Sợi carbon thường được kết hợp với nhựa epoxy để tạo thành một vật liệu composite. Vật liệu composite này thừa kế một loạt các ưu điểm như sức mạnh cụ thể, mô đun cụ thể, độ bền mỏi và hấp thụ năng lượng và khả năng chống sốc của sợi carbon. Đồng thời, nó thừa hưởng epoxy. Thiết kế công thức nhựa dẻo và đa dạng, và ứng dụng được nhắm mục tiêu. So với các bộ phận kết cấu hợp kim nhôm, hiệu ứng giảm trọng lượng của vật liệu tổng hợp sợi carbon có thể đạt 20% đến 40%. So với các bộ phận kim loại thép, hiệu ứng giảm trọng lượng của vật liệu composite sợi carbon có thể đạt 60% đến 80%. Sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon Không chỉ làm giảm chất lượng của toàn bộ chiếc xe, nhưng nó cũng đã ảnh hưởng và thay đổi quy trình sản xuất ô tô ở một mức độ nào đó.
1 Loại quy trình
Các sợi polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) đề cập đến một vật liệu thu được bằng cách kết hợp các sợi carbon làm pha gia cố với vật liệu nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn. Công nghệ sản xuất vật liệu tổng hợp CFRP chủ yếu bao gồm các quy trình hình thành prepreg và lỏng. Phân tích so sánh các loại quy trình của vật liệu tổng hợp polymer gia cố bằng sợi carbon được thể hiện trong Bảng 1.
2 Công nghệ lắp ráp phụ tùng ô tô
Việc lắp ráp kết hợp giữa các bộ phận ô tô tổng hợp và kết nối giữa các bộ phận composite và các thành phần kim loại là một vấn đề không thể tránh khỏi. Vật liệu composite là dị hướng, cường độ xen là tương đối thấp và độ dẻo nhỏ, khiến cho việc thiết kế và phân tích các khớp nối phức tạp hơn nhiều so với kim loại. Sự kết nối giữa các bộ phận kim loại truyền thống của ngành công nghiệp ô tô không áp dụng cho vật liệu composite. Kết nối, do đó, nó là quan trọng để hiểu và cải thiện cách thức mà ô tô vật liệu tổng hợp được tham gia và bảo đảm.
Nồng độ căng thẳng cục bộ là do sự liên tục của các sợi bị hỏng. Các khớp nối composite thường là liên kết yếu nhất trong cấu trúc tổng thể, do đó đảm bảo sức mạnh liên kết là chìa khóa để thiết kế kết cấu tổng hợp. Vật liệu tổng hợp chủ yếu được chia thành ba loại, cụ thể là, dán khớp, khớp cơ khí, và khớp lai của hai. Đối với vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo, cũng có các kỹ thuật hàn. Thiết kế công nghệ kết hợp tổng hợp cần được xác định dựa trên việc sử dụng cụ thể các yêu cầu về thành phần và thiết kế.
2.1 kết nối keo
So với kết nối cơ học, lợi thế chính của công nghệ liên kết là không có nồng độ căng thẳng gây ra bởi việc mở, chất lượng cấu trúc giảm, khả năng chống mỏi, giảm xóc rung và hiệu suất cách nhiệt tốt, bề ngoài trơn tru mịn, quá trình liên kết là đơn giản, và không có vấn đề ăn mòn điện hóa. Tuy nhiên, công nghệ liên kết cũng có một số thiếu sót, như khó kiểm soát chất lượng liên kết, độ phân tán lớn của cường độ liên kết, thiếu phương pháp kiểm tra đáng tin cậy, yêu cầu nghiêm ngặt đối với xử lý bề mặt và quá trình liên kết của bề mặt liên kết. Đối với cơ thể tổng hợp sợi carbon, keo là kết nối chính.
2.2 Kết nối cơ khí
Kết nối cơ học thường sử dụng đinh tán và bu lông và là loại kết nối phổ biến nhất. Ưu điểm chính của kết nối cơ học là độ tin cậy cao của kết nối, tháo gỡ và lắp ráp lặp lại trong quá trình bảo trì hoặc thay thế, cần phải xử lý bề mặt và tác động đến môi trường là tương đối nhỏ. Những bất lợi chính của việc gia công cơ học là nó làm tăng chất lượng, gây căng thẳng tập trung, và gây ăn mòn điện hóa tiếp xúc với composite. So sánh kết nối đinh tán và kết nối bu lông được thể hiện trong Hình 1.
