Wat is er zo speciaal aan koolstofvezelmaterialen in lichtgewicht auto's?

Koolstofvezel versterkt polymeer (CFRP) is samengesteld uit koolstofvezel als versterkend materiaal en hars als matrixmateriaal. De eerste koolstofvezelcomposieten werden voornamelijk gebruikt in de militaire sector.

Met de verbetering van de materiaalprestaties, het gietproces en de daling van de kostprijs, worden koolstofvezelcomposieten steeds meer gebruikt in de algemene industrie en op sport- en vrijetijdsgebied. Door de wereldwijde trend van energiebesparing en milieubescherming krijgt het brandstofverbruik van auto's steeds meer aandacht. Lichtgewicht ontwerp is een effectieve manier geworden om energie te besparen en de uitstoot van auto's te verminderen, en de materiaalprestaties en ontwikkelingstrend van koolstofvezelcomposieten zijn in lijn met de ontwikkelingsbehoeften van de auto-industrie.

Koolstofvezelcomposieten zijn 50% lichter dan staal en 30% lichter dan aluminium. Het effect van gewichtsreductie is duidelijk. Daarom zijn veel autofabrikanten begonnen met het proberen om een groot aantal koolstofvezelcomposieten te gebruiken in het proces van autofabricage en -aanpassing in hun streven naar extreem lichtgewicht. Met de ontwikkeling van nieuwe energie voertuigen, zal koolstofvezel composieten meer en meer worden gebruikt in auto's.

Kenmerken van koolstofvezel composietonderdelen

1. Lichtgewicht en zeer sterk

De dichtheid van composietmaterialen op basis van koolstofvezel versterkt met hars die vaak gebruikt worden in auto's is 1,5-2,0 g/cm3, wat slechts 1/4-1/5 is van gewoon koolstofstaal en ongeveer 1/3 lichter dan een aluminiumlegering. Bovendien zijn de mechanische eigenschappen van koolstofvezel composietmaterialen beter dan die van metalen materialen. De treksterkte is 3-4 keer hoger dan die van staal, de stijfheid is 2-3 keer hoger dan die van staal, de weerstand tegen vermoeidheid is 2 keer hoger dan die van staal, het gewicht is 3-4 keer lichter dan dat van staal en de thermische uitzettingscoëfficiënt is 4-5 keer kleiner.

Als de specifieke sterkte wordt berekend, overtreffen koolstofvezel composietmaterialen in hoge mate koolstofstaal en kunnen ze sommige speciale staallegeringen overtreffen, zodat ze een hogere specifieke sterkte hebben. Het gebruik van koolstofvezelmaterialen kan het gewicht van de carrosserie van de auto verlagen en tegelijkertijd het gevraagde vermogen verminderen, en vervolgens een kleinere aandrijfmotor en ophanging gebruiken en het risico op botsingen verminderen door de kinetische energie te verminderen. Dit spiraalvormige resultaat zal het gewicht van de carrosserie verder verlagen. Daarom heeft het vervangen van de originele stalen onderdelen door koolstofvezel onderdelen een aanzienlijk lichtgewicht effect.

2. Goed ontwerp

Koolstofvezel composietmaterialen zijn zeer goed te ontwerpen en kunnen flexibel ontworpen worden op basis van verschillende toepassingseisen. Afhankelijk van de spanning van de productstructuur kan de structuur en rangschikking van de vezels worden aangepast om anisotrope producten van verschillende dikte te maken en kan de sandwichstructuur worden toegepast om de algehele stijfheid van het onderdeel te verbeteren om het beste lichtgewicht ontwerp te bereiken.

Door de koolstofvezel te rangschikken volgens de krachtrichting kan de anisotropie van de sterkte van het composietmateriaal volledig tot zijn recht komen, waardoor materiaal wordt bespaard en het gewicht wordt verminderd. Vanwege de isotropie hebben metalen materialen het probleem van overmatige sterkte in de andere richting nadat ze voldoen aan de technische eisen van de maximale krachtrichting.

