Was ist so besonders an Kohlefasermaterialien im Leichtbau von Autos?

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRP) bestehen aus Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial und Harz als Matrixmaterial. Die ersten Kohlefaserverbundwerkstoffe wurden hauptsächlich im militärischen Bereich eingesetzt.

Mit der Verbesserung der Materialeigenschaften, des Formprozesses und dem Rückgang der Kosten werden Kohlefaserverbundwerkstoffe zunehmend in der allgemeinen Industrie sowie in Sport- und Freizeitbereichen eingesetzt. Angetrieben durch den weltweiten Trend zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz hat der Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Leichtbauweise ist zu einem wirksamen Mittel geworden, um Energie zu sparen und den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen zu verringern, und die Materialeigenschaften und der Entwicklungstrend von Kohlefaserverbundwerkstoffen stehen im Einklang mit dem Entwicklungsbedarf der Automobilindustrie.

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind 50% leichter als Stahl und 30% leichter als Aluminium. Der Effekt der Gewichtsreduzierung ist offensichtlich. Daher haben viele Automobilhersteller damit begonnen, eine große Anzahl von Kohlefaserverbundwerkstoffen bei der Herstellung und Modifizierung von Automobilen zu verwenden, um ein extremes Leichtgewicht zu erreichen. Mit der Entwicklung von Fahrzeugen mit neuer Energie werden Kohlefaserverbundwerkstoffe in immer größerem Umfang in Automobilen eingesetzt.

Merkmale von Kohlefaserverbundwerkstoffteilen

1. Leichtgewicht und hohe Festigkeit

Die Dichte von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen auf Harzbasis, die üblicherweise in Automobilen verwendet werden, beträgt 1,5-2,0 g/cm3, was nur 1/4-1/5 von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl und etwa 1/3 leichter als Aluminiumlegierungen ist. Darüber hinaus sind die mechanischen Eigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen besser als die von Metallwerkstoffen. Die Zugfestigkeit ist 3-4 mal höher als die von Stahl, die Steifigkeit ist 2-3 mal höher als die von Stahl, die Ermüdungsfestigkeit ist 2 mal höher als die von Stahl, das Gewicht ist 3-4 mal leichter als das von Stahl und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist 4-5 mal geringer.

Berechnet man die spezifische Festigkeit, so übertreffen Kohlefaserverbundwerkstoffe den Kohlenstoffstahl bei weitem und können einige spezielle legierte Stähle übertreffen, so dass sie eine höhere spezifische Festigkeit aufweisen. Die Verwendung von Kohlefaserwerkstoffen kann das Gewicht der Karosserie verringern und gleichzeitig den Energiebedarf senken. Dann können ein kleinerer Antriebsmotor und eine kleinere Aufhängung verwendet und das Aufprallrisiko durch die Verringerung der kinetischen Energie reduziert werden. Dieses Spiralergebnis wird das Gewicht der Karosserie weiter reduzieren. Daher hat der Ersatz der ursprünglichen Stahlteile durch Kohlefaserteile einen erheblichen Leichtbaueffekt.

2. Gute Planbarkeit

Kohlefaserverbundwerkstoffe lassen sich sehr gut gestalten und können je nach den verschiedenen Anwendungsanforderungen flexibel gestaltet werden. Je nach Beanspruchung der Produktstruktur können die Struktur und die Anordnung der Fasern angepasst werden, um anisotrope und unterschiedlich dicke Produkte herzustellen, und die Sandwich-Struktur kann zur Verbesserung der Gesamtsteifigkeit des Bauteils eingesetzt werden, um die beste Leichtbauweise zu erreichen.

Durch die Anordnung der Kohlenstofffasern entsprechend der Kraftrichtung kann die Anisotropie der Festigkeit des Verbundwerkstoffs voll ausgenutzt werden, wodurch Material eingespart und Gewicht reduziert wird. Aufgrund ihrer Isotropie haben metallische Werkstoffe das Problem einer übermäßigen Festigkeit in der anderen Richtung, nachdem sie die technischen Anforderungen der maximalen Kraftrichtung erfüllt haben.

Für Produkte mit Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit können während der Konstruktion Matrixharze und Verstärkungsmaterialien mit guter Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden, während andere Leistungsanforderungen, wie dielektrische Eigenschaften und Wärmebeständigkeit, durch die Auswahl geeigneter Rohstoffe erfüllt werden können. Um die Produktkosten akzeptabel zu gestalten, können außerdem kostengünstige Materialien für den Ersatz ausgewählt werden, z. B. eine gemischte Verflechtung verschiedener Fasern, wodurch Materialkosten eingespart und gleichzeitig die Leistungsindikatoren der Bauteile erfüllt werden können.