2.3 Kết nối hỗn hợp
Để cải thiện sự an toàn và tính toàn vẹn của kết nối, trong một số bộ phận kết nối quan trọng, phương pháp kết nối kết nối keo và kết nối cơ học thường được sử dụng cùng một lúc và ưu điểm của hai phương pháp kết nối được sử dụng đầy đủ để đảm bảo đủ sức mạnh và điểm kết nối cao. độ tin cậy.
2.4 hàn
Công nghệ hàn chủ yếu được áp dụng cho các bộ phận composite nhiệt dẻo. Nguyên tắc cơ bản là để làm nóng nhựa trên bề mặt của nhựa nhiệt dẻo nóng chảy tổng hợp, và sau đó gây áp lực và tham gia chúng. Có ba phương pháp hàn chính: hàn siêu âm, hàn điện cảm ứng và hàn điện trở. Ưu điểm của hàn là hiệu ứng kết nối tốt và chu kỳ ngắn, không xử lý bề mặt, độ bền cao, ứng suất thấp, vv; bất lợi là nó không phải là dễ dàng để tháo rời, và nó là cần thiết để thêm vật liệu dẫn điện hoặc dây điện. Ngoài ra, trong quá trình đúc của thành phần kết cấu composite, đầu nối kim loại có thể được nhúng vào phôi sợi, và vật liệu composite và thành phần nhúng kim loại được tích hợp sau khi đúc, và thành phần composite có thể được kết nối bằng kim loại nhúng thành phần để tránh vật liệu tổng hợp thiệt hại gia công.
3 Ưu điểm ứng dụng cho ô tô
Một số yếu tố cần phải được xem xét khi lựa chọn vật liệu ô tô, chẳng hạn như tính chất cơ học, trọng lượng nhẹ, ổn định vật liệu, khả năng thiết kế material design và khả năng xử lý. Mỗi yếu tố sẽ có tác động đáng kể đến việc thiết kế, sản xuất, bán và sử dụng xe hơi. Trong những năm gần đây, Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) đã trở thành vật liệu ô tô mới với những đặc tính hiệu suất độc đáo của nó. Sợi tổng hợp polymer gia cố bằng sợi carbon có những ưu điểm sau so với các vật liệu ô tô khác.
3.1 Tính chất cơ học xuất sắc
Hỗn hợp ma trận nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) có mật độ 1,5 đến 2 g / cm3, chỉ bằng 1/4 đến 1/5 thép cacbon thông thường và có độ sáng khoảng 1/3 so với hợp kim nhôm, nhưng sợi carbon vật liệu composite Các tính chất cơ học toàn diện là tốt hơn đáng kể so với các vật liệu kim loại, và độ bền kéo gấp 3 đến 4 lần so với thép. Độ bền mỏi của thép và nhôm là 30% đến 50% độ bền kéo, trong khi CFRP có thể đạt 70% đến 80%. Đồng thời, CFRP cũng có đặc tính giảm rung tốt hơn so với kim loại nhẹ. Ví dụ, hợp kim nhẹ cần 9 giây để dừng rung. Vật liệu hỗn hợp sợi carbon có thể được dừng lại trong 2 giây, và cường độ cụ thể và mô đun cụ thể cao.
3.2 Có thể thiết kế
Vật liệu composite sợi carbon có khả năng thiết kế mạnh và có thể lựa chọn vật liệu cơ bản một cách hợp lý theo yêu cầu hiệu suất, thiết kế sự sắp xếp của các sợi và dạng cấu trúc của vật liệu composite, và thiết kế linh hoạt sản phẩm. Ví dụ, bằng cách sắp xếp các sợi carbon theo hướng của lực, sự bất đẳng hướng của sức mạnh của vật liệu composite có thể được sử dụng đầy đủ, do đó đạt được mục đích tiết kiệm vật liệu và giảm chất lượng. Đối với các sản phẩm yêu cầu chống ăn mòn, có thể chọn vật liệu cơ bản có khả năng chống ăn mòn tốt cho thiết kế.
3.3 tích hợp sản xuất là có thể
Modularity và tích hợp cũng là một xu hướng phát triển của cấu trúc ô tô. Vật liệu composite dễ dàng tạo thành các bề mặt cong của các hình dạng khác nhau trong quá trình đúc, cho phép sản xuất tích hợp các bộ phận ô tô. Tích hợp khuôn có thể không chỉ làm giảm số lượng các bộ phận và số lượng khuôn mẫu, giảm số lượng các bộ phận và các quá trình khác, nhưng cũng rút ngắn rất nhiều chu kỳ sản xuất. Ví dụ, nếu mô-đun phía trước của ô tô được làm bằng vật liệu composite sợi carbon, nó có thể nhận ra tích hợp khuôn đúc, tránh nồng độ căng thẳng cục bộ do hàn thợ hàn tiếp theo và xử lý tiếp theo các bộ phận kim loại. và cải thiện hiệu suất. Chất lượng, giảm chi phí sản xuất.
