CFRP المستخدمة في تحليل الوزن الخفيف والاقتصادي لمركبات الركاب الجديدة للطاقة

عادة ما يتم دمج ألياف الكربون مع راتنجات الايبوكسي لتشكيل مادة مركبة. ترث هذه المادة المركبة سلسلة من المزايا مثل قوة محددة أعلى ، ومعامل محدد ، وقوة التعب ، ومقاومة الصدمات لألياف الكربون نفسها. في الوقت نفسه ، فإنه يرث الايبوكسي. صياغة الراتنج هي مرنة ومتعددة الاستعمالات ، وتطبيقاتها مستهدفة بدرجة كبيرة. مقارنة مع أعضاء الهيكلية سبائك الألومنيوم ، يمكن أن تأثير الحد من الوزن من المواد المركبة ألياف الكربون تصل إلى 20 ٪ إلى 40 ٪. بالمقارنة مع مكونات الفولاذ المعدنية ، يمكن أن يصل تأثير تخفيف الوزن لمواد ألياف الكربون المركبة إلى 60٪ إلى 80٪. استخدام المواد المركبة من ألياف الكربون لا يقلل هذا من جودة السيارة الكلية فحسب ، بل يؤثر أيضًا على عملية تصنيع السيارات ويغيرها إلى حد ما.

1 نوع العملية

البوليمرات المقواة بالألياف الكربونية (CFRP) تشير إلى مركب من ألياف الكربون كمرحلة تقوية ومواد راتنج بالحرارة أو بالحرارة. تتضمن تكنولوجيا تصنيع المواد المركبة CFRP أساسًا عمليات التشكيل المسبق وتشكيل السوائل. يوضح الجدول رقم 1 مقارنة وتحليل أنواع العمليات لمركبات البوليمر المقواة بألياف الكربون المقواة.

2 جمعية السيارات وتجميع التكنولوجيا

إن التجميع المشترك لأجزاء السيارات المركبة والاتصال بين الأجزاء المركبة والأجزاء المعدنية هو مشكلة حتمية. تكون المادة المركبة متباينة الخواص ، مع انخفاض قوة interlaminar وانخفاض ليونة ، مما يجعل تصميم وتحليل مفاصل المواد المركبة أكثر تعقيدا بكثير من المعادن. العلاقة بين الأجزاء المعدنية التقليدية في صناعة السيارات ليست مناسبة للمواد المركبة. لذلك ، من المهم أن نفهم ونحسِّن الطريقة التي ترتبط بها مواد المركبات المركبة وثابتة ، وأن تتخذ خيارات معقولة.

بسبب استمرارية الألياف المكسورة بالفتحات ، تحدث توترات إجهاد محلية. عادةً ما تكون مفاصل المواد المركبة هي أضعف حلقة في البنية الكاملة. لذلك ، فمن الأهمية بمكان لضمان قوة المفاصل في التصميم الهيكلي للمواد المركبة. وتنقسم المواد المركبة إلى ثلاث فئات رئيسية ، وهي الاتصالات الملصقة والوصلات الميكانيكية والوصلات الهجينة بين الاثنين. لمركبات اللدائن الحرارية ، هناك تقنيات اللحام. يجب تحديد تصميم تكنولوجيا توصيل المواد المركبة وفقًا لشروط الاستخدام المحددة ومتطلبات التصميم الخاصة بالمكونات.

2.1 لصقها اتصال

بالمقارنة مع الاتصال الميكانيكي ، فإن المزايا الرئيسية لتكنولوجيا الربط هي تركيز الضغط الناجم عن عدم وجود فتحات ، وانخفاض جودة البنية ، ومقاومة التعب ، وخصائص الاهتزاز والعزل الجيد ، والمظهر السلس ، وعملية الترابط البسيطة ، وعدم وجود مشاكل التآكل الكهروكيميائية. ومع ذلك ، هناك بعض أوجه القصور في تكنولوجيا الترابط ، مثل التحكم الصعب في جودة الترابط ، تشتت كبير نسبيا من قوة الترابط ، وعدم وجود أساليب التفتيش موثوقة ، ومتطلبات صارمة على المعالجة السطحية والترابط من السطوح الترابط. للجسم مركب من ألياف الكربون ، الترابط هو الاتصال الرئيسي.

