La fibre de carbone est généralement combinée avec de la résine époxy pour former un matériau composite. Ce matériau composite hérite d'une série d'avantages tels que la résistance spécifique, le module spécifique, la résistance à la fatigue, l'absorption d'énergie et la résistance aux chocs de la fibre de carbone elle-même. En même temps, il hérite de l'époxy. La conception de la formule de résine est flexible et diversifiée, et l'application est ciblée. Comparé aux pièces structurelles en alliage d'aluminium, l'effet de réduction de poids des composites de fibre de carbone peut atteindre 20% à 40%. Par rapport aux pièces métalliques en acier, l'effet de réduction de poids des matériaux composites en fibre de carbone peut atteindre 60% à 80%. Utilisation de matériaux composites en fibre de carbone Non seulement cela a-t-il réduit la qualité de l'ensemble du véhicule, mais il a également affecté et modifié dans une certaine mesure le processus de fabrication automobile.
1 Type de processus
Les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) désignent un matériau obtenu en combinant des fibres de carbone en tant que phase de renforcement avec un matériau de résine thermoplastique ou thermodurcissable. La technologie de fabrication des composites de PRFC comprend principalement des processus de préimprégnation et de formation de liquide. L'analyse comparative des types de processus des composites à matrice polymère renforcée de fibres de carbone est présentée dans le tableau 1.
2 Technologie d'assemblage de connexion de pièces automobiles
L'assemblage combiné entre pièces automobiles composites et la liaison entre pièces composites et composants métalliques est un problème inévitable. Le matériau composite est anisotrope, la résistance de la couche intermédiaire est relativement faible et la ductilité est faible, ce qui rend la conception et l'analyse des joints composites beaucoup plus compliquées que le métal. La connexion entre les parties métalliques traditionnelles de l'industrie automobile n'est pas applicable aux matériaux composites. Les connexions, par conséquent, il est essentiel de comprendre et d'améliorer la façon dont les composites automobiles sont joints et sécurisés.
La concentration des contraintes locales est causée par la continuité des fibres cassées. Les joints composites sont généralement le maillon le plus faible de la structure globale, de sorte que la solidité des joints est la clé de la conception structurelle composite. Les matériaux composites sont principalement divisés en trois catégories, à savoir les joints collés, les joints mécaniques et les joints hybrides des deux. Pour les composites thermoplastiques, il existe également des techniques de soudage. La conception de la technologie des joints composites doit être déterminée en fonction de l'utilisation spécifique des composants et des exigences de conception.
2.1 connexion de colle
Comparé à la connexion mécanique, le principal avantage de la technologie de collage est qu'il n'y a aucune concentration de contrainte causée par l'ouverture, la qualité de la structure est réduite, la résistance à la fatigue, l'amortissement des vibrations et les performances d'isolation sont bonnes. lisse, le processus de liaison est simple, et il n'y a pas de problème de corrosion électrochimique. Cependant, la technologie de collage présente également certains inconvénients, tels qu'une difficulté de contrôle de qualité de la liaison, une grande dispersion de la force de liaison, un manque de méthodes d'inspection fiables, des exigences strictes pour le traitement de surface et le collage de la surface de collage. Pour le corps composite de fibre de carbone, la colle est la connexion principale.
2.2 Connexion mécanique
Les connexions mécaniques utilisent généralement des rivets et des boulons et constituent le type de connexion le plus courant. Le principal avantage de la connexion mécanique est la haute fiabilité de la connexion, le démontage répété et l'assemblage lors de la maintenance ou du remplacement, la nécessité de traiter la surface, et l'impact sur l'environnement est relativement faible. Le principal inconvénient de la jonction mécanique est qu'elle augmente la qualité, provoque la concentration des contraintes et provoque une corrosion électrochimique au contact du composite. La comparaison de la connexion de rivet et la connexion de boulon est montrée dans la figure 1.
2.3 Connexion mixte
Afin d'améliorer la sécurité et l'intégrité de la connexion, dans certaines parties de connexion importantes, la méthode hybride de connexion de colle et de connexion mécanique est généralement utilisée en même temps, et les avantages des deux méthodes de connexion sont pleinement utilisés force et haut point de connexion. fiabilité.
2.4 Soudage
La technologie de soudage est principalement appliquée aux pièces composites thermoplastiques. Le principe de base est de chauffer la résine sur la surface du composite thermoplastique fondu, puis de les pressuriser et de les assembler. Il existe trois principales méthodes de soudage: le soudage par ultrasons, le soudage par induction électrique et le soudage par résistance. Les avantages du soudage sont un bon effet de connexion et un cycle court, pas de traitement de surface, une haute résistance des joints, une faible contrainte, etc. l'inconvénient est qu'il n'est pas facile à démonter, et il est nécessaire d'ajouter des matériaux conducteurs ou des fils. En outre, dans le processus de moulage de l'élément structurel composite, le connecteur métallique peut être noyé dans la préforme fibreuse, et le matériau composite et le composant métallique incorporé sont intégrés après le moulage, et le composant composite peut être relié par le métal incorporé. composant pour éviter les composites de dommages usinés.