Voor producten met eisen op het gebied van corrosiebestendigheid kunnen tijdens het ontwerp matrixharsen en versterkingsmaterialen met een goede corrosiebestendigheid worden geselecteerd, terwijl aan andere prestatie-eisen, zoals diëlektrische eigenschappen en hittebestendigheid, kan worden voldaan door de juiste grondstoffen te kiezen. Om de kosten van het product aanvaardbaar te maken, kunnen bovendien goedkope materialen worden geselecteerd voor vervanging, zoals gemengde lagen van verschillende vezels, waardoor materiaalkosten kunnen worden bespaard terwijl wordt voldaan aan de prestatie-indicatoren van de componenten.

3. Integratie van onderdelen

Vanuit het oogpunt van energiebesparing moet de auto worden ontworpen met de kleinste luchtweerstand, rekening houdend met de esthetiek. Tijdens het stansen zijn de vorm en structuur van stalen platen vaak beperkt vanwege het proces. Composietmaterialen kunnen echter worden gebruikt om verschillende gebogen oppervlakken te maken door gebruik te maken van hun vloeibaarheid tijdens het vormen, om zo een geïntegreerd vormeffect te bereiken en te voldoen aan de eisen van aerodynamisch ontwerp en esthetische behoeften.

Modularisering en integratie zijn ook een ontwikkelingstrend in de autostructuur. Koolstofvezel composietmaterialen kunnen alle onderdelen, uitsteeksels, ribben, randen, enz. van verschillende diktes in één stuk vormen door een redelijk matrijsontwerp. Daarom zijn composietmaterialen geschikt voor het maken van auto-onderdelen die moeilijk te maken zijn met stalen platen, een lage productie-efficiëntie hebben en moeilijk nauwkeurig te maken zijn.

Lotus sportauto's gebruiken bijvoorbeeld koolstofvezelmaterialen als het doel van het hele voertuig en maken de carrosseriedelen licht en geïntegreerd, wat niet alleen het gewicht van de carrosserie vermindert, maar ook de stijfheid en sterkte van de onderdelen sterk verhoogt, waardoor de prestaties van het hele voertuig verbeteren.

4. schokbestendigheid

Koolstofvezel composietmaterialen hebben ook een goede slagvastheid. Koolstofvezel composietmaterialen op basis van polymeren hebben bepaalde visco-elastische mechanische eigenschappen en kunnen bepaalde impactenergie absorberen.

Daarnaast zijn er microscheurtjes en lokale onthechting op het grensvlak tussen het matrixmateriaal en de vezel en is er een kleine lokale relatieve beweging tussen de koolstofvezel en de matrix en is er wrijving.

Door de effecten van visco-elasticiteit en interfacewrijving is de trillingsdempingscoëfficiënt groot, zodat het voertuig bij een botsing een grote hoeveelheid botsenergie kan absorberen, wat de persoonlijke veiligheid ten goede komt.

5. Goede corrosiebestendigheid

Veel onderdelen van auto's zijn onderhevig aan corrosie door chemische stoffen zoals motorolie, benzine en transmissievloeistof, maar ook door ruwe omgevingen zoals hoge temperaturen, strenge kou en zoutsproeinevel. Voor traditionele metalen materialen is het moeilijk om een constante kwaliteit en levensduur te garanderen in verschillende omgevingen.

Maar koolstofvezel composietproducten hebben over het algemeen geen roest- en corrosieproblemen. Composietmaterialen op basis van polymeren zijn uitstekend bestand tegen zuren en zeewater en zijn ook bestand tegen alkali, zout en organische oplosmiddelen. Daarom is het een uitstekend corrosiebestendig materiaal en hebben auto-onderdelen die ervan gemaakt zijn een lange levensduur en extreem lage onderhoudskosten.

6. Koolstofvezel/thermoplastische composieten

De matrixharsen die worden gebruikt in koolstofvezelversterkte harscomposieten zijn voornamelijk onderverdeeld in twee categorieën: een thermohardende hars en een thermoplastische hars. Thermohardende harsen zijn samengesteld uit reactieve prepolymeren met een laag moleculair gewicht of polymeren met een hoog moleculair gewicht en actieve groepen; tijdens het vormproces worden ze vernet en polygecondenseerd onder invloed van uithardingsmiddelen of warmte om een onoplosbare vernette structuur te vormen. Veel gebruikte composietmaterialen zijn epoxyharsen, bismaleïmideharsen, polyimideharsen en fenolharsen.

