新エネルギー乗用車用炭素繊維強化樹脂マトリックス複合材

炭素繊維は一般にエポキシ樹脂と結合して複合材料を形成する。この複合材料は、炭素繊維そのものの比強度、比弾性率、疲労強度、エネルギー吸収、耐衝撃性などの一連の利点を継承しています。同時に、それはエポキシを継承します。樹脂のフォーミュラデザインは柔軟で多様性があり、アプリケーションは対象となります。アルミニウム合金の構造部品と比較して、炭素繊維複合材料の重量減少効果は20％~40％に達することができます。鋼の金属部品と比較して、炭素繊維複合材料の重量減少効果は60％〜80％に達することができます。炭素繊維複合材料の使用自動車全体の品質を低下させるだけでなく、自動車製造プロセスにある程度影響を及ぼし、変更しました。

1プロセスタイプ

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）は、炭素繊維を強化相として熱可塑性または熱硬化性樹脂材料と組み合わせることによって得られる材料を指す。 CFRP複合材料の製造技術は、主として、プリプレグおよび液体成形プロセスを含む。炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材のプロセスタイプの比較分析を表1に示す。

2自動車部品接続組立技術

コンポジット自動車部品とコンポジット部品と金属部品との間の結合を組み合わせることは避けられない問題である。複合材料は異方性であり、層間強度は比較的低く、延性は小さく、複合ジョイントの設計および解析は金属よりはるかに複雑である。自動車産業の伝統的な金属部品間の接続は、複合材料には適用できない。したがって、自動車のコンポジットが接合され、固定される方法を理解し、改善することが重要です。

局所的な応力集中は、破断した繊維の連続性によって引き起こされる。コンポジットジョイントは、通常、構造全体の中で最も弱いリンクであるため、ジョイントの強さを確保することは、複合構造設計の鍵です。複合材料は、主に接着接合部、機械的接合部、および2つのハイブリッド接合部の3つのカテゴリに分けられる。熱可塑性複合材料には、溶接技術もある。コンポジットジョイント技術の設計は、コンポーネントと設計要件の特定の用途に基づいて決定する必要があります。

2.1グルーコネクション

機械的な接続と比較して、接合技術の主な利点は、開口部に起因する応力集中がなく、構造の品質が低下し、疲労抵抗、振動減衰および絶縁性能が良好であり、外観が滑らかであり、接合プロセスが簡単であり、電気化学的腐食の問題がない。しかしながら、接合技術には、接合の品質管理の困難さ、接合強度の大きなばらつき、信頼できる検査方法の欠如、表面処理の厳しい要件、接合面の接合プロセスなどのいくつかの欠点もある。炭素繊維複合体の場合、接着剤が主な接続部である。

2.2機械的接続

機械的接続は、一般にリベットとボルトを使用し、最も一般的な接続タイプです。機械的接続の主な利点は、接続の高い信頼性、メンテナンスまたは交換中の繰り返しの分解および組み立て、表面に対処する必要性および環境への影響が比較的小さいことである。機械的接合の主な欠点は、それが品質を高め、応力集中を引き起こし、複合材と接触して電気化学的腐食を引き起こすことである。リベット接続とボルト接続の比較を図1に示します。

2.3混合接続

接続の安全性と完全性を向上させるために、いくつかの重要な接続部品では、通常、接着剤接続と機械的接続のハイブリッド接続方法が同時に使用され、2つの接続方法の利点が十分に活用されて強度と高い接続点。信頼性。

2.4溶接

溶接技術は、主に熱可塑性複合部品に適用されます。基本的な原理は、溶融した熱可塑性複合材料の表面上の樹脂を加熱し、次いでそれらを加圧して接合することである。溶接の主な3つの方法がある：超音波溶接、電気誘導溶接および抵抗溶接。溶接の利点は、良好な接続効果と短いサイクル、表面処理なし、高い接合強度、低い応力などです。不都合な点は、分解が容易ではなく、導電性の材料またはワイヤを追加する必要があることである。また、複合構造部材の成形工程では、金属プリフォームを繊維プリフォームに埋め込み、成形後に複合材料と金属埋め込み部品とを一体化し、複合材料を金属埋め込み材で接続することができる機械加工された損傷複合材を避けるためのコンポーネントです。