2.2 اتصال ميكانيكي

يتم استخدام الاتصال الميكانيكي بشكل عام المسامير والبراغي ، وهو أكثر الاتصالات استخدامًا. الميزة الرئيسية للوصلة الميكانيكية هي الموثوقية العالية للاتصال ، والتي يمكن تفكيكها وتجميعها بشكل متكرر أثناء الصيانة أو الاستبدال ، ولا تتطلب معالجة سطحية ، ولها تأثير صغير نسبيًا على البيئة. تتمثل العيب الرئيسي للوصلات الميكانيكية في زيادة الكتلة وتركيز الضغط والتآكل الكهروكيميائي للمعادن والمركبات. وتظهر المقارنة بين وصلات البرشام ووصلات الترباس في الشكل 1.

2.3 الاتصال الهجين

من أجل تحسين سلامة وسلامة الاتصال ، في بعض مواقع الاتصال الهامة ، عادة ما يتم اعتماد طريقة اتصال مختلطة من الترابط والاتصال الميكانيكي في نفس الوقت ، ويتم استخدام مزايا طريقتين الاتصال بشكل كامل لضمان أن موقع الاتصال لديه قوة كافية وموثوقية عالية.

2.4 اللحام

يتم تطبيق تكنولوجيا اللحام بشكل رئيسي على الأجزاء المركبة بالحرارة. المبدأ الأساسي هو تسخين الراتنج على سطح المركب الحراري المنصهر ، ومن ثم الضغط على الصحافة لجعلها متكاملة. لحام يشمل أساسا لحام بالموجات فوق الصوتية ، لحام الحث الكهربائي واللحام المقاومة. مزايا اللحام هي اتصال جيد ودورة قصيرة ، بدون معالجة سطحية ، قوة اتصال عالية ، إجهاد منخفض ، وما إلى ذلك ؛ يصعب فك أوجه القصور وتحتاج إلى إضافة مواد موصلة أو أسلاك معدنية. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء التشكيل العضلي المركب ، يمكن تضمين الموصل المعدني في شكل الألياف ، ويتم دمج المادة المركبة والعضو المضمن في المعدن بعد التشكيل ، ويمكن توصيل الأجزاء المركبة من خلال عضو معدني مضمن لتجنب الميكانيكا الأضرار بالقطع.

3 مزايا التطبيق للسيارات

هناك عدد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار مواد السيارات ، مثل الخواص الميكانيكية ، والوزن الخفيف ، واستقرار المواد ، وإمكانية تصميم المواد ، وسهولة التشغيل. سيكون لكل من هذه العوامل تأثير غير مهم على تصميم السيارات والمبيعات والمبيعات واستخدامها. في السنوات الأخيرة ، أصبحت البوليمرات المقواة بالألياف الكربونية (CFRP) مادة ميكانيكية جديدة تجذب الانتباه نظرًا لخصائص الأداء الفريدة. بالمقارنة مع مواد السيارات الأخرى ، فإن مركبات البوليمر المقواة بألياف الكربون لديها المزايا التالية.

