Qu'y a-t-il de si spécial dans matériaux en fibre de carbone dans l'allègement des voitures?

Le polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) est composé de fibres de carbone en tant que matériau de renforcement et de résine en tant que matériau de matrice. Les premiers composites à base de fibres de carbone étaient principalement utilisés dans le domaine militaire.

Avec l'amélioration des performances des matériaux, du processus de moulage et la baisse du coût, les composites à base de fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans l'industrie générale et dans les domaines du sport et des loisirs. Sous l'impulsion de la tendance mondiale à l'économie d'énergie et à la protection de l'environnement, la consommation de carburant des automobiles fait l'objet d'une attention croissante. La conception légère est devenue un moyen efficace d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions des automobiles, et les performances des matériaux et les tendances de développement des composites à base de fibres de carbone sont en phase avec les besoins de développement de l'industrie automobile.

Les composites à base de fibres de carbone sont 50% plus légers que l'acier et 30% plus légers que l'aluminium. L'effet de réduction du poids est évident. C'est pourquoi de nombreux constructeurs automobiles ont commencé à essayer d'utiliser un grand nombre de composites à base de fibres de carbone dans le processus de fabrication et de modification des automobiles, à la recherche d'une extrême légèreté. Avec le développement des véhicules à énergie nouvelle, les composites à base de fibres de carbone seront de plus en plus largement utilisés dans les automobiles.

Caractéristiques des pièces composites en fibre de carbone

1. Léger et très résistant

La densité des matériaux composites à base de résine renforcée de fibres de carbone couramment utilisés dans les automobiles est de 1,5 à 2,0 g/cm3, soit seulement 1/4-1/5 de l'acier au carbone ordinaire et environ 1/3 plus léger que l'alliage d'aluminium. En outre, les propriétés mécaniques des matériaux composites à base de fibres de carbone sont meilleures que celles des matériaux métalliques. Leur résistance à la traction est 3 à 4 fois supérieure à celle de l'acier, leur rigidité est 2 à 3 fois supérieure à celle de l'acier, leur résistance à la fatigue est 2 fois supérieure à celle de l'acier, leur poids est 3 à 4 fois inférieur à celui de l'acier et leur coefficient de dilatation thermique est 4 à 5 fois inférieur.

Si l'on calcule la résistance spécifique, les matériaux composites en fibre de carbone dépassent largement l'acier au carbone et peuvent dépasser certains aciers alliés spéciaux, de sorte qu'ils ont une résistance spécifique plus élevée. L'utilisation de matériaux en fibre de carbone permet de réduire le poids de la carrosserie tout en réduisant la demande de puissance, puis d'utiliser un moteur et un dispositif de suspension plus petits, et de réduire le risque d'impact en réduisant l'énergie cinétique. Ce résultat en spirale réduira encore le poids de la carrosserie. Par conséquent, le remplacement des pièces en acier d'origine par des pièces en fibre de carbone a un effet significatif sur la légèreté.

2. Bonne capacité de conception

Les matériaux composites en fibre de carbone ont une très forte capacité de conception et peuvent être conçus de manière flexible en fonction des différentes exigences d'application. En fonction des contraintes de la structure du produit, la structure et la disposition des fibres peuvent être ajustées pour fabriquer des produits anisotropes et de différentes épaisseurs, et la structure sandwich peut être appliquée pour améliorer la rigidité globale du composant afin d'obtenir la meilleure conception légère possible.

La disposition des fibres de carbone en fonction de la direction de la force permet de tirer pleinement parti de l'anisotropie de la résistance du matériau composite, ce qui permet d'économiser des matériaux et de réduire le poids. En raison de leur isotropie, les matériaux métalliques auront le problème d'une résistance excessive dans l'autre direction après avoir satisfait aux exigences techniques de la direction de la force maximale.

