Cosa c'è di così speciale materiali in fibra di carbonio per l'alleggerimento delle auto?

Il polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) è composto da fibra di carbonio come materiale di rinforzo e resina come materiale di matrice. I primi compositi in fibra di carbonio sono stati utilizzati principalmente in campo militare.

Con il miglioramento delle prestazioni del materiale, del processo di stampaggio e la diminuzione del costo, i compositi in fibra di carbonio sono sempre più utilizzati nell'industria in generale e nei settori dello sport e del tempo libero. Sotto la spinta della tendenza globale alla conservazione dell'energia e alla tutela dell'ambiente, il consumo di carburante delle automobili ha attirato sempre più attenzione. Il design leggero è diventato un modo efficace per risparmiare energia e ridurre le emissioni delle automobili, e le prestazioni del materiale e la tendenza allo sviluppo dei compositi in fibra di carbonio sono in linea con le esigenze di sviluppo dell'industria automobilistica.

I compositi in fibra di carbonio sono 50% più leggeri dell'acciaio e 30% più leggeri dell'alluminio. L'effetto di riduzione del peso è evidente. Per questo motivo, molte case automobilistiche hanno iniziato a cercare di utilizzare un gran numero di compositi in fibra di carbonio nel processo di produzione e modifica delle automobili, alla ricerca di una leggerezza estrema. Con lo sviluppo dei veicoli a nuova energia, i compositi in fibra di carbonio saranno sempre più utilizzati nelle automobili.

Caratteristiche delle parti in composito di fibra di carbonio

1. Leggero e ad alta resistenza

La densità dei materiali compositi a base di resina rinforzata con fibra di carbonio comunemente utilizzati nelle automobili è di 1,5-2,0 g/cm3, pari a solo 1/4-1/5 dell'acciaio al carbonio ordinario e circa 1/3 più leggero della lega di alluminio. Inoltre, le proprietà meccaniche dei materiali compositi in fibra di carbonio sono migliori di quelle dei materiali metallici. La sua resistenza alla trazione è 3-4 volte superiore a quella dell'acciaio, la sua rigidità è 2-3 volte superiore a quella dell'acciaio, la sua resistenza alla fatica è 2 volte superiore a quella dell'acciaio, il suo peso è 3-4 volte inferiore a quello dell'acciaio e il suo coefficiente di espansione termica è 4-5 volte inferiore.

Se calcolati in base alla resistenza specifica, i materiali compositi in fibra di carbonio superano di gran lunga l'acciaio al carbonio e possono superare alcuni acciai legati speciali, quindi hanno una resistenza specifica più elevata. L'uso di materiali in fibra di carbonio può ridurre il peso della carrozzeria riducendo al contempo la richiesta di potenza, quindi utilizzare un motore e un dispositivo di sospensione più piccoli e ridurre il rischio di impatto riducendo l'energia cinetica. Questo risultato a spirale ridurrà ulteriormente il peso della carrozzeria. Pertanto, la sostituzione delle parti originali in acciaio con parti in fibra di carbonio ha un effetto significativo sulla leggerezza.

2. Buona progettabilità

I materiali compositi in fibra di carbonio hanno una forte capacità di progettazione e possono essere progettati in modo flessibile in base alle diverse esigenze applicative. In base alle sollecitazioni della struttura del prodotto, la struttura e la disposizione delle fibre possono essere regolate per realizzare prodotti anisotropi e di diverso spessore, mentre la struttura a sandwich può essere applicata per migliorare la rigidità complessiva del componente e ottenere il miglior design leggero.

Disponendo la fibra di carbonio in base alla direzione della forza, è possibile sfruttare appieno l'anisotropia della resistenza del materiale composito, risparmiando così materiali e riducendo il peso. A causa della sua isotropia, i materiali metallici avranno il problema di una resistenza eccessiva nell'altra direzione dopo aver soddisfatto i requisiti tecnici della direzione della forza massima.

