נכסים של חומרים פולימרים מאוישים בייצור רכב

פולימרים פולימרים (FRP) הועברו מעבר ליישומים נישה והם כעת עמוד מרכזי של ייצור רכב מודרני.כפי שהתעשייה מאיצה לעבר תקני כלכלת דלק נוקשים יותר ואימוץ המוני של כלי רכב חשמליים (EV), הביקוש לחומרים קלים, עמידים וחומרים תכליתיים מעולם לא היו גבוהים יותר. FRP, המשלבים סיבים גבוהים כגון זכוכית, פחמן, או ניתוח עם תכונות מכניות אלה, אשר יכול להיות מרכזי של ציוד ייצור כלי רכב ייחודי, אשר יכול להיות מורכב באופן ישיר.

תכונות הליבה של FRP Composites ביישומים של רכב

כוח גבוה ל-Weight Ratio

יחס גבוה של תרכובות FRP הוא ככל הנראה המאפיין המשכנע ביותר שלהם. בהשוואה למתכות רכב מסורתיות כמו פלדה (density) - 7.8 g / ס"מ3) או אלומיניום (density -2.7 גרם / ס"מ3), סיבים פחמן מחזקים פולימרים חשובים (CFRP) יכול להשיג דחיסות דלק נמוכה כמו 1.5-1.6 / CM3 תוך מתן חוזקות יריבות או גבוה יותר מכמות גבוהה של כלי רכב, אך ניתן להגדיל באופן ישיר ל- 50 אחוזים, אך ורק יותר מאשר בטווח סוללה.

התנגדות קורוזיה ודלות

בניגוד פלדה או אפילו כמה ⁇ אלומיניום, FRP מורכב לא corrode או חלודה כאשר נחשפים לחות, מלח כביש, או כימיקלים. זה התנגדות קורוזיה טבורה הוא שינוי משחק עבור רכיבים תחת גוף, קישורים השעיה, ואת מחסני סוללות ב EVs, שבו חשיפה למים וממלחים דלים נוספים הוא בלתי נמנע.

חופש עיצוב וחלק שכנוע

תרכובות FRP ניתן לעצב לתוך גיאוגרפיות מורכבות כי הם לא מעשי או בלתי אפשרי עם מתכת גיליון קונבנציונלי להרכיב. גמישות עיצוב זה מאפשר מהנדסים לייעל אווירודינמיקה, לשלב פונקציות מרובות לתוך רכיב יחיד, וליצור תכונות עיצוב ייחודי. לדוגמה, מודול חזית מורכב יכול לשלב מבנה התרסקות, קירור, חפיסות, ולחיצת שיער בפיסת מתכת אחת, ביטול של כמה שכבות מהירות והשגת באמת, שבו יש צורך גבוה יותר, ירידה של זמן חיתוך, ירידה גבוהה יותר.

התנגדות שומנית

מתכת הם נוטים עייפות כישלון תחת טעינה מחזורית חוזרת, אשר יכול ליזום סדקים בריכוזים מתח ו propagate עד שבר. FRP מורכב, עם זאת, להציג התנגדות עייפות יוצאת דופן בשל מצב הכשלים המנופחים של סיבים.בפיר מעוצב היטב, המרחץ פולימרוני עובר לסיבים המתמשכים, אשר פועל כמו היסוד העיקרי של עומסים תחת מיליוני מחזורי פחמן, פחמן ונפחים כגון נוזל קירור ארוך של פלדה, כמו גם עלות קבוע של פלדה, או כוח מתמשך של פלדה, כמו עלות קבוע.

אנרגיה משפיעה על חוסר יכולת

ספיגת אנרגיה במהלך התרסקות היא דרישה קריטית לבטיחות. מורכב FRP יכול להיות מונדס כדי לספוג כמויות גבוהות של אנרגיה השפעה על ידי עיצוב מצבי ריסוק כי בהדרגה נכשל הסיבים והמטריקס. סיבי פחמן, במיוחד, יכול לפזר אנרגיה בקצב גבוה יותר של פלדה או אלומיניום ליחידה מיקרוסקופית. מנגנוני השברה מיקרוסקופית - פריצה, סדקים, דלמנטום - כל צריכת אנרגיה, מה שהופך בדיוק כמו גם תאים מורכבים של צינורות אוויריים מורכבים.

תכונות דם וחשמל

פיצ'רים FRP מציעים מגוון של התנהגויות תרמיות וחשמליות בהתאם סיבים וממטריקס שנבחרו. סיבי זכוכית מספקים בידוד תרמי מעולה והם ללא מוליכים חשמלית, מה שהופך את חלקי GFRP אידיאלי עבור כיסויי דיור סוללה ורכיבי בידוד חשמליים ב EVs. פחמן סיבים, לעומת זאת, הם מוליכים באופן תרמי ומוליכים חשמלית, אשר יכול להיות יתרון עבור פיזור חום בסוללות מורכבות עבור סוללות או מגנטית של צוואר הרחם.

