¿Qué tiene de especial materiales de fibra de carbono para aligerar los automóviles?

El polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) se compone de fibra de carbono como material de refuerzo y resina como material matriz. Los primeros compuestos de fibra de carbono se utilizaron principalmente en el ámbito militar.

Con la mejora del rendimiento de los materiales, el proceso de moldeo y la disminución del coste de los precios, los compuestos de fibra de carbono se utilizan cada vez más en la industria general y en los campos del deporte y el ocio. Impulsado por la tendencia mundial de conservación de la energía y protección del medio ambiente, el consumo de combustible de los automóviles ha atraído cada vez más atención. El diseño ligero se ha convertido en una forma eficaz de ahorrar energía y reducir las emisiones de los automóviles, y el rendimiento de los materiales y la tendencia de desarrollo de los compuestos de fibra de carbono están en consonancia con las necesidades de desarrollo de la industria del automóvil.

Los compuestos de fibra de carbono son 50% más ligeros que el acero y 30% más ligeros que el aluminio. El efecto de reducción de peso es evidente. Por lo tanto, muchos fabricantes de automóviles han comenzado a tratar de utilizar un gran número de compuestos de fibra de carbono en el proceso de fabricación y modificación de automóviles en la búsqueda de la extrema ligereza. Con el desarrollo de los vehículos de nueva energía, los compuestos de fibra de carbono se utilizarán cada vez más en los automóviles.

Características de las piezas compuestas de fibra de carbono

1. Peso ligero y alta resistencia

La densidad de los materiales compuestos a base de resina reforzada con fibra de carbono que se utilizan habitualmente en los automóviles es de 1,5-2,0 g/cm3, que es sólo 1/4-1/5 de la del acero al carbono ordinario y aproximadamente 1/3 más ligera que la aleación de aluminio. Además, las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de fibra de carbono son mejores que las de los materiales metálicos. Su resistencia a la tracción es 3-4 veces mayor que la del acero, su rigidez es 2-3 veces mayor que la del acero, su resistencia a la fatiga es 2 veces mayor que la del acero, su peso es 3-4 veces más ligero que el del acero, y su coeficiente de expansión térmica es 4-5 veces menor.

Si se calcula por la resistencia específica, los materiales compuestos de fibra de carbono superan ampliamente al acero al carbono, y pueden superar a algunos aceros de aleación especial, por lo que tienen una mayor resistencia específica. El uso de materiales de fibra de carbono puede reducir el peso de la carrocería del coche y, al mismo tiempo, reducir la demanda de potencia, para luego utilizar un motor de tracción y un dispositivo de suspensión más pequeños, y reducir el riesgo de impacto al disminuir la energía cinética. Este resultado en espiral reducirá aún más el peso de la carrocería. Por lo tanto, la sustitución de las piezas originales de acero por piezas de fibra de carbono tiene un importante efecto de ligereza.

2. Buen diseño

Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen una gran capacidad de diseño, y pueden diseñarse de forma flexible según los distintos requisitos de aplicación. Según la tensión de la estructura del producto, la estructura y la disposición de la fibra pueden ajustarse para fabricar productos anisótropos y de distintos grosores, y puede aplicarse la estructura de sándwich para mejorar la rigidez general del componente y lograr el mejor diseño ligero.

La disposición de la fibra de carbono según la dirección de la fuerza puede dar todo el juego a la anisotropía de la resistencia del material compuesto, con lo que se ahorran materiales y se reduce el peso. Debido a su isotropía, los materiales metálicos tendrán el problema de una resistencia excesiva en la otra dirección tras cumplir los requisitos técnicos de la dirección de fuerza máxima.

Para los productos con requisitos de resistencia a la corrosión, durante el diseño pueden seleccionarse resinas de matriz y materiales de refuerzo con buena resistencia a la corrosión, mientras que otros requisitos de rendimiento, como las propiedades dieléctricas y la resistencia al calor, pueden cumplirse seleccionando las materias primas adecuadas. Además, para que el coste del producto sea aceptable, pueden seleccionarse adecuadamente materiales de bajo coste para su sustitución, como el trenzado mixto de diferentes fibras, lo que puede ahorrar costes de material al tiempo que se cumplen los indicadores de rendimiento de los componentes.