3 Avantages d'application pour les automobiles
Un certain nombre de facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection des matériaux automobiles, tels que les propriétés mécaniques, la légèreté, la stabilité du matériau, la conception et la facilité de traitement. Chaque facteur aura un impact significatif sur la conception, la production, les ventes et l'utilisation de la voiture. Au cours des dernières années, les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont devenus un nouveau matériau automobile avec ses caractéristiques de performance uniques. Les composites à matrice polymère renforcée de fibres de carbone présentent les avantages suivants par rapport aux autres matériaux automobiles.
3.1 Excellentes propriétés mécaniques
Le composite à matrice de résine renforcé de fibres de carbone (PRFC) a une densité de 1,5 à 2 g / cm3, ce qui représente seulement 1/4 à 1/5 de l'acier au carbone ordinaire et environ 1/3 plus léger que l'alliage d'aluminium, mais la fibre de carbone matériau composite Les propriétés mécaniques complètes sont nettement meilleures que celles des matériaux métalliques et la résistance à la traction est de 3 à 4 fois supérieure à celle de l'acier. La résistance à la fatigue de l'acier et de l'aluminium est de 30% à 50% de la résistance à la traction, tandis que le CFRP peut atteindre 70% à 80%. Dans le même temps, CFRP a également de meilleures caractéristiques d'amortissement des vibrations que le métal léger. Par exemple, l'alliage léger a besoin de 9s pour arrêter les vibrations. Le matériau composite en fibres de carbone peut être arrêté pendant 2 secondes, et la résistance spécifique et le module spécifique sont élevés.
3.2 Designable
Le matériau composite de fibre de carbone a une forte aptitude à la conception et peut sélectionner raisonnablement le matériau de base en fonction des exigences de performance, concevoir l'agencement des fibres et la forme structurelle du matériau composite, et concevoir de manière flexible le produit. Par exemple, en agençant les fibres de carbone dans la direction de la force, l'anisotropie de la résistance du matériau composite peut être entièrement utilisée, réalisant ainsi le but d'économiser des matériaux et de réduire la qualité. Pour les produits nécessitant une résistance à la corrosion, un matériau de base avec une bonne résistance à la corrosion peut être sélectionné pour la conception.
3.3 La fabrication intégrée est possible
La modularité et l'intégration sont également une tendance de développement de la structure automobile. Les matériaux composites sont faciles à former des surfaces courbes de différentes formes pendant le moulage, permettant la fabrication intégrée de pièces automobiles. Le moulage intégré peut non seulement réduire le nombre de pièces et le nombre de moules, réduire le nombre de pièces et d'autres processus, mais aussi raccourcir considérablement le cycle de production. Par exemple, si le module frontal de l'automobile est en matériau composite de fibre de carbone, il peut réaliser un moulage intégré intégral, évitant la concentration locale des contraintes provoquée par le soudage sur mesure ultérieur et le traitement ultérieur des pièces métalliques et réduisant les pièces automobiles tout en assurant la précision du produit. et améliorer la performance. Qualité, réduction des coûts de fabrication.
3.4 Absorption d'énergie et résistance aux chocs
Le composite à matrice de résine renforcé de fibres de carbone (CFRP) a une certaine viscoélasticité, et il existe un léger mouvement relatif local entre la fibre de carbone et la matrice, qui peut générer un frottement interfacial. Sous la synergie de la viscoélasticité et de la friction interfaciale, les pièces en PRFC présentent une meilleure absorption d'énergie et une meilleure résistance aux chocs. D'autre part, la structure composite absorbant l'énergie de collision composite en fibre de carbone se fragmente en fragments plus petits en collision à grande vitesse, absorbe une grande quantité d'énergie d'impact et sa capacité d'absorption d'énergie est 4 à 5 fois supérieure à celle des matériaux métalliques. ce qui peut améliorer efficacement le véhicule. Sécurité pour protéger la sécurité des membres.
3.5 Bonne résistance à la corrosion
Le matériau composite à matrice polymère renforcée de fibres de carbone est principalement composé de câbles de fibres de carbone et de résine, et présente une excellente résistance aux acides et aux alcalis. Les pièces automobiles fabriquées par les mêmes n'ont pas besoin d'un traitement anticorrosion de surface, et ont une bonne résistance aux intempéries et au vieillissement, et la durée de vie est généralement de 2 à 3 fois celle de l'acier.
3.6 Bonne performance thermique
La fibre de carbone a une performance très stable en dessous de 400 ° C et ne change pas beaucoup à 1 000 ° C.
3.7 Bonne résistance à la fatigue
Le matériau renforcé de fibres de carbone a un obstacle à la croissance de la fissure de fatigue de la fibre, et sa résistance à la fatigue peut atteindre 70% à 80%. La structure de la fibre de carbone est stable, et la résistance du matériau composite après le test de fatigue de stress est de plusieurs millions de fois. Il y en a encore 60%, tandis que l'acier et l'aluminium sont respectivement de 40% et 30% et les PRF de seulement 20% à 25%. Par conséquent, la résistance à la fatigue des composites en fibre de carbone convient à une large gamme d'applications dans l'industrie automobile.
