Co jest takiego specjalnego w Materiały z włókna węglowego w lekkich samochodach?

Polimer wzmocniony włóknem węglowym (CFRP) składa się z włókna węglowego jako materiału wzmacniającego i żywicy jako materiału matrycy. Wczesne kompozyty z włókna węglowego były wykorzystywane głównie w przemyśle wojskowym.

Wraz z poprawą wydajności materiału, procesu formowania i spadkiem kosztów, kompozyty z włókna węglowego są coraz częściej stosowane w przemyśle ogólnym oraz w sporcie i rekreacji. Kierując się globalnym trendem oszczędzania energii i ochrony środowiska, coraz większą uwagę zwraca się na zużycie paliwa przez samochody. Lekka konstrukcja stała się skutecznym sposobem na oszczędzanie energii i redukcję emisji w samochodach, a wydajność materiału i trend rozwojowy kompozytów z włókna węglowego są zgodne z potrzebami rozwojowymi przemysłu motoryzacyjnego.

Kompozyty z włókna węglowego są 50% lżejsze niż stal i 30% lżejsze niż aluminium. Efekt redukcji masy jest oczywisty. Dlatego wielu producentów samochodów zaczęło próbować wykorzystywać dużą liczbę kompozytów z włókna węglowego w procesie produkcji i modyfikacji samochodów w dążeniu do uzyskania ekstremalnej lekkości. Wraz z rozwojem nowych pojazdów energetycznych, kompozyty z włókna węglowego będą coraz szerzej stosowane w samochodach.

Charakterystyka części kompozytowych z włókna węglowego

1. Lekkość i wysoka wytrzymałość

Gęstość materiałów kompozytowych na bazie żywicy wzmocnionej włóknem węglowym, powszechnie stosowanych w samochodach, wynosi 1,5-2,0 g/cm3, czyli tylko 1/4-1/5 zwykłej stali węglowej i około 1/3 lżejsza niż stop aluminium. Ponadto właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych z włókna węglowego są lepsze niż materiałów metalowych. Wytrzymałość na rozciąganie jest 3-4 razy większa niż w przypadku stali, sztywność jest 2-3 razy większa niż w przypadku stali, odporność na zmęczenie jest 2 razy większa niż w przypadku stali, waga jest 3-4 razy mniejsza niż w przypadku stali, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest 4-5 razy mniejszy.

Przy obliczaniu wytrzymałości właściwej, materiały kompozytowe z włókna węglowego znacznie przewyższają stal węglową i mogą przewyższać niektóre specjalne stale stopowe, dzięki czemu mają wyższą wytrzymałość właściwą. Zastosowanie materiałów z włókna węglowego może zmniejszyć masę nadwozia samochodu przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na moc, a następnie zastosować mniejszy silnik napędowy i zawieszenie oraz zmniejszyć ryzyko uderzenia poprzez zmniejszenie energii kinetycznej. Ten spiralny wynik jeszcze bardziej zmniejszy wagę nadwozia samochodu. Dlatego zastąpienie oryginalnych części stalowych częściami z włókna węglowego ma znaczący wpływ na lekkość.

2. Dobra projektowalność

Materiały kompozytowe z włókna węglowego mają bardzo duże możliwości projektowania i mogą być elastycznie projektowane zgodnie z różnymi wymaganiami aplikacji. W zależności od naprężenia struktury produktu, strukturę i rozmieszczenie włókien można dostosować w celu uzyskania produktów anizotropowych i o różnej grubości, a strukturę warstwową można zastosować w celu poprawy ogólnej sztywności elementu, aby uzyskać najlepszą lekką konstrukcję.

Ułożenie włókien węglowych zgodnie z kierunkiem działania siły może w pełni wykorzystać anizotropię wytrzymałości materiału kompozytowego, oszczędzając w ten sposób materiały i zmniejszając wagę. Ze względu na swoją izotropowość, materiały metalowe będą miały problem z nadmierną wytrzymałością w innym kierunku po spełnieniu wymagań technicznych kierunku maksymalnej siły.