Per i prodotti con requisiti di resistenza alla corrosione, durante la progettazione si possono selezionare resine a matrice e materiali di rinforzo con una buona resistenza alla corrosione, mentre altri requisiti prestazionali, come le proprietà dielettriche e la resistenza al calore, possono essere soddisfatti selezionando materie prime adeguate. Inoltre, per rendere il costo del prodotto accettabile, si possono scegliere materiali a basso costo per la sostituzione, come la stratificazione mista di fibre diverse, che consente di risparmiare sui costi dei materiali e di soddisfare gli indicatori di prestazione dei componenti.

3. Integrazione dei componenti

Dal punto di vista del risparmio energetico, l'auto deve essere progettata con la minima resistenza all'aria, tenendo conto dell'estetica. Durante lo stampaggio, la forma e la struttura delle lamiere d'acciaio sono spesso limitate per motivi di processo. Tuttavia, i materiali compositi possono essere utilizzati per realizzare varie superfici curve sfruttando la loro fluidità durante lo stampaggio, in modo da ottenere un effetto di stampaggio integrato e soddisfare i requisiti di design aerodinamico e le esigenze estetiche.

La modularizzazione e l'integrazione sono anche una tendenza di sviluppo della struttura automobilistica. I materiali compositi in fibra di carbonio possono formare tutte le parti, le sporgenze, le nervature, i bordi, ecc. di diverso spessore in un unico pezzo attraverso una ragionevole progettazione dello stampo. Pertanto, i materiali compositi sono adatti alla produzione di parti di automobili che sono difficili da realizzare con lamiere di acciaio, hanno una bassa efficienza produttiva e sono difficili da garantire la precisione.

Ad esempio, le auto sportive Lotus utilizzano materiali in fibra di carbonio come obiettivo dell'intero veicolo e rendono le parti della carrozzeria leggere e integrate, il che non solo riduce il peso della carrozzeria, ma aumenta anche notevolmente la rigidità e la resistenza delle parti, migliorando le prestazioni dell'intero veicolo.

4. Resistenza agli urti

I materiali compositi in fibra di carbonio hanno anche una buona resistenza agli urti. I materiali compositi in fibra di carbonio basati su polimeri hanno determinate proprietà meccaniche viscoelastiche e possono assorbire una certa energia d'impatto.

Inoltre, si verificano microfratture e debonding locale all'interfaccia tra il materiale della matrice e la fibra, nonché un piccolo movimento relativo locale tra la fibra di carbonio e la matrice e l'attrito.

Grazie agli effetti della viscoelasticità e dell'attrito dell'interfaccia, il coefficiente di attenuazione delle vibrazioni è elevato e quindi, in caso di impatto, il veicolo può assorbire una grande quantità di energia d'urto, a tutto vantaggio della sicurezza delle persone.

5. Buona resistenza alla corrosione

Molte parti dell'auto sono soggette a corrosione a causa di agenti chimici come l'olio motore, la benzina e il fluido di trasmissione dell'automobile, nonché di ambienti difficili come le alte temperature, il freddo intenso e la nebbia salina. È difficile per i materiali metallici tradizionali garantire la costanza della qualità e la durata di vita in ambienti diversi.

Tuttavia, i prodotti compositi in fibra di carbonio non presentano generalmente problemi di ruggine e corrosione. I materiali compositi a base di polimeri hanno un'eccellente resistenza agli acidi, all'acqua di mare e possono resistere anche agli alcali, al sale e ai solventi organici. Si tratta quindi di un eccellente materiale resistente alla corrosione e i componenti automobilistici realizzati con questo materiale hanno una lunga durata e costi di manutenzione estremamente ridotti.

6. Compositi in fibra di carbonio/termoplastica

Le resine a matrice utilizzate nei compositi in resina rinforzati con fibre di carbonio si dividono principalmente in due categorie: una è la resina termoindurente e l'altra è la resina termoplastica. Le resine termoindurenti sono composte da prepolimeri reattivi a basso peso molecolare o da polimeri ad alto peso molecolare con gruppi attivi; durante il processo di stampaggio, vengono reticolate e policondensate sotto l'azione di agenti indurenti o del calore per formare una struttura reticolata infusibile e insolubile. Le resine epossidiche, le resine bismaleimidiche, le resine polimidiche e le resine fenoliche sono le più utilizzate nei materiali compositi.