Pour les produits devant résister à la corrosion, les résines matricielles et les matériaux de renforcement présentant une bonne résistance à la corrosion peuvent être sélectionnés lors de la conception, tandis que d'autres exigences de performance, telles que les propriétés diélectriques et la résistance à la chaleur, peuvent être satisfaites en sélectionnant les matières premières appropriées. En outre, afin de rendre le coût du produit acceptable, des matériaux à faible coût peuvent être sélectionnés de manière appropriée pour le remplacement, tels que le placage mixte de différentes fibres, ce qui permet d'économiser des coûts de matériaux tout en respectant les indicateurs de performance des composants.

3. Intégration des composants

Du point de vue de l'économie d'énergie, la voiture doit être conçue avec la plus faible résistance à l'air possible tout en tenant compte de son esthétique. Lors de l'emboutissage, la forme et la structure des tôles d'acier sont souvent limitées pour des raisons de processus. Cependant, les matériaux composites peuvent être utilisés pour créer diverses surfaces courbes en utilisant leur fluidité pendant le moulage, de manière à obtenir un effet de moulage intégré et à répondre aux exigences de la conception aérodynamique et aux besoins esthétiques.

La modularisation et l'intégration sont également une tendance de développement de la structure automobile. Les matériaux composites à base de fibres de carbone peuvent former toutes les parties, saillies, nervures, bords, etc. de différentes épaisseurs en une seule pièce grâce à une conception raisonnable du moule. Par conséquent, les matériaux composites conviennent à la fabrication de pièces automobiles qui sont difficiles à fabriquer avec des tôles d'acier, dont l'efficacité de production est faible et dont la précision est difficile à assurer.

Par exemple, les voitures de sport Lotus utilisent des matériaux en fibre de carbone comme objectif de l'ensemble du véhicule, et rendent les pièces de la carrosserie légères et intégrées, ce qui non seulement réduit le poids de la carrosserie, mais augmente aussi considérablement la rigidité et la résistance des pièces, améliorant ainsi les performances de l'ensemble du véhicule.

4. résistance aux chocs

Les matériaux composites en fibre de carbone présentent également une bonne résistance aux chocs. Les matériaux composites en fibre de carbone à base de polymères ont certaines propriétés mécaniques viscoélastiques et peuvent absorber une certaine énergie d'impact.

En outre, il y a des microfissures et un décollement local à l'interface entre le matériau de la matrice et la fibre, et il y a un petit mouvement relatif local entre la fibre de carbone et la matrice, ainsi qu'un frottement.

En raison des effets de la viscoélasticité et du frottement de l'interface, le coefficient d'atténuation des vibrations est élevé, de sorte que lorsque le véhicule est heurté, il peut absorber une grande quantité d'énergie d'impact, ce qui est bénéfique pour améliorer la sécurité des personnes.

5. Bonne résistance à la corrosion

De nombreuses pièces de la voiture sont soumises à la corrosion due à des agents chimiques tels que l'huile moteur, l'essence et le liquide de transmission automobile, ainsi qu'à des environnements difficiles tels que les températures élevées, le froid intense et le brouillard salin. Il est difficile pour les matériaux métalliques traditionnels de garantir la constance de la qualité et la durée de vie dans différents environnements.

Toutefois, les produits composites en fibre de carbone ne présentent généralement pas de problèmes de rouille et de corrosion. Les matériaux composites à base de polymères présentent une excellente résistance aux acides et à l'eau de mer, et peuvent également résister aux alcalis, aux sels et aux solvants organiques. Il s'agit donc d'un excellent matériau résistant à la corrosion, et les pièces automobiles qui en sont faites ont une longue durée de vie et des coûts d'entretien extrêmement faibles.

6. Composites fibres de carbone/thermoplastiques

Les résines matricielles utilisées dans les composites à base de résine renforcée de fibres de carbone se divisent principalement en deux catégories : les résines thermodurcissables et les résines thermoplastiques. Les résines thermodurcissables sont composées de prépolymères réactifs de faible poids moléculaire ou de polymères de poids moléculaire élevé avec des groupes actifs ; au cours du processus de moulage, elles sont réticulées et polycondensées sous l'action d'agents de durcissement ou de la chaleur pour former une structure réticulée infusible et insoluble. Les résines époxy, les résines bismaléimides, les résines polyimides et les résines phénoliques sont couramment utilisées dans les matériaux composites.