W przypadku produktów wymagających odporności na korozję, podczas projektowania można wybrać żywice matrycowe i materiały wzmacniające o dobrej odporności na korozję, podczas gdy inne wymagania dotyczące wydajności, takie jak właściwości dielektryczne i odporność na ciepło, można spełnić, wybierając odpowiednie surowce. Ponadto, aby koszt produktu był akceptowalny, można odpowiednio dobrać tanie materiały do wymiany, takie jak mieszane układanie różnych włókien, co może obniżyć koszty materiałów przy jednoczesnym spełnieniu wskaźników wydajności komponentów.

3. Integracja komponentów

Z punktu widzenia oszczędności energii, samochód powinien być zaprojektowany z najmniejszym oporem powietrza, przy jednoczesnym uwzględnieniu jego estetyki. Podczas tłoczenia kształt i struktura blach stalowych są często ograniczone ze względu na proces. Jednak materiały kompozytowe mogą być stosowane do tworzenia różnych zakrzywionych powierzchni poprzez wykorzystanie ich płynności podczas formowania, tak aby uzyskać zintegrowany efekt formowania i spełnić wymagania aerodynamicznej konstrukcji i potrzeb estetycznych.

Modularyzacja i integracja są również trendem rozwojowym konstrukcji samochodów. Materiały kompozytowe z włókna węglowego mogą tworzyć wszystkie części, występy, żebra, krawędzie itp. o różnych grubościach w jednym kawałku dzięki rozsądnemu projektowi formy. Dlatego też materiały kompozytowe są odpowiednie do produkcji części samochodowych, które są trudne do wyprodukowania z blach stalowych, mają niską wydajność produkcji i są trudne do zapewnienia precyzji.

Na przykład samochody sportowe Lotus wykorzystują materiały z włókna węglowego jako cel całego pojazdu i sprawiają, że części nadwozia są lekkie i zintegrowane, co nie tylko zmniejsza wagę nadwozia, ale także znacznie zwiększa sztywność i wytrzymałość części, poprawiając osiągi całego pojazdu.

4. odporność na uderzenia

Materiały kompozytowe z włókna węglowego mają również dobrą odporność na uderzenia. Materiały kompozytowe z włókna węglowego oparte na polimerach mają pewne lepkosprężyste właściwości mechaniczne i mogą pochłaniać pewną energię uderzenia.

Ponadto występują mikropęknięcia i lokalne odspojenia na interfejsie między materiałem matrycy a włóknem, a także niewielki lokalny ruch względny między włóknem węglowym a matrycą oraz tarcie.

Ze względu na efekty lepkosprężystości i tarcia na styku, współczynnik tłumienia drgań jest duży, więc gdy pojazd zostanie uderzony, może pochłonąć dużą ilość energii uderzenia, co jest korzystne dla poprawy bezpieczeństwa osobistego.

5. Dobra odporność na korozję

Wiele części w samochodzie jest narażonych na korozję spowodowaną czynnikami chemicznymi, takimi jak olej silnikowy, benzyna i samochodowy olej przekładniowy, a także trudnymi warunkami, takimi jak wysoka temperatura, silne mrozy i mgła solna. Tradycyjnym materiałom metalowym trudno jest zapewnić spójność jakości i żywotność w różnych środowiskach.

Jednak produkty kompozytowe z włókna węglowego generalnie nie mają problemów z rdzą i korozją. Materiały kompozytowe na bazie polimerów charakteryzują się doskonałą odpornością na kwasy, wodę morską, alkalia, sól i rozpuszczalniki organiczne. Dlatego też jest to doskonały materiał odporny na korozję, a wykonane z niego części samochodowe mają długą żywotność i wyjątkowo niskie koszty konserwacji.

6. Włókno węglowe/kompozyty termoplastyczne

Żywice matrycowe stosowane w kompozytach żywicznych wzmocnionych włóknem węglowym dzielą się głównie na dwie kategorie, jedna to żywica termoutwardzalna, a druga to żywica termoplastyczna. Żywice termoutwardzalne składają się z reaktywnych prepolimerów o niskiej masie cząsteczkowej lub polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej z grupami aktywnymi; podczas procesu formowania są one sieciowane i polikondensowane pod wpływem czynników utwardzających lub ciepła, tworząc nietopliwą i nierozpuszczalną strukturę usieciowaną. Powszechnie stosowane w materiałach kompozytowych są żywice epoksydowe, żywice bismaleimidowe, żywice poliimidowe i żywice fenolowe.

