복합재료의 자동차 경량화에서의 응용

탄소 섬유 복합재료

탄소섬유(CF)는 탄소 함량이 90%를 넘는 고강도·고모량 섬유의 새로운 섬유 소재다.그것은 섬유축을 따라 편상 흑연 마이크로스피어 등 유기섬유를 쌓아 탄화와 흑연화를 통해 얻을 수 있는 마이크로스피어 흑연 재료이다.탄소섬유는"외연내강"으로서 그 비중이 강철의 4분의 1에 불과하지만 그 강도가 강철보다 높아 부식에 견디고 고모량의 특징을 갖고있다.

탄소 섬유의 장점

1. 탄소섬유복합재료는 비교적 높은 강도와 계량을 갖고있어 가장 리상적인 경량화, 고강도 차체재료이다.

   
   

2. 탄소섬유복합재료가 충돌할 때 가소성변형을 통해 에네르기를 흡수하지 않고 무수한 미소한 파편으로 변하기에 대량의 충돌에네르기를 흡수할수 있으며 강철구조의 약 4배에 달해 안전성이 아주 높다.

   
   

3. 탄소섬유복합재료는 쉽게 성형된다. 즉 동력학원리에 부합되는 모양을 형성하여 미관과 매끄러운 표면의 수요를 만족시키기 쉽기에 복잡하고 번거로운 차체도장과 가공절차를 절약할수 있으며 일정한 원가를 낮출수 있다.

   
   

4. 탄소섬유복합재료가 성형될 때 부동한 재료는 일체성형할수 있어 자동차가 제조과정에서의 모듈화와 집적화에 더욱 유리하다.

   
   

5. 탄소섬유복합재료는 산용액, 알칼리용액, 유기용액에 용해되지 않아 화학성능이 안정적이므로 내식성이 우수하고 사용수명이 길며 유지보수가 거의 필요 없고 유지보수원가가 낮다.

   
   

6. 탄소섬유 복합재료는 고강도, 고모양, 무연변 등의 특징을 가지고 있어 전동축 구조를 만드는 데 사용할 수 있다.람보르기니가 투자한 LP700-4는 차체가 매우 높은 강도와 강도를 갖추고 있어 안전하기도 하다.

F1 경주차의 브레이크 디스크와 브레이크 패드도 탄소 섬유 복합 재료를 사용하여 F1 경주차의 브레이크 디스크는 일반 민간 자동차의 브레이크 디스크보다 성능과 가격이 훨씬 높습니다.

그러나 탄소 섬유도 그 자체의 한계가 있다

1. 작업시간이 많이 걸리고 대량생산량이 적어 설계와 공예개발이 어렵다.

   
   

2. 재료 원가도 높아 전체 탄소섬유 차체와 섀시의 LFA 가격은 30만 파운드에 달해 페라리 458과 랜드로버의 압승에 거의 맞먹는다.

   
   

3. 손상 후 거의 고칠 수 없는 아삭아삭한 소재이며 탄소 섬유의 고강도는 축 방향에 국한되어 지름 방향의 강도가 상대적으로 취약합니다 (따라서 사이드 베어링을 피하기 위해 가벼운 인장 강도를 사용하는 경우가 많습니다.충격 부분).

   
   

4. 탄소 섬유와 다른 재료 간의 연결도 문제다.기존 볼트 연결을 사용하면 연결 주위에 균열이 생기기 쉽습니다.

   
   

5. 알루미늄 합금에 비해 탄소섬유는 회수할 수 없다.

자동차 충돌 방지 빔은 자동차 범퍼의 주요 부품으로서 저속 충돌에서 가장 중요한 적재와 에너지 흡수 부품으로 승객과 주변 부품을 보호할 수 있다.탄소섬유복합재료는 저밀도, 고비강도, 대비모량과 량호한 충돌에네르기흡수성능을 갖고있다.관련 요구에 따라 충돌모형을 구축한 뒤 강철제 충돌방지빔과 탄소섬유 복합재료 충돌방지빔을 시험하고 충돌시뮬레이션을 진행해 두 재료의 에너지 흡수 상황을 분석했다.그 결과 탄소섬유의 비에너지 흡수율은 강철로 나타났다.3.7배, 체중감량은 71.4% 에 달해 에너지흡수특성과 경량화효과가 뚜렷이 제고되였다.

예: 2020년형 쉐보레 Corvette Stingray는 자동차 업계 최초로 구부러짐, 다공심 당김 탄소 섬유 충돌 방지 빔을 설계 및 제조하여 Stingray의 뒷부분과 연장 몸통을 강력하게 보호합니다. Stingray의 경량화된 특성도 Stingray의 조종성과 연료 절약 성능을 크게 향상시킵니다.

사람들은 체내에서도 대량의 탄소 섬유를 사용했다.앞서 언급한 탄소섬유의 단점에 비해 BMW i 시리즈는 차체에 응용하는 방법과 기술로 일부 문제를 피하고 해결하는 데 성공했다.BMW i 시리즈의 차체 구조는 대면적의 탄소섬유 소재를 사용했다.라이프치히 공장의 새로운 헬스 작업장은 탄소섬유 강화 플라스틱 복합재 부품을 연결해 Life 모듈의 기본 구조를 형성한다.

수지기 복합재료

수지기 복합재료는 부품 품질을 40% 낮출 수 있을 뿐만 아니라 생산 원가도 40% 정도 낮출 수 있다.현재 유리섬유강화수지 복합재료와 탄소섬유강화수지 합성재료는 이미 자동차에 성공적으로 응용되였고 자동차내장과 외장에 널리 응용되고있다.

유리섬유강화수지복합재료 (GFRP) 는 내식성, 절연성이 우수하며 특히 가소성이 좋아 금형에 대한 요구가 낮고 대형차체피복부품을 제조하는 금형가공공법이 간단하며 생산주기가 짧고 원가가 낮다.승용차와 승용차의 경우 유리섬유 강화수지 복합재를 사용해 차체 덮개, 승용차 앞뒤 벽 덮개와 트럭 운전실 등의 부품을 만든다.

탄소섬유강화수지기복합재료(CFRP)는 무게가 가볍고 강도가 높으며 단열인성이 높고 부식에 강하며 설계성이 강하고 성형이 쉽고 감진성능이 좋은 등 일련의 장점을 갖고있어 부재의 강도와 중량을 만족시킬수 있을뿐만아니라 차량안전면에서도 뚜렷한 우세를 갖고있다.그래서 그것은 전도가 유망한 자동차 경질 재료이다.그러나 높은 비용과 긴 성형 주기 등의 단점이 있습니다.

현재 전달 몰딩 기술(RTM)로 제작된 차체 도류판, 앞면 진흙판과 앞면 진흙판 연장부품, 전조등 덮개, 보닛, 장식막대, 꼬리판 등과 차체판 강화부품 등이다.