3. Integration von Bauteilen

Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung sollte das Auto mit dem geringsten Luftwiderstand konstruiert werden, wobei auch die Ästhetik zu berücksichtigen ist. Beim Stanzen sind Form und Struktur von Stahlblechen aus verfahrenstechnischen Gründen oft begrenzt. Mit Verbundwerkstoffen können jedoch verschiedene gekrümmte Oberflächen hergestellt werden, indem man ihre Fließfähigkeit während des Formens nutzt, um einen integrierten Formeffekt zu erzielen und die Anforderungen an das aerodynamische Design und die ästhetischen Bedürfnisse zu erfüllen.

Modularisierung und Integration sind auch ein Entwicklungstrend in der Automobilstruktur. Kohlefaserverbundwerkstoffe können alle Teile, Vorsprünge, Rippen, Kanten usw. unterschiedlicher Dicke in einem Stück durch ein vernünftiges Formdesign formen. Daher eignen sich Verbundwerkstoffe für die Herstellung von Automobilteilen, die mit Stahlblechen nur schwer herzustellen sind, eine niedrige Produktionseffizienz aufweisen und bei denen es schwierig ist, Präzision zu gewährleisten.

Lotus-Sportwagen beispielsweise verwenden Kohlefasermaterialien als Ziel für das gesamte Fahrzeug und machen die Karosserieteile leicht und integriert, was nicht nur das Gewicht der Karosserie reduziert, sondern auch die Steifigkeit und Festigkeit der Teile erheblich erhöht und die Leistung des gesamten Fahrzeugs verbessert.

4. Schlagfestigkeit

Kohlefaserverbundwerkstoffe haben auch eine gute Schlagfestigkeit. Kohlefaserverbundwerkstoffe auf Polymerbasis haben bestimmte viskoelastische mechanische Eigenschaften und können eine gewisse Aufprallenergie absorbieren.

Außerdem kommt es zu Mikrorissen und lokalen Ablösungen an der Grenzfläche zwischen dem Matrixmaterial und den Fasern sowie zu einer geringen lokalen Relativbewegung zwischen den Kohlenstofffasern und der Matrix, und es entsteht Reibung.

Aufgrund der Viskoelastizität und der Reibung an der Oberfläche ist der Schwingungsdämpfungskoeffizient groß, so dass das Fahrzeug bei einem Aufprall einen großen Teil der Aufprallenergie absorbieren kann, was sich positiv auf die persönliche Sicherheit auswirkt.

5. Gute Korrosionsbeständigkeit

Viele Teile am Auto sind der Korrosion durch chemische Stoffe wie Motoröl, Benzin und Getriebeöl sowie durch raue Umgebungsbedingungen wie hohe Temperaturen, starke Kälte und Salzsprühnebel ausgesetzt. Für herkömmliche Metallwerkstoffe ist es schwierig, eine gleichbleibende Qualität und eine lange Lebensdauer in unterschiedlichen Umgebungen zu gewährleisten.

Produkte aus Kohlefaserverbundwerkstoffen haben jedoch im Allgemeinen keine Probleme mit Rost und Korrosion. Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis haben eine ausgezeichnete Säure- und Seewasserbeständigkeit und können auch Alkalien, Salz und organischen Lösungsmitteln widerstehen. Daher sind sie ein ausgezeichnetes korrosionsbeständiges Material, und die daraus hergestellten Automobilteile haben eine lange Lebensdauer und extrem niedrige Wartungskosten.

6. Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern und Thermoplasten

Die in kohlenstofffaserverstärkten Harzverbundwerkstoffen verwendeten Matrixharze werden hauptsächlich in zwei Kategorien eingeteilt, nämlich in duroplastische und thermoplastische Harze. Wärmehärtende Harze bestehen aus reaktiven niedermolekularen Präpolymeren oder hochmolekularen Polymeren mit aktiven Gruppen; während des Formprozesses werden sie unter Einwirkung von Härtern oder Wärme vernetzt und polykondensiert, um eine unschmelzbare und unlösliche vernetzte Struktur zu bilden. Üblicherweise werden in Verbundwerkstoffen Epoxidharze, Bismaleimidharze, Polyimidharze und Phenolharze verwendet.