3.4 hấp thụ năng lượng và tác động kháng
Hỗn hợp ma trận nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) có độ nhớt dẻo nhất định và có một chuyển động tương đối cục bộ nhỏ giữa sợi carbon và ma trận, có thể tạo ra ma sát giao thoa. Dưới sức mạnh tổng hợp của độ nhớt và ma sát giao thoa, các bộ phận CFRP có khả năng hấp thụ năng lượng và chống va đập tốt hơn. Mặt khác, cấu trúc hấp thụ năng lượng va chạm hỗn hợp sợi carbon đặc biệt dệt thành các mảnh nhỏ hơn trong va chạm tốc độ cao, hấp thụ một lượng lớn năng lượng va đập, và khả năng hấp thụ năng lượng của nó cao gấp 4 đến 5 lần so với vật liệu kim loại, có thể cải thiện hiệu quả chiếc xe. Bảo mật để bảo vệ an toàn cho thành viên.
3.5 chống ăn mòn tốt
Vật liệu hỗn hợp polymer polyme gia cố bằng sợi carbon chủ yếu bao gồm vật liệu sợi carbon và vật liệu nhựa, và có tính kháng axit và kiềm tuyệt vời. Các bộ phận ô tô sản xuất bởi cùng một không cần xử lý chống ăn mòn bề mặt, và có sức đề kháng thời tiết tốt và khả năng chống lão hóa, và tuổi thọ là nói chung Nó là 2-3 lần của thép.
3.6 hiệu suất nhiệt độ tốt
Sợi carbon có hiệu suất rất ổn định dưới 400 ° C và không thay đổi nhiều ở 1 000 ° C.
3.7 sức đề kháng mệt mỏi tốt
Vật liệu gia cố bằng sợi carbon có một trở ngại cho sự phát triển vết nứt của sợi, và khả năng chống mỏi của nó có thể đạt 70% đến 80%. Cấu trúc của sợi carbon ổn định, và sức mạnh của vật liệu composite sau khi kiểm tra chu trình của sự mệt mỏi căng thẳng là hàng triệu lần. Vẫn còn 60%, trong khi thép và nhôm lần lượt là 40% và 30%, và FRP chỉ là 20% đến 25%. Do đó, khả năng chống mỏi của vật liệu tổng hợp sợi carbon thích hợp cho một loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.
4 Phân tích kinh tế của xe chở khách năng lượng mới
Do tham chiếu của sợi carbon, trọng lượng của cơ thể có thể được giảm hơn 50%. Lấy giảm cân 100kg của mô hình A-class điển hình làm ví dụ, trọng lượng của toàn bộ chiếc xe là rất rõ ràng. Nó có thể được giải thích từ các khía cạnh sau: 1 cho 1 Đối với một chiếc xe chở khách với khoảng cách lái xe 300km và mức tiêu thụ điện năng 45kW · h, phạm vi lái xe tương tự có thể được giảm bởi 3.6kW · h bởi chuyên gia trong ngành "100kg mỗi giảm trọng lượng và tăng phạm vi lái xe 8% ”. Chi phí tiết kiệm pin là khoảng 0,6 triệu nhân dân tệ; 2, với vòng đời 400.000 km và chi phí điện trung bình là 0,9 đô la / kW · h, chi phí điện có thể được lưu trong vòng đời của xe bằng 400.000 / 100 × 1,2 × 0,9 = 0,32 triệu nhân dân tệ. 100km tiết kiệm 1,2kW · h tính toán điện); 3 Bởi vì việc áp dụng vật liệu sợi carbon, lấy quy mô sản xuất 50.000 xe như một ví dụ, đầu tư tiết kiệm trong công nghệ và thiết bị được chuyển đổi thành tương đương kinh tế của xe điện, trong mỗi chiếc xe. Khấu hao sẽ tiết kiệm được khoảng 2.000 nhân dân tệ; 4 bởi vì quá trình được sắp xếp hợp lý, chi phí nhân sự có thể được tiết kiệm ít nhất 1.000 nhân dân tệ / Đài Loan.
Tổng cộng, chi phí trung bình cho mỗi chiếc xe là 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 triệu, nhưng những chi phí này không đủ bù đắp sự gia tăng chi phí của vật liệu do sự ra đời của sợi carbon. Có thể thấy rằng ứng dụng của thân sợi carbon vẫn còn một vấn đề lớn. Nếu bạn muốn quảng bá cơ thể nhẹ, bạn chỉ có thể bắt đầu từ việc giảm đầu tư vào công nghệ và thiết bị. Tổng cộng, chi phí trung bình cho mỗi chiếc xe là 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 triệu, nhưng những chi phí này không đủ bù đắp sự gia tăng chi phí của vật liệu do sự ra đời của sợi carbon. Có thể thấy rằng ứng dụng của thân sợi carbon vẫn còn một vấn đề lớn.