3自動車のアプリケーションメリット

機械的特性、軽量性、材料の安定性、材料の設計可能性、加工性などの自動車材料を選択する際には、多くの要素を考慮する必要があります。各要素は、自動車の設計、生産、販売、使用に大きな影響を与えます。近年、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）は、独自の性能特性を備えた新しい自動車材料となっています。炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材料は、他の自動車材料よりも次の利点を有する。

3.1優れた機械的特性

炭素繊維強化樹脂マトリックス複合材（CFRP）の密度は1.5~2g / cm3であり、通常の炭素鋼の1 / 4~1 / 5程度であり、アルミニウム合金に比べて約1/3軽量であるが、炭素繊維複合材料総合的な機械的性質は金属材料よりも著しく優れており、引張強度は鋼の3〜4倍です。鋼とアルミニウムの疲労強度は引張強度の30〜50％であり、CFRPは70〜80％に達することができる。同時に、CFRPは、軽金属よりも優れた制振特性も備えています。例えば軽合金は振動を止めるのに9秒必要です。炭素繊維複合材料を2秒間停止させることができ、比強度および比弾性率が高い。

3.2設計可能

炭素繊維複合材料は、意匠性が強く、性能要件に応じて合理的に選択し、繊維の配列や複合材料の構造を設計し、柔軟に設計することができる。例えば、炭素繊維を力の方向に配置することにより、複合材料の強度の異方性を十分に利用することができ、材料の節約と品質の低下という目的を達成することができる。耐食性を要求される製品については、耐食性の良い基材を選択して設計することができる。

3.3統合製造が可能

モジュラリティとインテグレーションは、自動車構造の発展動向でもあります。複合材料は、成形中に様々な形状の湾曲表面を形成することが容易であり、自動車部品の一体化製造を可能にする。一体成形は、部品点数や金型数の削減、部品点数の削減、生産工程の大幅な短縮を実現します。例えば自動車のフロントエンドモジュールが炭素繊維複合材料であれば、その後のテーラー溶接やそれに続く金属部品の加工による局部的な応力集中を回避し、一体成形を実現し、自動車部品を削減しながら製品精度を確保することができるパフォーマンスを向上させます。品質、製造コストを削減します。

3.4エネルギー吸収および耐衝撃性

炭素繊維強化樹脂マトリックス複合体（CFRP）は、ある程度の粘弾性を有しており、炭素繊維とマトリックスとの間にわずかな局部的な相対運動があり、界面摩擦を発生させる可能性がある。粘弾性と界面摩擦との相乗作用の下で、CFRP部品はより良好なエネルギー吸収と耐衝撃性を有する。一方、特殊織り炭素繊維複合衝突エネルギー吸収構造は、高速衝突時に破断して破損し、大きな衝撃エネルギーを吸収し、そのエネルギー吸収能力は金属材料の4~5倍であり、効果的に車両を改善することができる。会員の安全を守るためのセキュリティ。

3.5良好な耐食性

炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材料は、炭素繊維のトウと樹脂材料を主成分とし、耐酸性、耐アルカリ性に優れています。これにより製造された自動車部品は、表面の防食処理を必要とせず、耐候性及び耐老化性が良好であり、耐用年数は一般に鋼の2〜3倍である。

3.6良好な温度性能

炭素繊維は400℃以下で非常に安定した性能を有し、1000℃ではそれほど変化しない。

3.7良好な耐疲労性

炭素繊維強化材は、繊維の疲労亀裂成長を阻害し、耐疲労性が70〜80％に達することがある。炭素繊維の構造は安定であり、応力疲労のサイクル試験後の複合材料の強度は何百万回である。鋼とアルミニウムはそれぞれ40％と30％であり、FRPはわずか20％〜25％ですが、まだ60％あります。従って、炭素繊維複合材料の耐疲労性は、自動車産業における幅広い用途に適している。

