신 에너지 승용차 용 탄소 섬유 강화 수지 기지 복합 재료 - 소재 소개

탄소 섬유는 일반적으로 에폭시 수지와 결합하여 복합 재료를 형성한다. 이 복합 재료는 탄소 섬유 그 자체의 비강도, 비 탄성률, 피로 강도 및 에너지 흡수 및 충격 저항과 같은 일련의 장점을 이어받습니다. 동시에 에폭시를 상속받습니다. 수지 수식 설계는 유연하고 다양하며 응용 프로그램을 대상으로합니다. 알루미늄 합금 구조 부품과 비교하여 탄소 섬유 복합 재료의 중량 감소 효과는 20 % ~ 40 %에 달합니다. 철강 금속 부품에 비해 탄소 섬유 복합 재료의 중량 감소 효과는 60 % ~ 80 %에 달합니다. 탄소 섬유 복합 재료 사용 자동차 전체의 품질을 떨어 뜨렸을뿐만 아니라 자동차 제조 공정에 어느 정도 영향을 미치고 변화 시켰습니다.

1 프로세스 유형

탄소 섬유 강화 폴리머 (Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP)는 보강 상인 탄소 섬유를 열가소성 또는 열경화성 수지 재료와 결합하여 얻은 재료를 지칭합니다. CFRP 복합 재료의 제조 기술은 주로 프리프 레그 (prepreg) 및 액체 성형 공정을 포함합니다. 탄소 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합 재료의 공정 유형에 대한 비교 분석은 표 1에 나와 있습니다.

2 자동차 부품 연결 조립 기술

복합 자동차 부품과 복합 부품과 금속 부품 간의 연결을 결합하는 것은 피할 수없는 문제입니다. 복합 재료는 이방성이며 층간 강도가 상대적으로 낮고 연성이 작기 때문에 복합 조인트의 설계 및 분석이 금속보다 훨씬 복잡합니다. 자동차 산업의 전통적인 금속 부품 간의 연결은 복합 재료에는 적용 할 수 없습니다. 그러므로 연결은 자동차 복합재가 결합되고 고정되는 방식을 이해하고 개선하는 것이 중요합니다.

국부 응력 집중은 깨진 섬유의 연속성으로 인해 발생합니다. 복합 조인트는 일반적으로 전체 구조에서 가장 약한 고리이므로 조인트 강도를 보장하는 것이 복합 구조 설계의 핵심입니다. 복합 재료는 크게 세 가지 범주로 나뉩니다. 즉, 접합 된 접합부, 기계식 접합부 및이 둘의 하이브리드 접합부입니다. 열가소성 복합 재료의 경우 용접 기술도 있습니다. 컴포지트 조인트 기술 설계는 컴포넌트 및 설계 요구 사항의 특정 용도에 따라 결정되어야합니다.

2.1 아교 연결

기계적 연결과 비교하여, 본딩 기술의 주된 이점은 개구부에 의한 응력 집중이없고, 구조 품질이 저하되고, 피로 저항, 진동 감쇠 및 절연 성능이 좋고 외관이 부드럽고 접합 공정이 간단하고 전기 화학적 부식 문제가 없습니다. 그러나, 본딩 기술은 또한 본딩의 품질 제어의 어려움, 결합 강도의 큰 분산, 신뢰할 수있는 검사 방법의 부재, 표면 처리에 대한 엄격한 요구 사항 및 결합 표면의 본딩 프로세스와 같은 몇 가지 단점을 가지고있다. 탄소 섬유 복합체의 경우, 접착제가 주요 연결 부분입니다.

2.2 기계적 연결

기계적 연결은 일반적으로 리벳과 볼트를 사용하며 가장 일반적인 연결 유형입니다. 기계적 연결의 주된 장점은 연결의 높은 신뢰성, 유지 보수 또는 교체 중 반복되는 분해 및 조립, 표면 처리의 필요성 및 환경에 대한 영향이 상대적으로 작다는 점입니다. 기계적 접합의 주요 단점은 품질을 높이고 응력 집중을 유발하며 복합재와 접촉하여 전기 화학적 부식을 유발한다는 것입니다. 리벳 연결과 볼트 연결의 비교는 그림 1에 나와 있습니다.