Nếu bạn muốn quảng bá cơ thể nhẹ, bạn chỉ có thể bắt đầu từ việc giảm đầu tư vào công nghệ và thiết bị.
Nếu ô tô nhận ra khối lượng cơ thể sợi carbon, chi phí của vật liệu sợi carbon cũng sẽ giảm đáng kể, và toàn bộ hiệu quả của ngành sẽ khá lớn và lợi ích kinh tế ngày càng rõ ràng hơn. Đây chỉ là phân tích từ quan điểm của sợi carbon. Nếu chúng ta xem xét các yếu tố làm giảm trọng lượng của cơ thể hợp kim nhôm bằng 50kg, hiệu quả kinh tế là hiển nhiên.
5 cho sự phát triển của cơ thể
Theo quan điểm của các đặc tính của vật liệu composite sợi carbon gia cố, vật liệu như vậy đang dần được ưa chuộng bởi các nhà sản xuất ô tô. Người ta ước tính rằng trong lĩnh vực ô tô, việc sử dụng sợi carbon đang tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng năm là 34% và sẽ đạt 23.000 tấn vào năm 2020. Hình 2 là lộ trình phát triển vật liệu tổng hợp cốt sợi carbon cho cơ thể.
Hiện nay, vật liệu composite cốt sợi carbon chủ yếu được sử dụng cho lớp phủ cơ thể, các bộ phận trang trí và các thành phần cấu trúc trên cơ thể. Ví dụ, BMW đã sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon để làm cho các bộ phận cấu trúc cơ thể trong một loạt các mô hình nó đã phát triển, mà đã trở thành một thời điểm quan trọng cho vật liệu tổng hợp sợi carbon trong sản xuất ô tô. Đồng thời, BMW đã hợp tác hơn nữa với SGL (SGL) để đầu tư 100 triệu euro để phát triển sợi carbon giá rẻ và tăng sản lượng sợi carbon từ 3.000 tấn / năm lên 9000 tấn để đáp ứng các dòng xe BMW i-series ngày càng tăng và khác. Nhu cầu về mô hình.
6 Kết luận
Tóm lại, vật liệu tổng hợp nhựa gia cố sợi carbon (CFRP) đã trở thành một hướng phát triển quan trọng cho các vật liệu ô tô mới trong tương lai do lợi thế hiệu suất độc đáo của chúng. Tuy nhiên, nếu vật liệu này được xúc tiến và áp dụng trong lĩnh vực ô tô thì cần phải bắt đầu nghiên cứu và phát triển cộng tác của ngành, học viện và nghiên cứu từ các khía cạnh sau: 1 để tìm kiếm tiền thân sợi carbon thấp hơn; 2 để phát triển các quy trình mới cho sản xuất sợi carbon, chẳng hạn như sự ổn định của vật liệu tiền thân. 3; tối ưu hóa các thông số quy trình sản xuất sợi carbon hoặc sử dụng sợi carbon nano để cải thiện hơn nữa hiệu suất của vật liệu tổng hợp CFRP; 4 phát triển nhanh chóng và hiệu quả các bộ phận CFRP đúc công nghệ sản xuất, chẳng hạn như công nghệ đóng rắn nhanh chóng, công nghệ kiểm soát dòng chảy vật liệu composite; 5. Sử dụng công nghệ phân tích mô phỏng máy tính (CAE) để lựa chọn vật liệu composite sợi carbon khác nhau và tối ưu hóa các thông số quá trình đúc.
-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- --------------
CÔNG TY TNHH NHỰA XIAMEN LFT COMPOSITE
Tập trung vào (LFT-G, LFRT) R & D và sản xuất: PA, PP, TPU, PPS, PBT, PPA dài sợi thủy tinh & sợi carbon liên tục xâm nhập nhựa nhiệt dẻo composite gia cố loạt kỹ thuật nhựa
Nếu bạn cần thêm thông tin, vui lòng liên hệ với tôi.
Mike Lee
Email: sale02@lfrtplastic.com
Điện thoại di động: + 86-180-5026-9764 (wechat / whatsapp / skype)
Trang web ： www.lfrt-plastic.com
Địa chỉ: No.27 Hongxi Road, Tiangong Chuangxin Technology Park, Maxiang Town, Xiang'an Dist., Xiamen, Fujian, China.
