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『轻量化』碳纤维复合材料推动纯电动汽车轻量化

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碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成,含碳量高于90%的无机高性能纤维,是一种力学性能优异的新材料,具有碳材料的固有本性特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工型,是新一代增强纤维。近几年碳纤维复合材料在汽车领域中也大展拳脚,应用十分广泛。

 


 

碳纤维复合材料特性

 

汽车车身的轻量化主要从车身结构设计和材料的选择与替代两个方面着手。在材料轻量化方面,目前仍以高强度钢、镁、铝和塑料作为主要汽车材料组合,其中尤其以碳纤维最为出色,其优越性几乎可以完全替代钢材料。其中以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟,具有应用于车身制造的诸多优势。

(1) 具有较高的强度。碳纤维复合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比强度,用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时,重量可减轻70%左右。

(2)  具有良好的抗疲劳性。碳纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果,碳纤维复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展,而外加载荷由增强纤维承担,因而疲劳强度极限比金属材料和其他非金属材料高很多。

(3)  碰撞吸能性好。碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料,在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4~5倍,减轻车身质量的同时还能保证不损失强度或刚度,保持防撞性能,极大地降低了轻量化带来的汽车安全系数降低的风险。

(4)  制造工艺性好。碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好,通过调整CFRP材料的形状、排布、含量,可满足构件的强度、刚度等性能要求,能用模具制造的构件可一次成型,减少紧固件和接头数目,可以大大提高材料利用率。


 

车身轻量化对续驶里程的影响

 

目前汽车车身重量的3/4是钢材,轻量化空间很大。研究表明,碳纤维增强复合材料车身质量仅172kg,而钢制车身为367.9kg,碳纤维增强复合材料轻量化效果达53%以上。


由于纯电动汽车受安装的动力电池的容量限制,其一次充电后的续驶里程过短,成为影响纯电动汽车推广使用的一个重要因素。如果用碳纤维复合材料来制造车身,将车身减轻的质量用于增加电池数量,在保持整车质量不变的情况下,可以大大提高续驶里程。


应用碳纤维复合材料可以极大地实现电动汽车轻量化来平衡电池组的重量,增加纯电动汽车的续驶里程。当然,蓄电池组的安装需要合适的空间,在不减小乘用空间的基础上,合理控制碳纤维复合材料轻量化程度,可增加蓄电池组容量,既保证一定的续驶里程,同时也避免过分CFRP化带来的的高成本问题。


 

碳纤维复合材料车身大规模应用前景

 

制约碳纤维复合材料大范围应用的主要因素包括性价比、供应商的结构和能力、汽车发展和产品环境等影响。同时它的生产和加工技术还不够成熟,应用和研发成本较高,相关部门缺乏一定的长远发展规划等。


电动汽车,尤其是纯电动汽车,对整车轻量化的迫切性比传统内燃机汽车更强烈。整车轻量化可以车身轻量化为突破口。迄今为止的研究表明,碳纤维复合材料是最理想的车身轻量化材料。将碳纤维车身用在纯电动汽车上,可以在一定程度上抵消目前动力蓄电池比能量不够的问题。


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来源:碳纤维生产技术
疲劳断裂复合材料碰撞汽车裂纹材料控制纺织模具
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首次发布时间:2024-10-27
最近编辑:1月前
碳纤维生产技术
助力国内碳纤维行业发展
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『技术』开展高温石墨化环境中碳纤维拉伸强度保留率研究工作 国产石墨纤维实现连续稳产