תהליכי ייצור שנמנעו את הנכסים האלה

התכונות של רכיב FRP קשורות מאוד למערכת הייצור המשמשת.תעשיית הרכב דורשת תהליכים בעלי ערך גבוה, חוזרים על עצמם עם תקופות מחזור נמדדות תוך דקות, לא שעות. כמה תהליכים מותאמים כדי לענות על דרישות אלה תוך שמירה על היתרונות החומריים.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Sheet מוליד קומפלקס (SMC) משתמשת זכוכית מוקדמת או גליונות סיבים פחמן כי הם לחתוך ומוצבים עובש מחומם.תחת לחץ, את הזרמים החומריים מרפא במהירות, לייצר חלקים עם מעמד A מסיים מתאים לוחות גוף חיצוני. SMC מציעה עקביות ממדית מעולה ויכול לייצר צורות מורכבות עם תוספות, צלעות, ובוס שלה מחזור של 1-3- 000 דקות לעשות את זה עלות עבור חלקים חסכוניים 000-50,000 שנה.

Rein Transfer מוליד (RTM) ו-HP-RTM

ב RTM, סיבים יבשים ממוקמים עובש סגור, ו נוזל resin מוזרק תחת לחץ. High-Pressure RTM (HP-RTM) מציג וריפוי רזין בתוך 5 דקות, ומאפשר רכיבים מבניים כמו מחבתות הרצפה, מסגרות גג, ו- cross-cars beams. HP-RTM מניב תוכן נמוך מאוד ונפחים גבוהים (55%-65%), הדורשים תכונות מכניות עבור כוח ראשוני.

מיקום סיבים אוטומטיים (AFP)

AFP משתמש ראשי רובוטיים כדי להניח רצועות צרות של טורו (חבילות סיבים) על פני משטח כלי, אוורור סיבים בדיוק כדי להתאים נתיבי עומס.טכניקה זו משמשת עבור חלקים מורכבים כגון B-pillars ו- Crash Rails. AFP הוא איטי יותר ויקר יותר מ-SMC או RTM אבל מציעה את הרמה הגבוהה ביותר של אופטימיזציה עבור מבנים אולטרה-משקל.

המונחים:rmoplastic Composites

הבלוטות התרמופלסטיות (למשל, פולימיד, פוליפרופילן) התחזקו עם זכוכית מתמשכת או סיבי פחמן צוברות מתח עקב זמני המחזור הקצר שלהם, תחלואה, ומחזוריות. תהליכים כמו עובש של גליונות או בידוד או החלפת in-situation במהלך הדפסה תלת-ממדית (ייצור ממכר) מאפשרים ייצור יעיל של חלקי מחזוריים.

יישומים לרכב FRP Composites

פאנלים ו- Closures

הודים, עגבים, דלתות ופאנלים גג נהנים מההתנגדות הקלה, ההשפעה, והחופש העיצובי של FRP. כלי רכב בעלי ביצועים גבוהים רבים משתמשים בבלוטות פחמן כדי להפחית את משקל האקסל הקדמי ולשפר את הטיפול. סיבי זכוכית מחזקים את SMC בשימוש נרחב עבור fenders, זנבות, ושמש מסגרות של כלי רכב ממונעים כמו פורד ושברולטסטרוולט, הם גם לא מחלימים של לוחות גוף קטנים, הם מעולם לא מתפקדים.

המונחים: Structural Components

יישומים סטרקטיאליים כוללים מודולים הקדמיים, לוחות פנימיים דלת, מערכות רצפה ומבנים ישיבה.BMW i3 ו- i8 החלו להשתמש ב-CRP במכוניות ייצור בנפח גבוה, עם תא הנוסעים כולו (מודול החיים) שנבנה מ סיבי פחמן מורכבים יותר לאחרונה, פורד F-150 משתמש GFRP עבור רצפת איסוף ופאנלים פנימיים, שמירה על משקל והתנגדות לקוקוראוסטרציה ממבני המטען, עכשיו, כולל חומר משותף, שבו הוא מוסיף, כולל פלדה, כאשר הוא משמש כל חומר משותף, כולל שימוש באלומיניום, כאשר הוא מוסיף, והוא מוסיף, והוא מוסיף את רוב חומר משותף, כולל שימוש ב-FRP.