2.3 혼합 된 연결

연결의 안전성 및 무결성을 향상시키기 위해 일부 중요한 연결 부품에서는 일반적으로 접착제 연결 및 기계적 연결의 하이브리드 연결 방법이 동시에 사용되며 두 연결 방법의 장점을 충분히 활용하여 강도와 높은 연결 지점. 신뢰할 수 있음.

2.4 용접

용접 기술은 주로 열가소성 복합 부품에 적용됩니다. 기본 원리는 용융 된 열가소성 복합 재료의 표면에서 수지를 가열 한 다음 가압하여 결합시키는 것입니다. 초음파 용접, 전기 유도 용접 및 저항 용접의 세 가지 주요 용접 방법이 있습니다. 용접의 장점은 좋은 연결 효과와 짧은주기, 표면 처리 없음, 높은 접합 강도, 낮은 응력 등입니다. 단점은 분해하기가 쉽지 않으며, 도전성 재료 또는 와이어를 추가 할 필요가 있다는 것이다. 또한, 복합 구조 부재의 성형 공정에서, 금속 커넥터는 섬유 예비 성형체에 매설 될 수 있고, 복합 재료와 금속 내장 부품은 성형 후에 일체화되고, 복합 부품은 금속 내장 부재에 의해 연결될 수있다 기계적 손상 복합재를 피하기위한 구성 요소.

3 자동차 용 적용 분야

기계적 특성, 경량, 재료 안정성, 재료 설계 가능성 및 가공성과 같은 자동차 재료를 선택할 때 여러 가지 요소를 고려해야합니다. 각 요소는 자동차의 설계, 생산, 판매 및 사용에 중요한 영향을 미칩니다. 최근 탄소 섬유 강화 폴리머 (CFRP)는 독특한 성능 특성을 가진 새로운 자동차 소재가되었습니다. 탄소 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합 재료는 다른 자동차 재료에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.

3.1 우수한 기계적 성질

탄소 섬유 강화 수지 기지 복합체 (CFRP)는 1.5 ~ 2 g / cm3의 밀도를 가지고 있으며, 일반 탄소강의 1/4 ~ 1/5에 불과하며 알루미늄 합금보다 약 1/3 가볍지 만 탄소 섬유 복합 재료 포괄적 인 기계적 특성은 금속 재료보다 훨씬 뛰어나며 인장 강도는 강철의 3 ~ 4 배입니다. 강철과 알루미늄의 피로 강도는 인장 강도의 30 ~ 50 %이며 CFRP는 70 ~ 80 %에 이릅니다. 동시에 CFRP는 경금속보다 우수한 진동 감쇠 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어 경합금은 진동을 막기 위해 9 초가 필요합니다. 탄소 섬유 복합 재료는 2 초 동안 정지 될 수 있고, 비강도 및 비 탄성률이 높다.

3.2 설계 가능

탄소 섬유 복합 재료는 디자인 성이 강하며, 성능 요건에 따라 적절하게 기재를 선택하고, 섬유의 배열 및 복합 재료의 구조 형태를 설계하고, 제품을 융통성있게 설계 할 수있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 힘의 방향으로 배열함으로써, 복합 재료 강도의 이방성이 충분히 활용 될 수 있고, 따라서 재료를 절약하고 품질을 저하시키는 목적을 달성 할 수있다. 내 부식성이 요구되는 제품의 경우 내 부식성이 좋은 모재를 선택하여 설계 할 수 있습니다.

