有的性能特性,變成備受大家關心的汽車新型材料。與別的汽車原材料對比,碳纖維增強高聚物基復合材料具備下列優點。
3.1 綜合性結構力學性能出色
車配碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)的相對密度為1.5~3g/cm3,僅為一般碳素鋼的1/4~1/5,比鋁合金型材也要輕1/3上下,但碳纖維復合材料的綜合性結構力學性能顯著好于金屬復合材料,其抗壓強度是不銹鋼板材的3~4倍。鋼和鋁的疲勞極限是抗壓強度的30%~50%,而CFRP達到70%~80%.另外,CFRP還具備比有色金屬更強的震動減振特點,例如輕鋁合金必須9s才可以終止振動,而碳纖維復合材料3s就能終止,強度和比應變速率高。
3.2 可設計方案性強
碳纖維復合材料的可設計方案性強,可根據應用性能規定有效挑選常規原材料,設計方案化學纖維的排序方法和復合材料的結構方式,靈便地開展設計產品。比如,將碳纖維依照承受力方位排列,可充分運用復合材料抗壓強度的各項異性,進而做到節省原材料和緩解品質的目地。針對規定具備抗腐蝕性能的商品,在設計方案時,可采用抗腐蝕性能好的常規原材料。
3.3 可完成一體化生產制造
模塊化設計、統一化也是汽車構造的一種發展趨向。復合材料在成形時便于做成各種形狀的斜面,完成一體化生產制造汽車零部件商品。一體化成形生產制造不但能夠降低零部件的總數和磨具總數,降低零部件連接等工藝流程,還能夠巨大地減少生產周期。比如,假如汽車前端開發控制模塊選用碳纖維復合材料制做,可完成總體一體化成形,防止金屬材料制品的事后拼焊和事后生產加工造成的部分應力,在確保商品精密度和提升性能的另外,緩解汽車零部件品質,減少制造成本。
3.4 吸能耐沖擊性強
碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)具備一定的黏延展性,而且碳纖維與常規中間有細微的部分相對速度,可造成頁面滑動摩擦力。在黏延展性和頁面滑動摩擦力的協同效應下,CFRP制品具備更強的吸能耐沖擊性能。另一方面,經獨特手工編織的碳纖維復合材料撞擊吸能構造在髙速撞擊中破裂為較小的殘片,消化吸收很多的碰撞動能,其動能吸收力比金屬復合材料高4~5倍,能合理提升車子安全系數,確保組員安全性。
3.5 耐蝕性好
碳纖維增強高聚物基復合材料關鍵由碳纖維絲束和復合樹脂構成,具備出色的耐腐蝕性能,用其生產制造的汽車零部件不用開展表層防腐蝕解決,其耐老化和抗老化性能不錯,使用壽命一般為不銹鋼板材的2~3倍。
3.6 高溫性能好
碳纖維在400 ℃下列性能維持十分平穩,在1 000 ℃時仍無很大轉變。
3.7 緩解疲勞性能好
碳纖維增強原材料因化學纖維對疲憊裂痕拓展有阻攔功效,其緩解疲勞性能達到70%~80%碳纖維的構造平穩,做成的復合材料經地應力疲憊數千萬次的循環系統實驗后,其抗壓強度保存率仍有60%,而不銹鋼板材和鋁型材各自為40%和30%,玻璃鋼防腐僅有20%~25%因而,碳纖維復合材料的緩解疲勞性能合適廣泛運用于汽車領域。
4 用以新能源技術新能源客車的合理性剖析
因為碳纖維的引入,車體可減脂50%之上,以典型性A級車型的車體減脂100kg為例子,全車輕量的實際意義比較突出,可從下列好多個層面略加論述:①針對1臺續駛300km、裝用電量45kW?h的新能源客車而言,以領域權威專家“每減脂100kg,提升8%上下的續航里程數”測算,一樣的續航里程數能夠降低3.8kW?h的裝用電量,節約電池花費約為0.六萬元;②以行車四十萬千米生命期、水電費均值依照0.9元/kW?h測算,全車生命期內可節省水電費400000/100×1.2×0.9=0.432萬余元(按100km節約1.2mW?h電量計算);③由于碳纖維原材料的運用,以五萬輛的全車生產規模為例子,所節省的加工工藝項目投資、機器設備項目投資換算到電動式汽車的經濟發展劑量中,每輛車中的攤銷費約節省2000元;④由于加工工藝精減,工作人員成本費最少節省一千元/臺。
之上數項累計,每輛車可均值節省0.6 0.432 0.2 0.1=1.332萬余元成本費,但這種花費不能抵減由于碳纖維的引進所產生的原材料自身成本費的提升。不難看出,碳纖維車體的運用現階段仍存有很大的難題。假如要營銷推廣輕量車體,只有從減少加工工藝和機器設備的資金投入層面下手。之上數項累計,每輛車可均值節省0.6 0.432 0.2 0.1=1.332萬余元成本費,但這種花費不能抵減由于碳纖維的引進所產生的原材料自身成本費的提升。不難看出,碳纖維車體的運用現階段仍存有很大的難題。
假如要營銷推廣輕量車體,只有從減少加工工藝和機器設備的資金投入層面下手。
假如汽車完成碳纖維車體批量生產,碳纖維原材料自身的成本費也會大幅降低,全部領域效用也非常極大,經濟收益也將愈發顯著。這種只是是以碳纖維的視角剖析的,假如再考慮到鋁合金型材車體減脂達50kg的要素,按一樣的大道理順向累加,經濟發展效用盡人皆知。
5 用以車體的發展趨向
由于碳纖維增強復合材料的特性,這類原材料慢慢遭受了汽車生產商的親睞。據統計,在汽車行業,碳纖維需求量正以年平均34%的速率提高,到今年將做到2.三萬噸。圖2為碳纖維增強復合材料用以車體的發展趨勢路線地圖。
當今,碳纖維增強復合材料的關鍵運用于車體遮蓋件、車的身上的裝飾設計件和零部件上。比如,寶馬汽車公司已在其開發設計的多種多樣車系中很多選用碳纖維復合材料生產制造車體零部件,這早已變成碳纖維復合材料運用于汽車生產制造的關鍵時刻。另外,寶馬汽車公司還與法國西格內企業(SGL)進一步協作,項目投資一億歐產品研發成本低碳纖維,并將碳纖維生產量從每一年3000t提升到9000t,用于考慮持續提高的寶馬i系列產品電動式汽車及其別的車系的要求。
6 結語
總的來說,碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)以其與眾不同的性能優點變成將來汽車新型材料的關鍵發展前景。殊不知,這類原材料要想在汽車行業應用推廣,還必須從下列幾層面下手進行技術轉移協作產品研發:①進一步尋找更成本低的碳纖維先行者體;②產品研發碳纖維生產制造新技術新工藝,例如先行者體原材料的防老化技術性;③提升碳纖維生產制造加工工藝主要參數或選用納米技術碳纖維,以進一步提高CFRP復合材料的性能;④產品研發便捷、合理的CFRP制品成形生產技術,例如成形迅速干固技術性、復合材料流通性控制系統等;⑤運用現代電子技術剖析技術性(CAE)篩選不一樣的碳纖維復合材料,并提升成形加工工藝主要參數。
來源于:復合材料網