המונחים: powertrain

טמפרטורות מתחתיות וחשיפה נוזלית מציבות אתגרים, אבל FRP מורכב לפגוש אותם עם בחירת רזין נאותה.מחבתות שמן המנוע, צריכת מכפליים, כיסויי העיסוי מעוצבים לעתים קרובות מ ניילון מזכוכית-GF), המציע חיסכון במשקל של 30–40% מעל אלומיניום. כוננים CFRP גבוה ומניעים פירים מנפחים, שיפור יעילות הנהיגה וצמצום רכיבי חשמל מורכבים.

סוללות Enclosures עבור רכבים חשמליים

דיור החבילה הוא אחד המרכיבים הבודדים הכבדים ביותר ב EV. CFRP ו GFRP מורכב להחליף פלדה ואלומיניום במכלולים, צמצום משקל ב 40-60 אחוזים תוך מתן הגנה על השפעה מעולה, ניהול תרמי, בידוד חשמלי. מגשי סוללות Composite חייב גם לעמוד באש מחמירה ותקני בטיחות מחץ, ומחקר מתמשך הוא שילוב חומרים שלב-שינוי ותוספים אש לתוך המערכת מחדש.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות שלהם, FRP מורכב להתמודד עם מכשולים לאימוץ נרחב בייצור הרכב.המכשולים העיקריים הם עלות, מהירות הייצור, ואת מחזור החיים.

עלויות עיבוד וחומר

סיבים פחמן, במיוחד בצורות של כיתה הרכב, נשאר יקר - בערך 10 $ 20 לקילוגרם בהשוואה $ 2 עבור פלדה. גבוה כלי עבור עובש דחיסה ו RTM גם דורש נפח ייצור גדול כדי להרות. עם זאת, חידושים בחומרים מבשר (למשל, סיבים פחמן מבוססי מינוף) וטכניקות ייצור זול יותר הם להפחית בהדרגה את עלויות עבור סיבים, את העלות הרבה יותר יעיל עבור צריכת זכוכית, זה הוא הרבה יותר יעיל יותר, עושה יישומים.

להצטרף ואסיפה

אג"ח אדמדטיבי ומזרז מכני הם שיטות ההצטרפות העיקריות עבור מרוקנים.Welding אפשרי רק עבור thermoplastic matrices. Adhesive אג"ח דורש הכנה משטח זהה ובקרת איכות כדי להבטיח עמידות ארוכת טווח. המפרקים היברידיים המשלבים קשר עם קשרים מכווצים נפוצים לספק הגנה לא בטוחה.

מחזור וקיימות

התרכובות המrmoset (epoxy, Polyester) לא ניתן להחזיר, מה שהופך את מחזור קשה. מכני שחיקה לתוך מלא, pyrolysis כדי לשחזר סיבים, ו solvolysis הם טכנולוגיות מתעוררות אבל עדיין לא עלות תחרותי עבור פתרונות עתירי פסולת גבוהה יותר ויותר.

הערכה ותיקון

נזק משלים יכול להיות קשה לזהות ויזואלי; שיטות בדיקה לא הרסניות כגון אולטרסאונד, מדמוגרפיה או רנטגן נדרשים.תיקון מבנים מורכבים מורכב יותר מאשר מתכת מתפתל, לעתים קרובות דורש כתמים מחוברים או החלפת חלקים שלמים.זה יש השלכות על תחזוקה צי ועלויות ביטוח.

כיוונים עתידיים וחדשנות

העשור הבא מבטיח התקדמות משמעותית בתרכובות הרכב FRP. סיבים טבעיים כמו flax, קנבוס, וkenaf נחקרים עבור לוחות פנימיים ומבנים משניים, המציעים עלויות נמוכות יותר וקיימות משופרת. bio-based resins הנגזרות משמן צמחי ומליניין הם צמצום הסימולציות ההיברידיות המקומיות (בנוסף לשילוב של סיבים מטבוליים) עם סיבים מורכבים, כולל סוללות מתכתיים, כולל רכיבי מתכת וסימולציות מתכתיים.

(כתעשיית הרכב מתכנסת לחשמל ולקיימות, מורכב FRP מצטמצם לזרם המרכזי.השילוב הבלתי שווה של כוח, אורנות ועמידות ימשיך להניע חדשנות מהמסלול הגזע לשורה.עבור יותר על ההתפתחויות האחרונות, משאבים מ-FLT:0ComitesWorldFLT:1, ו-FLT2E InternationalFalcio, 3DV5 ו-FLT5:

מסקנה

תרכובות פולימרים מאומצות בסיבים אינן מגמה חולפת, אלא גוש בנייה יסודי של הנדסה עתידית של הרכב.יחסי כוח-משקל הגבוהים שלהם, עמידות קורוזיה, חיי עייפות, גמישות עיצוב ויכולות ספיגה אנרגיה מאפשרים כלי רכב בטוחים, יעילים יותר, יציבים יותר מאשר אי פעם.