Thermoplastische harsen bestaan uit lineaire polymeren met een hoog moleculair gewicht die onder bepaalde omstandigheden smelten en oplossen en alleen fysische veranderingen ondergaan. Veel gebruikte harsen zijn polyethyleen, nylon, polytetrafluorethyleen en polyetheretherketon. In koolstofvezelversterkte composieten op basis van hars spelen koolstofvezels een versterkende rol, terwijl de harsmatrix het composietmateriaal vormt tot een geheel dat externe krachten draagt en de belasting via de interface overdraagt aan de koolstofvezels. Daarom heeft het een directe invloed op de technische prestaties, het gietproces en de productprijs van koolstofvezelcomposieten, en de compositiemethode van koolstofvezels zal ook de prestaties van composietmaterialen beïnvloeden.

7. Composieten versterkt met koolstofvezel nylon 6

Kort gesneden koolstofvezelversterkte thermoplastische harscomposieten (SCFRTP) zijn een belangrijk onderdeel van technische materialen. Dit type composietmateriaal heeft meestal goede mechanische eigenschappen, goede economische voordelen en kan in verschillende productvormen worden vervaardigd door warm persen, extrusie of spuitgieten. Nylon 6 is een thermoplastisch harsmateriaal met een breed scala aan toepassingen en modificatie van de vulstofversterking is een veelgebruikte en effectieve modificatiemethode om de prestaties van nylon 6 composieten te verbeteren.

Het onderzoek naar koolstofvezelversterkte nylon 6 composieten (PA6/CF) heeft de laatste jaren veel aandacht gekregen. De prestaties van PA6/CF-composieten worden beïnvloed door vele factoren: verwerkingsmethoden en -processen, de inhoud en lengte van koolstofvezels in het composietmateriaal, de dispersie en oriëntatie van koolstofvezels, de interfacestructuur tussen koolstofvezels en PA6, en de eigenschappen van nylon 6 en koolstofvezels zelf.

De mechanische eigenschappen van thermoplastische composieten hangen echter voornamelijk af van de microstructuur van de polymeermatrix en de interfaceteigenschappen tussen de vezel en de matrix, dus is het bijzonder belangrijk om de microstructuur en macroscopische eigenschappen van composietmaterialen te vergelijken en te analyseren.

Bovendien is PA6 een semikristallijn polymeercomposietmateriaal en zijn de mechanische eigenschappen van PA6/CF afhankelijk van de kristalstructuur en morfologie van de PA6-matrix, die weer afhangt van de verwerkingstechnologie van het composietmateriaal. Er zijn weinig rapporten over het systematische verband tussen de micromorfologie en structuur van PA6/CF-composietmaterialen en macroscopische prestaties.

8. Koolstofvezelversterkte polypropyleen composietmaterialen

Koolstofvezels kunnen de elasticiteitsmodulus van polypropyleen verbeteren, maar verminderen de treksterkte, slagvastheid en breukrek van het materiaal. Koolstofvezel heeft een bepaald heterogeen nucleatie-effect op polypropeen, wat de niet-isotherme kristallisatiepiektemperatuur en kristallisatiegraad van de polypropeenmatrix verbetert en de vorming van β-kristallen in de PP-matrix bevordert. Tijdens het isotherme kristallisatieproces kan polypropeen gemakkelijk kernen vormen en kristalliseren aan het uiteinde van de koolstofvezelsectie.

EPDM-g-MAH en SEBS-g-MAH hebben een goede dispersie in de PP-matrix, wat de slagvastheid en breukrek van PP aanzienlijk verbetert. De PP/CF composietmaterialen met EPDM-g-MAH en SEBS-g-MAH hebben een hogere slagvastheid en elasticiteitsmodulus.

De toevoeging van een hardingsmiddel aan PP/CF-composietmateriaal leidt tot een afname van het nucleatievermogen en een vertraging van de kristalgroeisnelheid van matrixpolypropyleen. Hardingsmiddel verandert de kristalvorm van PP/CFcomposietmateriaal niet. Het nucleatie-effect van koolstofvezel in PP/CF-composietmateriaal met hardingsmiddel wordt duidelijk, zodat de sferulieten in het composietmateriaal voornamelijk in de buurt van de koolstofvezel groeien.