3.3 통합 제조 가능

모듈화 및 통합 또한 자동차 구조의 발전 추세입니다. 복합 재료는 몰딩 중에 다양한 모양의 곡면을 쉽게 형성 할 수있어 자동차 부품을 통합적으로 제조 할 수 있습니다. 통합 성형은 부품 수와 몰드 수를 줄이고 부품 수 및 기타 공정 수를 줄이는 동시에 생산주기를 크게 단축시킵니다. 예를 들어, 자동차의 프론트 엔드 모듈이 탄소 섬유 복합 재료로 만들어지면, 후속 재단 용접 및 금속 부품의 국부적 인 응력 집중을 피하면서 일체형 일체 성형을 실현하고 제품 정밀도를 보장하면서 자동차 부품을 감소시킬 수 있습니다 성능을 향상시킵니다. 품질, 제조 비용 절감.

3.4 에너지 흡수 및 내 충격성

탄소 섬유 강화 수지 매트릭스 복합 재료 (CFRP)는 특정 점탄성을 가지며, 탄소 섬유와 매트릭스 사이에 약간의 국부적 인 상대 운동이있어 계면 마찰을 일으킬 수 있습니다. 점탄성과 계면 마찰의 시너지 효과에 따라 CFRP 부품의 에너지 흡수 및 내 충격성이 향상되었습니다. 한편, 특수 제작 된 탄소 섬유 복합 재료의 충돌 에너지 흡수 구조는 고속 충돌시 더 작은 파편으로 파단되고 다량의 충돌 에너지를 흡수하며 에너지 흡수 능력이 금속 재료의 4 ~ 5 배이며, 효과적으로 차량을 향상시킬 수 있습니다. 회원 안전을 보호하기위한 보안.

3.5 좋은 내식성

탄소 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합 재료는 주로 탄소 섬유 토우 및 수지 재료로 구성되며 우수한 산 및 알칼리성을 가지고 있습니다. 이것에 의해 제조 된 자동차 부품은 표면 방청 처리가 필요없고, 내후성 및 내노 화성이 양호하고, 수명은 일반적으로 강재의 2 내지 3 배이다.

3.6 좋은 온도 성과

탄소 섬유는 400 ℃ 이하에서 매우 안정한 성능을 가지며 1000 ℃에서는 그다지 변화하지 않습니다.

3.7 좋은 피로 저항

탄소 섬유 보강재는 섬유의 피로 균열 성장을 방해하고 피로 저항은 70 % ~ 80 %에이를 수 있습니다. 탄소 섬유의 구조는 안정적이며 응력 피로 사이클 시험 후의 복합 재료의 강도는 수백만 배입니다. 스틸과 알루미늄은 각각 40 %와 30 %이고 FRP는 20 % ~ 25 %에 불과하지만 60 %가 여전히 있습니다. 따라서, 탄소 섬유 복합 재료의 내 피로성은 자동차 산업에서의 광범위한 적용에 적합합니다.

4 신 에너지 승용차의 경제 분석

탄소 섬유의 기준으로 인해 몸체의 무게가 50 % 이상 감소 될 수 있습니다. 전형적인 A - 학급 모델의 100 kg의 체중 감량을 예로 든다면서, 전체의 차량의 무게는 매우 명백하다. 다음과 같은 측면에서 설명 할 수 있습니다 : 1 대 1 운전 거리가 300km이고 소비 전력이 45kWh 인 승용차의 경우, 동일한 운전 범위가 업계 전문가에 의해 "100kg per 무게 감소 및 8 %의 주행 거리 증가 "를 의미합니다. 배터리 절약 비용은 약 0.6 백만원입니다. 2, 40 만 킬로미터의 생활주기 및 평균 전기 비용 0.9 원 / kW · h의 전기 비용은 400,000 / 100 × 1.2 × 0.9 = 0.32 백만 위안만큼 차량의 수명주기에서 절약 될 수있다. 100km 절약 1.2kW · h 전기 계산); 탄소 섬유 소재의 적용으로 인해 5 만대의 생산 규모를 예로 들자면, 기술 및 장비에 대한 절약 된 투자는 각 차량의 경제적 인 동등한 전기 자동차로 전환됩니다. 할부 상환으로 약 2,000 위안을 절약 할 수 있습니다. 프로세스가 능률화되기 때문에 4, 인건비는 적어도 1,000 원 / 대만 절약 할 수 있습니다.

