"黑色黄金"碳纤维,引领汽车"轻量化"出行革命


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电池箱在新能源汽车结构中占据了重要的位置。在为新能源汽车提供了有效的能源以及动力的同时,由于单个电池的电荷相对较小,需要的数量大,造成电池箱总成过重,从而会影响汽车的加速性能和能达到的最高车速。

目前电池箱总成本身占据了汽车总重的30%~35%,由于电池箱总成本本身消耗了大量的电池效能,因此减轻电池箱的重量已经成为新能源汽车发展的当务之急。

由于电动汽车的电池箱一直采用耐疲劳性能极好的钢质材料来制造,并且应用开发技术已日趋成熟。专家们对不同工况下电动汽车电池箱的强度进行了分析研究,并对电池箱局部进行了优化设计和改进,改善了局部结构上的应力集中情况,使结构强度得到了提升。

虽然专家们都对电动汽车电池箱结构进行了优化,但却依然改变不了减少电池箱自身重量过重的事实。用金属材料设计的电池箱不仅自身重量大,而且与碳纤维等复合材料相比,其强度、密封性低也成了重要缺陷。

近年来,碳纤维复合材料以其质量轻、比强度高、比刚度高并且可一体化设计等特点,在汽车工业方面已经得到了非常广泛的应用。挪恩复材很早就开展了碳纤维汽车方面的应用研究,经过不断研究后发现,电动汽车电池箱体过重的难题,可通过碳纤维来尝试解决。

宝马在i3和i8系列车型上大量使用碳纤维材料后,碳纤维材料真正成为了汽车轻量化的一个重要方向。在已有的应用形式中,汽车上的应用主要包括以下几类:结构件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等。虽然针对动力电池包的轻量化设计方法已经有一些研究,但真正大量应用尚未出现,除了技术问题外,一个主要原因是成本高昂。

碳纤维复合材料的密度一般不超过2g/cm³,而钢的密度为7.8g/cm³。碳纤维复合材质与高强度刚、铝合金、镁合金、玻璃纤维复合材质的主要性能参数对比如下表所示。

在2010年,碳纤维成本超过30美元/kg,而低碳钢的成本不到1美元/kg,铝合金为(2.4~2.6)美元/kg。下图是搜索到的截止到2016年9月的碳纤维价格信息,单位是人民币,价格仍然比较高。

碳纤维按照原料来源可以分为聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)、沥青基碳纤维(PitchCF)、黏胶基碳纤维(RayonCF),按照力学性能分,可以分为通用级(GP)碳纤维、高性能级(HP)碳纤维、高强度(HS)碳纤维、高模量(HM)碳纤维、超高强度(UHS)碳纤维、超高模量(UHM)碳纤维。另外,按照碳纤维发挥的作用还可以分为受力结构用碳纤维、耐焰用碳纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维、耐磨用碳纤维、活性炭碳纤维等。汽车或者电池包适用的碳纤维材料多数都是受力结构用碳纤维。

碳纤维产品分类包括碎屑、短纤维、长纤维、连续纤维、编制布、织管;其中聚丙烯腈基碳纤维在强度上要优于沥青基和黏胶基碳纤维,因此在实际应用中它占据了全世界碳纤维生产中90%以上的比例。

按照复合材料的基本原理,碳纤维复合材料就是将碳纤维作为增强成分添加到基材中形成的一类复合材料。在汽车上常见的树脂基材碳纤维复合材料包括热固性和热塑性两类:热固性树脂(如环氧树脂)和热塑性树脂(如PE)。

目前常用的车用碳纤维复合材料加工成型工艺主要有手糊成型(Hand Laying-up)、喷射成型(Spray Moulding)、团状模塑料(Dough Molding Compound,DMC)成型、片状模塑料(Sheet Molding Compound,SMC)成型、层压成型(Lamination Process)、树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding,RTM)、缠绕成型(Winding Process)、反应注射成型(Reaction Injection Molding,RIM)和拉挤成型(Pultrusion Process)等。其中最常见的是SMC工艺和RIM工艺。

RIM成型技术是一种典型的树脂传递模塑成型技术。其主要工艺原理是先在模具中铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型件,然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或真空吸入闭合模具内,树脂固化脱模得到复合材料构件。该工艺具有成型效率高
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