Les résines thermoplastiques sont composées de polymères linéaires de poids moléculaire élevé, qui fondent et se dissolvent dans certaines conditions et ne subissent que des modifications physiques. Les résines les plus couramment utilisées sont le polyéthylène, le nylon, le polytétrafluoroéthylène et le polyétheréthercétone. Dans les composites à base de résine renforcée de fibres de carbone, les fibres de carbone jouent un rôle de renforcement, tandis que la matrice de résine façonne le matériau composite en un tout qui supporte les forces extérieures et transfère la charge aux fibres de carbone à travers l'interface. Par conséquent, cela a un impact direct sur la performance technique, le processus de moulage et le prix du produit des composites à base de fibres de carbone, et la méthode de composition des fibres de carbone affectera également la performance des matériaux composites.

7. Composites en nylon 6 renforcés de fibres de carbone

Les composites à base de résine thermoplastique renforcée par des fibres de carbone coupées court (SCFRTP) sont un composant important des matériaux d'ingénierie. Ce type de matériau composite présente généralement de bonnes propriétés mécaniques, de bons avantages économiques et peut être fabriqué sous différentes formes de produits par pressage à chaud, extrusion ou moulage par injection. Le nylon 6 est une résine thermoplastique dont les applications sont très variées. La modification du renforcement des charges est une méthode courante et efficace pour améliorer les performances des composites à base de nylon 6.

La recherche sur les composites en nylon 6 renforcés de fibres de carbone (PA6/CF) a fait l'objet d'une grande attention ces dernières années. Les performances des composites PA6/CF sont influencées par de nombreux facteurs : les méthodes et processus de traitement, la teneur et la longueur des fibres de carbone dans le matériau composite, la dispersion et l'orientation des fibres de carbone, la structure de l'interface entre les fibres de carbone et le PA6, ainsi que les caractéristiques du nylon 6 et des fibres de carbone elles-mêmes.

Cependant, les propriétés mécaniques des composites thermoplastiques dépendent principalement de la microstructure de la matrice polymère et des propriétés de l'interface entre la fibre et la matrice. Il est donc particulièrement important de comparer et d'analyser la microstructure et les propriétés macroscopiques des matériaux composites.

En outre, le PA6 est un matériau composite polymère semi-cristallin, et les propriétés mécaniques du PA6/CF dépendent de la structure cristalline et de la morphologie de la matrice PA6, qui dépendent à leur tour de la technologie de traitement du matériau composite. Il existe peu de rapports sur le lien systématique entre la micromorphologie et la structure des matériaux composites PA6/CF et les performances macroscopiques.

8. Matériaux composites en polypropylène renforcés de fibres de carbone

La fibre de carbone peut améliorer le module d'élasticité du polypropylène, mais réduit la résistance à la traction, la résistance aux chocs et l'allongement à la rupture du matériau. La fibre de carbone a un certain effet de nucléation hétérogène sur le polypropylène, ce qui améliore la température maximale de cristallisation non isotherme et le degré de cristallisation de la matrice de polypropylène, et favorise la formation de cristaux β dans la matrice de PP. Au cours du processus de cristallisation isotherme, le polypropylène est facile à nucléer et à cristalliser à l'extrémité de la section de fibre de carbone.

L'EPDM-g-MAH et le SEBS-g-MAH ont une bonne dispersibilité dans la matrice PP, ce qui améliore considérablement la résistance aux chocs et l'allongement à la rupture du PP. Les matériaux composites PP/CF avec EPDM-g-MAH et SEBS-g-MAH présentent une résistance aux chocs et un module d'élasticité plus élevés.

L'ajout d'un agent de durcissement dans le matériau composite PP/CF entraîne une diminution de la capacité de nucléation et un ralentissement du taux de croissance des cristaux du polypropylène de la matrice. L'agent de durcissement ne modifie pas la forme cristalline du matériau composite PP/CF. L'effet de nucléation de la fibre de carbone dans le matériau composite PP/CF avec agent de durcissement devient évident, de sorte que les sphérulites dans le matériau composite se développent principalement près de la fibre de carbone.