高强高模碳纤维(又称石墨纤维)是我国新材料领域重点发展的一类材料,其关键制备技术一直以来被国外掌控。近日,中科院宁波材料所在石墨纤维关键制备技术方面取得重要进展,实现国产M60J石墨纤维关键制备技术突破。宁波材料所特种纤维事业部团队负责人宋书林研究员告诉《中国科学报》记者:“我们已经掌握结构与性能关联性规律,并建立国产石墨纤维树脂基复合材料的应用评价体系,为碳纤维工程化制备和复合材料应用提供坚实的理论和实践基础,国产石墨纤维实现连续稳产。”石墨纤维有何不同碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100GPa(1GPa=1000兆帕)左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000兆帕、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高模碳纤维,其中应用最广的是聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)。PANCF按照性能可分为高强中模和高强高模等类型。其中,国内高强中模型碳纤维拉伸强度最高可达6.5GPa,模量在300GPa左右。宁波材料所特种纤维事业部技术负责人张永刚指出,我们制备得到的M60J石墨纤维拉伸强度为5.24GPa、拉伸模量为593GPa。“从数据上看,石墨纤维拉伸模量远高于高强中模碳纤维,强度略有损失。”这里的石墨纤维含碳量高达99%以上,具有更高的模量,且热膨胀系数低、导电性高、热稳定性好、尺寸稳定,在宇宙飞行器及航空航天等领域可作为关键材料。突破关键制备技术碳纤维制备是一个系统工程,包含一系列复杂的物理化学反应。由于部分反应的机理还未研究透彻,以及相关反应所需要设备的限制,均增加了碳纤维制备的难度。国际上的碳纤维市场竞争并不充分,大部分的份额被日本和美国等国家的少数公司垄断着,这也导致碳纤维制品的售价较高。多年来,国外掌握的石墨纤维关键制备技术对我国严格封锁。这一局面随着国内碳纤维制备技术的逐步提升有所改善,相关科研单位正在提高关键装备的成熟度,为制备石墨纤维提供了理论和装备基础。石墨纤维是在纤维高温碳化后,经过进一步石墨化制备得到,石墨化程度非常高。张永刚告诉记者:“石墨化技术是制备石墨纤维的关键,主要包括装备制造关键技术和碳纤维全流程制备技术。”当前已知理论认为,石墨化温度越高,碳纤维拉伸模量也越高,因此首先需要能够提供足够高温度的石墨化装置。通常,在2200℃以上纤维的石墨化程度逐步提高,温度进一步提升,纤维石墨化结构进一步完善,理想状态是,石墨化温度达到3000℃。张永刚也指出其中的难点是,限于材料耐温性能和装备加工水平,很难获得满足要求的石墨化装备。为了突破高等级石墨纤维,必须从结构与性能关联性研究出发。宁波材料所特种纤维事业部通过采取精细结构调控,严格把控工艺条件,优化纤维石墨化结构,提升纤维宏观性能。经努力攻关,团队在较低石墨化温度下,获得了石墨纤维M55J和M60J的性能突破。此外,石墨化温度的降低,有效延长了石墨化装备的寿命,实现了性能与成本的匹配。稳定技术规模生产近年来,宁波材料所先后突破了高强中模碳纤维中试及工程化技术,2015年5月,特种纤维事业部制备得到M50J石墨纤维,拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa。2016年1月,宁波材料所在国内率先实现了国产M55J制备技术重大突破,同年9月进行了制备技术验证,并获得拉伸强度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纤维,后续进一步实现了国产M55J石墨纤维连续稳定生产。随后,宁波材料所特种纤维事业部针对国产石墨纤维工艺分析、结构研究、性能优化开展了详细研究,尤其是重点开展高温石墨化环境中碳纤维拉伸强度保留率研究工作,制备出国产M60J石墨纤维。张永刚指出,与日本东丽M60J石墨纤维(拉伸强度3.92GPa、拉伸模量588GPa)相比,我们制备的国产M60J(拉伸强度5.24GPa、拉伸模量593GPa)继续保持了拉伸强度上的优势。当前,国产石墨纤维发展迅速,宁波材料所、北京化工大学等科研单位先后突破了国产M55J石墨纤维制备技术,国内部分企业正在开展M55J工程化技术攻关。宁波材料所国产M60J石墨纤维关键制备技术的突破,将进一步促进国内在石墨纤维领域的技术发展。目前国内石墨纤维行业发展尚不成熟,多以军工项目为主,民用方面还有待进一步探索。张永刚表示:“石墨纤维的潜在应用领域非常广泛,我们将在实现制备技术稳定及形成生产规模的基础上逐步去拓展。”特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。来源:碳纤维生产技术

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