Le resine termoplastiche sono composte da polimeri lineari ad alto peso molecolare, che fondono e si dissolvono in determinate condizioni e subiscono solo cambiamenti fisici. Quelle comunemente utilizzate sono il polietilene, il nylon, il politetrafluoroetilene e il polietereterchetone. Nei compositi a base di resina rinforzati con fibre di carbonio, le fibre di carbonio svolgono un ruolo di rinforzo, mentre la matrice di resina modella il materiale composito in un insieme che sopporta le forze esterne e trasferisce il carico alle fibre di carbonio attraverso l'interfaccia. Pertanto, ha un impatto diretto sulle prestazioni tecniche, sul processo di stampaggio e sul prezzo del prodotto dei compositi in fibra di carbonio, e il metodo di compostaggio delle fibre di carbonio influisce anche sulle prestazioni dei materiali compositi.

7. Compositi in nylon 6 rinforzati con fibre di carbonio

I compositi in resina termoplastica rinforzati con fibra di carbonio (SCFRTP) sono un componente importante dei materiali ingegneristici. Questo tipo di materiale composito ha solitamente buone proprietà meccaniche, buoni vantaggi economici e può essere prodotto in varie forme di prodotti mediante pressatura a caldo, estrusione o stampaggio a iniezione. Il nylon 6 è un materiale in resina termoplastica con un'ampia gamma di applicazioni e la modifica del riempimento di rinforzo è un metodo di modifica comune ed efficace per migliorare le prestazioni dei compositi in nylon 6.

La ricerca sui compositi in nylon 6 rinforzati con fibre di carbonio (PA6/CF) ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni. Le prestazioni dei compositi PA6/CF sono influenzate da molti fattori: i metodi e i processi di lavorazione, il contenuto e la lunghezza delle fibre di carbonio nel materiale composito, la dispersione e l'orientamento delle fibre di carbonio, la struttura dell'interfaccia tra fibre di carbonio e PA6 e le caratteristiche del nylon 6 e delle fibre di carbonio stesse.

Tuttavia, le proprietà meccaniche dei compositi termoplastici dipendono principalmente dalla microstruttura della matrice polimerica e dalle proprietà dell'interfaccia tra fibra e matrice, per cui è particolarmente importante confrontare e analizzare la microstruttura e le proprietà macroscopiche dei materiali compositi.

Inoltre, il PA6 è un materiale polimerico composito semicristallino e le proprietà meccaniche del PA6/CF dipendono dalla struttura cristallina e dalla morfologia della matrice di PA6, che a sua volta dipende dalla tecnologia di lavorazione del materiale composito. Esistono pochi rapporti sulla connessione sistematica tra la micromorfologia e la struttura dei materiali compositi PA6/CF e le prestazioni macroscopiche.

8. Materiali compositi in polipropilene rinforzato con fibra di carbonio

La fibra di carbonio può migliorare il modulo elastico del polipropilene, ma ridurre la resistenza alla trazione, la resistenza all'impatto e l'allungamento a rottura del materiale. La fibra di carbonio ha un certo effetto di nucleazione eterogenea sul polipropilene, che migliora la temperatura del picco di cristallizzazione non isoterma e il grado di cristallizzazione della matrice di polipropilene e promuove la formazione di cristalli β nella matrice di PP. Durante il processo di cristallizzazione isotermica, il polipropilene è facile da nucleare e cristallizzare all'estremità della sezione di fibra di carbonio.

L'EPDM-g-MAH e il SEBS-g-MAH hanno una buona disperdibilità nella matrice PP, che migliora significativamente la resistenza all'impatto e l'allungamento a rottura del PP. I materiali compositi PP/CF con EPDM-g-MAH e SEBS-g-MAH presentano una maggiore resistenza all'impatto e un modulo elastico più elevato.

L'aggiunta di un agente indurente nel materiale composito PP/CF porta alla diminuzione della capacità di nucleazione e al rallentamento del tasso di crescita dei cristalli del polipropilene di matrice. L'agente indurente non modifica la forma cristallina del materiale composito PP/CF. L'effetto di nucleazione della fibra di carbonio nel materiale composito PP/CF con agente indurente diventa evidente, tanto che le sferuliti nel materiale composito crescono principalmente vicino alla fibra di carbonio.