3.1 خصائص ميكانيكية ممتازة

إن كثافة مركبات مصفوفة الراتنج المصنوعة من ألياف الكربون (CFRP) للمركبات هي 1.5 إلى 2g / cm3 ، وهي فقط 1/4 إلى 1/5 من الكربون الصلب العادي ، وهي 1/3 أخف من سبائك الألومنيوم ، ولكن الكربون المواد المركبة من الألياف إن الخواص الميكانيكية الشاملة من الواضح أنها أفضل من المواد المعدنية ، وقوتها الشدانية هي 3 إلى 4 مرات من الفولاذ. قوة التعب من الصلب والألمنيوم هي 30 ٪ إلى 50 ٪ من قوة الشد ، و CFRP يمكن أن تصل إلى 70 ٪ إلى 80 ٪. في نفس الوقت ، لديها CFRP أيضا خصائص تخميد الاهتزاز أفضل من المعادن الخفيفة ، مثل سبائك الضوء تتطلب 9S لوقف الاهتزاز ، يمكن إيقاف المواد المركبة من ألياف الكربون 2s ولها قوة محددة أعلى ومعامل معين.

3.2 تصميم

تصميم المواد المركبة من ألياف الكربون قوية ، ويمكن اختيار مادة المصفوفة بشكل معقول وفقا لمتطلبات الأداء ، ويمكن تصميم ترتيب الألياف وهيكل المواد المركبة ، ويمكن تنفيذ تصميم المنتج بمرونة. على سبيل المثال ، من خلال ترتيب ألياف الكربون في اتجاه القوة ، يمكن ممارسة تباين قوة المواد المركبة بشكل كامل ، وبالتالي تحقيق الغرض من توفير المواد وخفض الجودة. بالنسبة للمنتجات التي تتطلب مقاومة للتآكل ، يمكن استخدام مادة أساسية ذات مقاومة جيدة للتآكل أثناء التصميم.

3.3 يمكن تحقيق التصنيع المتكامل

النمذجة والتكامل هي أيضا اتجاهات في هيكل السيارات. عندما يتم تشكيل المواد المركبة ، من السهل تشكيل سطح منحنٍ من مختلف الأشكال لتحقيق إنتاج متكامل لأجزاء ومكونات السيارات. لا يمكن أن يؤدي القولبة المتكاملة إلى تقليل عدد الأجزاء والقوالب فحسب ، بل وتقليل عدد المكونات والعمليات الأخرى ، بل أيضًا تقصير دورة الإنتاج بدرجة كبيرة. على سبيل المثال ، إذا كانت وحدة الواجهة الأمامية للسيارة مصنوعة من مادة مركبة من ألياف الكربون ، فيمكن تشكيلها بشكل متكامل ومتكامل لتجنب تركيز الإجهاد الموضعي الناتج عن اللحام اللاحق والمعالجة اللاحقة للأجزاء المعدنية ، مع تقليل دقة المنتج وتحسين الأداء مع تقليل قطع غيار السيارات. الجودة ، والحد من تكاليف التصنيع.

3.4 امتصاص الطاقة ومقاومة التأثير

تتمتع مركبات مصفوفة الراتنج المصنوعة من ألياف الكربون (CFRP) بدرجة معينة من مرونة اللزوجة ، وهناك حركة نسبية محلية طفيفة بين ألياف الكربون والمصفوفة ، والتي يمكن أن تولد احتكاكًا بينيًا. تحت تأثير التآزر بين مرونة اللزوجة والاحتكاك البيني ، فإن أجزاء CFRP تتمتع بامتصاص أفضل للطاقة ومقاومة تأثير. من ناحية أخرى ، يتصادم مركب ألياف الكربون الذي تم امتصاصه بشكل خاص إلى شظايا صغيرة في تصادمات عالية السرعة ، يمتص كمية كبيرة من طاقة الصدم ، وقدرته على امتصاص الطاقة تزيد من 4 إلى 5 مرات عن تلك الخاصة بالمواد المعدنية ، تحسين السيارات. الأمن وحماية سلامة الأعضاء.