전체적으로 자동차 당 평균 비용은 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 133 만이지만, 이러한 비용은 탄소 섬유의 도입으로 인한 재료 자체의 비용 증가를 상쇄하기에는 충분하지 않습니다. 탄소 섬유 몸체의 적용에는 여전히 큰 문제가 있음을 알 수 있습니다. 당신이 가벼운 신체를 홍보하려는 경우, 당신은 기술과 장비에 대한 투자를 줄이는 것으로부터 시작할 수 있습니다. 전체적으로 자동차 당 평균 비용은 0.6 + 0.432 + 0.2 + 0.1 = 133 만이지만, 이러한 비용은 탄소 섬유의 도입으로 인한 재료 자체의 비용 증가를 상쇄하기에는 충분하지 않습니다. 탄소 섬유 몸체의 적용에는 여전히 큰 문제가 있음을 알 수 있습니다.

당신이 가벼운 신체를 홍보하려는 경우, 당신은 기술과 장비에 대한 투자를 줄이는 것으로부터 시작할 수 있습니다.

자동차가 탄소 섬유 몸체의 대량 생산을 실현하면 탄소 섬유 소재 자체의 비용도 급격히 떨어지며 전체 산업 효과가 상당히 커지고 경제적 이익이 더욱 분명해질 것입니다. 이들은 탄소 섬유의 관점에서만 분석됩니다. 우리가 알루미늄 합금 몸체의 무게를 50kg 줄이는 요인을 고려하면 경제적 효과는 자명합니다.

신체 발달을위한 5

탄소 섬유 강화 복합 재료의 특성을 고려할 때 이러한 재료는 자동차 제조업체에 의해 점차 선호되고 있습니다. 자동차 분야에서 탄소 섬유 사용량은 연평균 34 % 증가하고 2020 년에는 23,000 톤에이를 것으로 추산됩니다. 그림 2는 탄소 섬유 강화 합성물 개발을위한 로드맵입니다.

현재, 탄소 섬유 강화 복합 재료는 주로 신체 피복재, 장식 부품 및 신체의 구조 부재에 사용됩니다. 예를 들어, BMW는 탄소 섬유 복합재를 사용하여 다양한 모델에서 신체 구조 부품을 만들었으며 이는 자동차 제조에서 탄소 섬유 복합 재료에 중요한 순간이되었습니다. 동시에 BMW는 SGL (SGL)과 협력하여 저비용 탄소 섬유 개발에 1 억 유로를 투자하고 성장하는 BMW i- 시리즈 전기 자동차를 충족시키기 위해 탄소 섬유 생산량을 연간 3,000 톤에서 9,000 톤으로 증가 시켰습니다. 다른 사람. 모델에 대한 수요.

6 결론

요약하면, 탄소 섬유 강화 수지 매트릭스 복합 재료 (CFRP)는 고유 한 성능 이점으로 인해 향후 새로운 자동차 소재의 중요한 개발 방향이되었습니다. 그러나이 물질을 자동차 분야에서 홍보하고 적용하려면 다음과 같은 측면에서 산학연과 연구를 공동 연구 및 개발하는 것이 필요합니다. 2는 전구체 재료의 안정성과 같은 탄소 섬유 제조를위한 새로운 공정을 개발합니다. 삼; 탄소 섬유 제조 공정 매개 변수를 최적화하거나 나노 탄소 섬유를 사용하여 CFRP 복합재의 성능을 더욱 향상시킵니다. 4 급속 경화 기술, 복합 소재 흐름 제어 기술과 같은 신속하고 효과적인 CFRP 부품 성형 제조 기술을 개발; 5 컴퓨터 시뮬레이션 분석 기술 (CAE)을 사용하여 다른 탄소 섬유 복합 재료를 선택하고 성형 공정 매개 변수를 최적화합니다.