Żywice termoplastyczne składają się z liniowych polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej, które topią się i rozpuszczają w określonych warunkach i ulegają jedynie zmianom fizycznym. Powszechnie stosowane są polietylen, nylon, politetrafluoroetylen i polieteroeteroketon. W kompozytach na bazie żywicy wzmocnionych włóknem węglowym, włókna węglowe odgrywają rolę wzmacniającą, podczas gdy matryca żywiczna kształtuje materiał kompozytowy w całość, która przenosi siły zewnętrzne i przenosi obciążenie na włókna węglowe poprzez interfejs. W związku z tym ma to bezpośredni wpływ na parametry techniczne, proces formowania i cenę produktu kompozytów z włókna węglowego, a metoda kompozytowa włókien węglowych wpłynie również na wydajność materiałów kompozytowych.

7. Kompozyty z nylonu 6 wzmocnione włóknem węglowym

Kompozyty żywic termoplastycznych wzmocnione włóknem węglowym (SCFRTP) są ważnym składnikiem materiałów inżynieryjnych. Ten rodzaj materiału kompozytowego ma zwykle dobre właściwości mechaniczne, dobre korzyści ekonomiczne i może być wytwarzany w różnych kształtach produktów poprzez prasowanie na gorąco, wytłaczanie lub formowanie wtryskowe. Nylon 6 jest termoplastycznym materiałem żywicznym o szerokim zakresie zastosowań, a modyfikacja wzmocnienia wypełniaczem jest powszechną i skuteczną metodą modyfikacji w celu poprawy wydajności kompozytów nylonowych 6.

W ostatnich latach wiele uwagi poświęcono badaniom nad kompozytami z nylonu 6 wzmocnionego włóknem węglowym (PA6/CF). Na wydajność kompozytów PA6/CF wpływa wiele czynników: metody i procesy przetwarzania, zawartość i długość włókien węglowych w materiale kompozytowym, dyspersja i orientacja włókien węglowych, struktura interfejsu między włóknami węglowymi a PA6 oraz właściwości samego nylonu 6 i włókien węglowych.

Jednak właściwości mechaniczne kompozytów termoplastycznych zależą głównie od mikrostruktury matrycy polimerowej i właściwości interfejsu między włóknem a matrycą, dlatego szczególnie ważne jest porównanie i analiza mikrostruktury i makroskopowych właściwości materiałów kompozytowych.

Ponadto PA6 jest półkrystalicznym polimerowym materiałem kompozytowym, a właściwości mechaniczne PA6/CF zależą od struktury krystalicznej i morfologii matrycy PA6, która z kolei zależy od technologii przetwarzania materiału kompozytowego. Istnieje niewiele doniesień na temat systematycznego związku między mikromorfologią i strukturą materiałów kompozytowych PA6/CF a makroskopową wydajnością.

8. Materiały kompozytowe z polipropylenu wzmocnione włóknem węglowym

Włókno węglowe może poprawić moduł sprężystości polipropylenu, ale zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie, udarność i wydłużenie przy zerwaniu materiału. Włókno węglowe ma pewien heterogeniczny efekt zarodkowania na polipropylenie, co poprawia nieizotermiczną temperaturę szczytową krystalizacji i stopień krystalizacji matrycy polipropylenowej oraz sprzyja tworzeniu się kryształów β w matrycy PP. Podczas procesu krystalizacji izotermicznej polipropylen łatwo zarodkuje i krystalizuje na końcu odcinka włókna węglowego.

EPDM-g-MAH i SEBS-g-MAH mają dobrą dyspergowalność w matrycy PP, co znacznie poprawia udarność i wydłużenie przy zerwaniu PP. Materiały kompozytowe PP/CF z EPDM-g-MAH i SEBS-g-MAH mają wyższą udarność i moduł sprężystości.

Dodanie środka hartującego do materiału kompozytowego PP/CF prowadzi do zmniejszenia zdolności zarodkowania i spowolnienia tempa wzrostu kryształów polipropylenu matrycowego. Środek hartujący nie zmienia formy krystalicznej materiału kompozytowego PP/CF. Efekt zarodkowania włókna węglowego w materiale kompozytowym PP/CF ze środkiem hartującym staje się oczywisty, tak że sferolity w materiale kompozytowym rosną głównie w pobliżu włókna węglowego.