4新エネルギー乗用車の経済分析

炭素繊維を基準にしているため、ボディの重量を50％以上減らすことができます。典型的なAクラスモデルの100kgの減量を例にとると、車両全体の重量は非常に明らかです。以下のような側面から説明できます：1対1走行距離300km、消費電力45kW・hの乗用車では、業界の専門家が同じ走行距離を3.6kW・h削減することができます。軽量化と8％の走行範囲の拡大 "を実現しました。バッテリーの節約コストは約0.6百万元です。 2、400,000キロメートルのライフサイクルと平均電気代0.9元/ kW・hで、電気コストは車両のライフサイクルで400,000 / 100×1.2×0.9 = 0.32百万元節約することができる。 100km省電力1.2kW・h） 3 5万台の生産規模を例にとると、炭素繊維材料が適用されているため、技術と設備の節約された投資は、各車両の電気自動車の経済的な等価物に変換されます。償却は約2,000元を節約します。プロセスが合理化されているため4、人件費は少なくとも1000元/台湾を保存することができます。

合計で、1台の車両あたりの平均コストは0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 133万ですが、これらのコストは、炭素繊維の導入による材料自体のコスト上昇を相殺するには十分ではありません。炭素繊維体の適用には依然として大きな問題があることがわかる。軽量ボディを宣伝したい場合は、技術と設備への投資を減らすことから始めることができます。合計で、1台の車両あたりの平均コストは0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 133万ですが、これらのコストは、炭素繊維の導入による材料自体のコスト上昇を相殺するには十分ではありません。炭素繊維体の適用には依然として大きな問題があることがわかる。

軽量ボディを宣伝したい場合は、技術と設備への投資を減らすことから始めることができます。

自動車が炭素繊維体の大量生産を実現すれば、炭素繊維材料自体のコストも大幅に低下し、産業全体の効果は非常に大きくなり、経済的利益はますます明らかになります。これらは炭素繊維の観点からのみ分析されます。アルミニウム合金本体の重量を50kg減らす要因を考慮すると、経済的効果は自明です。

体の発展のための5

炭素繊維強化複合材料の特性を考慮すると、このような材料は自動車製造業者によって徐々に支持されている。自動車分野では、炭素繊維の使用量は平均年率34％で増加し、2020年には23,000トンに達すると推定されています。図2は、炭素繊維強化複合材料の開発ロードマップです。

現在、炭素繊維強化複合材料は、主に身体の被覆材、装飾部品および構造部材に使用されている。例えば、BMWは、炭素繊維複合材を使用して、自動車の製造における炭素繊維複合材の重要な瞬間となっている、様々なモデルで車体構造部品を製造しています。同時に、BMWはSGL（SGL）と協力して、低コストの炭素繊維を開発するために1億ユーロを投資し、成長するBMW iシリーズ電気自動車に対応するために炭素繊維の生産を年間3000トンから9000トンに増加させました。その他。モデルの需要。

6結論

要約すると、炭素繊維強化樹脂マトリックス複合材（CFRP）は、独自の性能上の利点により、将来新しい自動車材料にとって重要な開発方向となっている。しかし、この材料を自動車分野で推進・適用するには、次のような観点から産学官連携の研究開発を開始する必要があります。炭素繊維製造のための新しいプロセス、例えば前駆体材料の安定性を開発する。 3; 炭素繊維製造プロセスパラメータを最適化するか、またはナノ炭素繊維を使用してCFRP複合材の性能をさらに改善する。 4急速硬化技術、複合材料フロー制御技術などの高速かつ効果的なCFRP部品成形技術を開発する; 5コンピュータシミュレーション解析技術（CAE）を使用して、異なる炭素繊維複合材料を選択し、成形プロセスパラメータを最適化します。