Thermoplastische Harze bestehen aus linearen Polymeren mit hohem Molekulargewicht, die unter bestimmten Bedingungen schmelzen und sich auflösen und nur physikalische Veränderungen erfahren. Zu den häufig verwendeten gehören Polyethylen, Nylon, Polytetrafluorethylen und Polyetheretherketon. Bei kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen auf Harzbasis spielen die Kohlenstofffasern eine verstärkende Rolle, während die Harzmatrix den Verbundwerkstoff zu einem Ganzen formt, das äußere Kräfte aufnimmt und die Belastung über die Grenzfläche auf die Kohlenstofffasern überträgt. Daher hat sie einen direkten Einfluss auf die technische Leistung, den Formprozess und den Produktpreis von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen, und die Verbundmethode der Kohlenstofffasern wirkt sich auch auf die Leistung der Verbundwerkstoffe aus.

7. Kohlenstofffaserverstärkte Nylon 6-Verbundwerkstoffe

Kurzgeschnittene kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Kunstharz-Verbundwerkstoffe (SCFRTP) sind ein wichtiger Bestandteil von technischen Werkstoffen. Diese Art von Verbundwerkstoffen hat in der Regel gute mechanische Eigenschaften, gute wirtschaftliche Vorteile und kann durch Heißpressen, Strangpressen oder Spritzgießen in verschiedenen Produktformen hergestellt werden. Nylon 6 ist ein thermoplastischer Kunststoff mit einem breiten Anwendungsspektrum, und die Modifizierung durch Füllstoffverstärkung ist eine gängige und wirksame Methode zur Verbesserung der Leistung von Nylon 6-Verbundwerkstoffen.

Die Forschung zu kohlenstofffaserverstärkten Nylon 6-Verbundwerkstoffen (PA6/CF) hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Die Leistung von PA6/CF-Verbundwerkstoffen wird von vielen Faktoren beeinflusst: Verarbeitungsmethoden und -prozesse, der Gehalt und die Länge der Kohlenstofffasern im Verbundwerkstoff, die Dispersion und Ausrichtung der Kohlenstofffasern, die Grenzflächenstruktur zwischen Kohlenstofffasern und PA6 sowie die Eigenschaften von Nylon 6 und Kohlenstofffasern selbst.

Die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Verbundwerkstoffen hängen jedoch hauptsächlich von der Mikrostruktur der Polymermatrix und den Grenzflächeneigenschaften zwischen den Fasern und der Matrix ab, weshalb es besonders wichtig ist, die Mikrostruktur und die makroskopischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen zu vergleichen und zu analysieren.

Darüber hinaus ist PA6 ein teilkristalliner Polymerverbundwerkstoff, und die mechanischen Eigenschaften von PA6/CF hängen von der Kristallstruktur und der Morphologie der PA6-Matrix ab, die wiederum von der Verarbeitungstechnologie des Verbundwerkstoffs abhängt. Es gibt nur wenige Berichte über den systematischen Zusammenhang zwischen der Mikromorphologie und Struktur von PA6/CF-Verbundwerkstoffen und der makroskopischen Leistung.

8. Kohlenstofffaserverstärkte Polypropylen-Verbundwerkstoffe

Kohlenstofffasern können den Elastizitätsmodul von Polypropylen verbessern, verringern aber die Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Bruchdehnung des Materials. Kohlenstofffasern haben einen gewissen heterogenen Keimbildungseffekt auf Polypropylen, der die nicht-isotherme Kristallisationsspitzentemperatur und den Kristallisationsgrad der Polypropylenmatrix verbessert und die Bildung von β-Kristallen in der PP-Matrix fördert. Während des isothermen Kristallisationsprozesses ist es für Polypropylen einfach, Keime zu bilden und am Ende des Kohlenstofffaserabschnitts zu kristallisieren.

EPDM-g-MAH und SEBS-g-MAH haben eine gute Dispergierbarkeit in der PP-Matrix, was die Schlagzähigkeit und Bruchdehnung von PP deutlich verbessert. Die PP/CF-Verbundwerkstoffe mit EPDM-g-MAH und SEBS-g-MAH haben eine höhere Schlagzähigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul.

Die Zugabe von Zähigkeitsmitteln in PP/CF-Verbundmaterial führt zu einer Verringerung der Keimbildungsfähigkeit und einer Verlangsamung der Kristallwachstumsrate des Matrix-Polypropylens. Das Zähigkeitsmittel verändert die Kristallform des PP/CF-Verbundmaterials nicht. Der Keimbildungseffekt von Kohlenstofffasern in PP/CF-Verbundwerkstoffen mit Zähigkeitsmittel wird deutlich, so dass die Sphärolithe im Verbundwerkstoff hauptsächlich in der Nähe der Kohlenstofffasern wachsen.