3. Integración de componentes

Desde el punto de vista del ahorro energético, el coche debe diseñarse con la menor resistencia al aire teniendo en cuenta su estética. Durante el estampado, la forma y la estructura de las chapas de acero suelen verse limitadas por razones de proceso. Sin embargo, los materiales compuestos pueden utilizarse para fabricar diversas superficies curvas aprovechando su fluidez durante el moldeo, a fin de lograr un efecto de moldeo integrado y satisfacer los requisitos del diseño aerodinámico y las necesidades estéticas.

La modularización y la integración son también una tendencia de desarrollo de la estructura del automóvil. Los materiales compuestos de fibra de carbono pueden formar todas las piezas, protuberancias, nervaduras, bordes, etc. de diferentes grosores en una sola pieza mediante un diseño de molde razonable. Por lo tanto, los materiales compuestos son adecuados para la fabricación de piezas de automóviles que son difíciles de fabricar con láminas de acero, tienen una baja eficiencia de producción y son difíciles de garantizar la precisión.

Por ejemplo, los deportivos Lotus utilizan materiales de fibra de carbono como objetivo de todo el vehículo, y hacen que las piezas de la carrocería sean ligeras e integradas, lo que no sólo reduce el peso de la carrocería, sino que también aumenta enormemente la rigidez y resistencia de las piezas, mejorando el rendimiento de todo el vehículo.

4. resistencia al impacto

Los materiales compuestos de fibra de carbono también tienen una buena resistencia al impacto. Los materiales compuestos de fibra de carbono basados en polímeros tienen ciertas propiedades mecánicas viscoelásticas y pueden absorber cierta energía de impacto.

Además, hay microfisuras y desprendimiento local en la interfaz entre el material de la matriz y la fibra, y hay un pequeño movimiento relativo local entre la fibra de carbono y la matriz, y hay fricción.

Debido a los efectos de la viscoelasticidad y la fricción de la interfaz, el coeficiente de atenuación de la vibración es grande, por lo que cuando el vehículo recibe un impacto, puede absorber una gran cantidad de energía de impacto, lo que es beneficioso para mejorar la seguridad personal.

5. Buena resistencia a la corrosión

Muchas piezas del automóvil están sometidas a la corrosión de agentes químicos como el aceite del motor, la gasolina y el líquido de transmisión del automóvil, así como a entornos agresivos como las altas temperaturas, el frío intenso y la niebla salina. Resulta difícil para los materiales metálicos tradicionales garantizar la consistencia de la calidad y la vida útil en distintos entornos.

Sin embargo, los productos compuestos de fibra de carbono no suelen tener problemas de óxido y corrosión. Los materiales compuestos a base de polímeros tienen una excelente resistencia a los ácidos y al agua de mar, y también pueden resistir álcalis, sal y disolventes orgánicos. Por lo tanto, es un excelente material resistente a la corrosión, y las piezas de automoción fabricadas con él tienen una larga vida útil y unos costes de mantenimiento extremadamente bajos.

6. Compuestos de fibra de carbono/termoplásticos

Las resinas de matriz utilizadas en los compuestos de resina reforzados con fibra de carbono se dividen principalmente en dos categorías, una es la resina termoendurecible y la otra es la resina termoplástica. Las resinas termoendurecibles están compuestas por prepolímeros reactivos de bajo peso molecular o polímeros de alto peso molecular con grupos activos; durante el proceso de moldeo, se reticulan y policondensan bajo la acción de agentes de curado o calor para formar una estructura reticulada infusible e insoluble. En los materiales compuestos se utilizan habitualmente resinas epoxi, resinas de bismaleimida, resinas de poliimida y resinas fenólicas.