4 Analyse économique des véhicules de tourisme à énergie nouvelle
Grâce à la référence de la fibre de carbone, le poids du corps peut être réduit de plus de 50%. En prenant comme exemple la perte de poids de 100 kg du modèle type A, le poids de l'ensemble du véhicule est très évident. Il peut être expliqué par les aspects suivants: 1 pour 1 Pour une voiture de tourisme avec une distance de conduite de 300 km et une consommation d'énergie de 45kW · h, le même practice peut être réduit de 3.6kW · h par l'expert de l'industrie "100kg par réduction de poids et augmentation de 8% de la plage de conduite ". Le coût d'économie de la batterie est d'environ 0,6 million de yuans; 2, avec un cycle de vie de 400.000 kilomètres et un coût d'électricité moyen de 0,9 yuan / kW · h, le coût de l'électricité peut être économisé dans le cycle de vie du véhicule de 400 000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,32 millions de yuans. 100km économisant 1.2kW · h calcul de l'électricité); 3 En raison de l'utilisation de matériaux en fibre de carbone, en prenant l'exemple de la production de 50 000 véhicules, l'investissement économisé en technologie et en équipement est converti en l'équivalent économique des véhicules électriques, dans chaque véhicule. L'amortissement permettra d'économiser environ 2.000 yuans; 4 parce que le processus est rationalisé, le coût du personnel peut être économisé au moins 1000 yuans / Taiwan.
Au total, le coût moyen par véhicule est de 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 million, mais ces coûts ne suffisent pas à compenser l'augmentation du coût du matériau lui-même en raison de l'introduction de la fibre de carbone. On peut voir que l'application du corps en fibre de carbone pose toujours un gros problème. Si vous voulez promouvoir un corps léger, vous ne pouvez commencer à réduire l'investissement dans la technologie et l'équipement. Au total, le coût moyen par véhicule est de 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 1,33 million, mais ces coûts ne suffisent pas à compenser l'augmentation du coût du matériau lui-même en raison de l'introduction de la fibre de carbone. On peut voir que l'application du corps en fibre de carbone pose toujours un gros problème.
Si vous voulez promouvoir un corps léger, vous ne pouvez commencer à réduire l'investissement dans la technologie et l'équipement.
Si l'automobile réalise une production en masse de corps en fibre de carbone, le coût du matériau en fibre de carbone lui-même diminuera également drastiquement, et tout l'effet de l'industrie sera assez important, et les avantages économiques deviendront de plus en plus évidents. Ceux-ci sont seulement analysés du point de vue de la fibre de carbone. Si l'on considère le facteur de réduction du poids du corps en alliage d'aluminium de 50 kg, l'effet économique est évident.
5 pour le développement du corps
Compte tenu des caractéristiques des matériaux composites renforcés de fibres de carbone, ces matériaux sont progressivement favorisés par les constructeurs automobiles. On estime que dans le secteur automobile, la consommation de fibres de carbone augmente à un taux annuel moyen de 34% et atteindra 23 000 tonnes d'ici 2020. La figure 2 est une feuille de route pour le développement de composites renforcés de fibres de carbone pour le corps.
Actuellement, les matériaux composites renforcés de fibres de carbone sont principalement utilisés pour les revêtements de corps, les pièces décoratives et les éléments structurels sur le corps. Par exemple, BMW a utilisé des composites en fibre de carbone pour fabriquer des pièces structurelles de carrosserie dans une variété de modèles qu'il a développés, ce qui est devenu un moment important pour les composites de fibre de carbone dans la fabrication automobile. Dans le même temps, BMW a coopéré avec SGL (SGL) pour investir 100 millions d'euros dans le développement de fibre de carbone à faible coût et augmenter la production de fibre de carbone de 3 000 à 9 000 tonnes par an. autres. La demande de modèles.
6. Conclusion
En résumé, les composites à matrice de résine renforcée de fibres de carbone (CFRP) sont devenus une orientation de développement importante pour les nouveaux matériaux automobiles à l'avenir en raison de leurs avantages de performance uniques. Cependant, si ce matériel doit être promu et appliqué dans le domaine automobile, il est nécessaire de commencer la recherche et le développement en collaboration de l'industrie, du milieu universitaire et de la recherche sur les aspects suivants: 1 rechercher un précurseur de fibre de carbone moins coûteux; 2 développer de nouveaux procédés pour la fabrication de fibres de carbone, tels que la stabilité des matériaux précurseurs. 3; optimiser les paramètres du processus de fabrication de la fibre de carbone ou utiliser de la fibre de nano-carbone pour améliorer encore les performances des composites en PRFC; 4 développer une technologie de fabrication de moulage de pièces en PRFC rapide et efficace, telle que la technologie de durcissement rapide, la technologie de contrôle de flux de matériaux composites; Utilisez la technologie d'analyse de simulation informatique (CAE) pour sélectionner différents matériaux composites en fibre de carbone et optimiser les paramètres du processus de moulage.
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