3.5 مقاومة جيدة للتآكل

تتكون مركبات مصفوفة البوليمر المقوى بالألياف الكربونية بشكل رئيسي من مواد سحب وراتن ألياف الكربون ، ولها خصائص مقاومة ممتازة للحمض والقلويات. قطع غيار السيارات المصنوعة منها لا تحتاج إلى معالجة مطهرة السطح ، ومقاومتها للطقس ومقاومة الشيخوخة جيدة. حياتهم خدمة جيدة. 2 إلى 3 مرات من الفولاذ.

3.6 درجة حرارة عالية الأداء

لا يزال أداء ألياف الكربون عند درجات حرارة أقل من 400 درجة مئوية ثابتًا للغاية ، ولا يوجد تغير كبير عند 1000 درجة مئوية.

3.7 مقاومة التعب الجيدة

المواد المدعمة بالألياف الكربونية لها تأثير مثبط على انتشار شقوق الكلال بسبب الألياف ، ويمكن لمقاومة التعب أن تصل إلى 70٪ إلى 80٪. هيكل ألياف الكربون مستقر. بعد عمر الإرهاق من المواد المركبة الملايين من الدورات ، ومعدل الاحتفاظ بها قوة لا يزال هناك 60 ٪ ، في حين أن الصلب والألمنيوم 40 ٪ و 30 ٪ على التوالي ، والألياف الزجاجية هو فقط 20 ٪ إلى 25 ٪. ولذلك ، فإن مقاومة التعب من ألياف الكربون المركبة مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات في صناعة السيارات.

4 التحليل الاقتصادي لمركبات الركاب الجديدة للطاقة

بسبب استخدام ألياف الكربون ، يمكن تخفيض الجسم بأكثر من 50٪. مع أخذ وزن 100 كيلوجرام على مركبة نموذجية من فئة A كمثال ، فإن أهمية وزن خفيف للسيارة واضحة للغاية. يمكن تفسيره من النواحي التالية: 1 بالنسبة لمحطة واحدة بالنسبة لسيارة ركاب ذات 300 كلم وسعة شحن تصل إلى 45 كيلو واط ساعة ، يمكن تقليل نفس نطاق القيادة بمقدار 3.6 كيلو واط ساعة ، كما يحسبه خبير الصناعة ، "100 كجم لكل 100 كجم ، بالإضافة إلى زيادة بنسبة 8٪ في نطاق القيادة". تبلغ تكلفة توفير البطارية حوالي 0.6 مليون يوان ؛ 2 يتم حساب متوسط عمر دورة القيادة 400000 كيلومتر وتكلفة الكهرباء وفقًا لقيمة 0.9 يوان / كيلو وات ساعة. يمكن أن تكلفة الكهرباء للمركبة بأكملها توفير 400000/100 × 1.2 × 0.9 = 0.43 مليون. 100 كم توفر 1.2kW · h الكهرباء.) 3 بسبب تطبيق مواد ألياف الكربون ، مع أخذ حجم الإنتاج من 50000 سيارة كمثال ، يتم تحويل الاستثمار في الاستثمار في العمليات والمعدات المحفوظة إلى المعادل الاقتصادي للمركبات الكهربائية ، وكل سيارة الإهلاك أنقذ حوالي 2000 يوان. 4 بسبب تبسيط العملية ، تكاليف الموظفين على الأقل توفير 1000 يوان / تايوان.

البنود المذكورة أعلاه تلخص متوسط توفير 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 مليون يوان لكل مركبة ، لكن هذه التكاليف ليست كافية لتعويض الزيادة في تكلفة المادة نفسها بسبب إدخال ألياف الكربون. يمكن ملاحظة أنه لا تزال هناك مشاكل كبيرة في استخدام أجسام ألياف الكربون. إذا كنت ترغب في تعزيز جسم خفيف الوزن ، يمكنك البدء فقط من تقليل مدخلات العملية والمعدات. البنود المذكورة أعلاه تلخص متوسط توفير 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 13.3 مليون يوان لكل مركبة ، لكن هذه التكاليف ليست كافية لتعويض الزيادة في تكلفة المادة نفسها بسبب إدخال ألياف الكربون. يمكن ملاحظة أنه لا تزال هناك مشاكل كبيرة في استخدام أجسام ألياف الكربون.