Las resinas termoplásticas están compuestas por polímeros lineales de alto peso molecular, que se funden y disuelven en determinadas condiciones y sólo sufren cambios físicos. Los más utilizados son el polietileno, el nailon, el politetrafluoroetileno y la polieteretercetona. En los materiales compuestos a base de resina reforzada con fibra de carbono, las fibras de carbono desempeñan un papel de refuerzo, mientras que la matriz de resina da forma al material compuesto en un todo que soporta fuerzas externas y transfiere la carga a las fibras de carbono a través de la interfaz. Por lo tanto, tiene un impacto directo en el rendimiento técnico, el proceso de moldeo y el precio del producto de los materiales compuestos de fibra de carbono, y el método de composición de las fibras de carbono también afectará al rendimiento de los materiales compuestos.

7. Compuestos de nailon 6 reforzados con fibra de carbono

Los materiales compuestos de resina termoplástica reforzados con fibra de carbono (SCFRTP) son un componente importante de los materiales de ingeniería. Este tipo de material compuesto suele tener buenas propiedades mecánicas, buenos beneficios económicos y puede fabricarse en diversas formas de productos mediante prensado en caliente, extrusión o moldeo por inyección. El nailon 6 es un material de resina termoplástica con una amplia gama de aplicaciones, y la modificación del refuerzo de relleno es un método de modificación común y eficaz para mejorar el rendimiento de los materiales compuestos de nailon 6.

La investigación sobre materiales compuestos de nailon 6 reforzados con fibra de carbono (PA6/CF) ha recibido mucha atención en los últimos años. El rendimiento de los materiales compuestos de PA6/CF se ve afectado por muchos factores: los métodos y procesos de transformación, el contenido y la longitud de las fibras de carbono en el material compuesto, la dispersión y la orientación de las fibras de carbono, la estructura de la interfaz entre las fibras de carbono y la PA6, y las características del nailon 6 y de las propias fibras de carbono.

Sin embargo, las propiedades mecánicas de los materiales compuestos termoplásticos dependen principalmente de la microestructura de la matriz polimérica y de las propiedades de la interfaz entre la fibra y la matriz, por lo que es especialmente importante comparar y analizar la microestructura y las propiedades macroscópicas de los materiales compuestos.

Además, la PA6 es un material compuesto polimérico semicristalino, y las propiedades mecánicas de la PA6/CF dependen de la estructura cristalina y la morfología de la matriz de PA6, que a su vez depende de la tecnología de procesamiento del material compuesto. Existen pocos informes sobre la conexión sistemática entre la micromorfología y la estructura de los materiales compuestos de PA6/CF y el rendimiento macroscópico.

8. Materiales compuestos de polipropileno reforzado con fibra de carbono

La fibra de carbono puede mejorar el módulo elástico del polipropileno, pero reduce la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto y el alargamiento a la rotura del material. La fibra de carbono tiene cierto efecto de nucleación heterogénea en el polipropileno, lo que mejora la temperatura pico de cristalización no isotérmica y el grado de cristalización de la matriz de polipropileno, y favorece la formación de cristal β en la matriz de PP. Durante el proceso de cristalización isotérmica, el polipropileno es fácil de nuclear y cristalizar en el extremo de la sección de fibra de carbono.

EPDM-g-MAH y SEBS-g-MAH presentan una buena dispersabilidad en la matriz de PP, lo que mejora significativamente la resistencia al impacto y el alargamiento a la rotura del PP. Los materiales compuestos de PP/CF con EPDM-g-MAH y SEBS-g-MAH tienen mayor resistencia al impacto y módulo elástico.

La adición de agente endurecedor en el material compuesto PP/CF provoca la disminución de la capacidad de nucleación y la ralentización de la velocidad de crecimiento cristalino del polipropileno matriz. El agente endurecedor no cambia la forma cristalina del material compuesto de PP/CF. El efecto de nucleación de la fibra de carbono en el material compuesto de PP/CF con agente endurecedor se hace evidente, de modo que las esferulitas del material compuesto crecen principalmente cerca de la fibra de carbono.