إذا كنت ترغب في تعزيز جسم خفيف الوزن ، يمكنك البدء فقط من تقليل مدخلات العملية والمعدات.

إذا حققت السيارة إنتاجًا كبيرًا من ألياف الكربون ، فإن تكلفة مادة ألياف الكربون نفسها ستنخفض بشكل كبير ، وسيكون تأثير الصناعة بأكمله كبيرًا إلى حد كبير ، وستصبح الفوائد الاقتصادية أكثر وضوحًا أيضًا. هذه هي فقط من منظور تحليل ألياف الكربون ، إذا كنت تنظر عامل تخفيض وزن الجسم سيارة سبيكة الألومنيوم من 50KG ، وفقا لنفس السبب كومة إيجابية ، فإن الأثر الاقتصادي هو بديهي.

5 اتجاهات التنمية لجسم السيارة

بالنظر إلى خصائص مركبات الكربون المقواة بالألياف ، فإن هذا النوع من المواد يفضله بشكل متزايد مصنعو السيارات. وتشير التقديرات إلى أن استخدام ألياف الكربون في قطاع السيارات ينمو بمعدل سنوي متوسط يبلغ 34٪ وسيصل إلى 23000 طن بحلول عام 2020. ويوضح الشكل 2 خارطة الطريق لتطوير مركبات الكربون المقواة لتعزيز عمل هيكل السيارة.

في الوقت الحاضر ، يتم تطبيق المواد المقواة بالألياف الكربونية بشكل أساسي على ألواح الجسم ، وحواف الجسم ، والمكونات الهيكلية. على سبيل المثال ، استخدمت BMW عددًا كبيرًا من المواد المركبة من ألياف الكربون في تطوير مجموعة متنوعة من الموديلات لتصنيع الأجزاء الهيكلية للجسم. هذا أصبح لحظة مهمة لتطبيق المواد المركبة من ألياف الكربون في تصنيع السيارات. وفي الوقت نفسه ، تعاونت BMW مع شركة SGL في ألمانيا ، حيث استثمرت 100 مليون يورو في البحث والتطوير لألياف الكربون منخفضة التكلفة ، وزيادة إنتاج ألياف الكربون من 3000 طن في السنة إلى 9000 طن لتلبية نمو BMW i يستقبل السيارات الكهربائية وغيرها. الطلب على النماذج.

6 الخلاصة

باختصار ، أصبحت مركبات مصفوفة راتنجات الكربون المقواة بألياف الكربون (CFRP) اتجاهًا مهمًا للتنمية لمواد السيارات الجديدة في المستقبل مع مزايا الأداء الفريدة. ومع ذلك ، من أجل تشجيع استخدام هذه المواد في مجال السيارات ، من الضروري بدء البحث التعاوني وتطوير الإنتاج والتعلم والبحث من الجوانب التالية: (1) مزيد من البحث عن سلائف ألياف الكربون منخفضة التكلفة ؛ (2) تطوير عمليات جديدة لتصنيع ألياف الكربون ، مثل تثبيت المواد الأولية. تقنية؛ 3 تحسين معاملات عملية تصنيع ألياف الكربون أو استخدام ألياف الكربون النانوية لزيادة تحسين أداء المواد المركبة CFRP ؛ 4 تطوير تقنيات التشكيل والتصنيع بتقنية CFRP السريعة والفعالة ، مثل تكنولوجيا التشكيل بالتصلب السريع وتكنولوجيا التحكم في تدفق المواد المركبة ؛ 5 استخدام تكنولوجيا تحليل محاكاة الكمبيوتر (CAE) لتحديد المواد المركبة المختلفة من ألياف الكربون وتحسين معايير عملية التشكيل.