Ứng dụng vật liệu composite trong trọng lượng nhẹ ô tô

Vật liệu composite sợi carbon

Sợi carbon (viết tắt là CF) là một loại vật liệu sợi mới có độ bền cao và mô đun cao và hàm lượng carbon vượt quá 90%. Nó là một vật liệu graphite vi tinh thể thu được bằng cách cacbon hóa và graphite hóa các sợi hữu cơ như vi tinh thể graphite flake dọc theo trục sợi. Sợi carbon "bên ngoài mềm bên trong cứng", trọng lượng riêng của nó chỉ bằng một phần tư thép, nhưng nó mạnh hơn thép và có đặc tính chống ăn mòn và mô đun cao.

Lợi ích của sợi carbon

1. Với độ bền cao và mô đun cao, vật liệu composite sợi carbon là vật liệu cơ thể có trọng lượng nhẹ và độ bền cao lý tưởng nhất.

   
   

2. Khi vật liệu composite sợi carbon gặp va chạm, thay vì hấp thụ năng lượng thông qua biến dạng nhựa, nó biến thành vô số mảnh nhỏ, do đó có thể hấp thụ một lượng lớn năng lượng va chạm, gấp khoảng 4 lần so với kết cấu thép và có độ an toàn cao.

   
   

3. Vật liệu composite sợi carbon rất dễ tạo hình, có nghĩa là, nó dễ dàng tạo thành hình dạng phù hợp với nguyên tắc động để đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ và bề mặt nhẵn, do đó có thể tiết kiệm các quy trình sơn và xử lý cơ thể phức tạp và rườm rà và giảm chi phí nhất định.

   
   

4. Khi vật liệu composite sợi carbon được hình thành, các vật liệu khác nhau có thể được hình thành toàn bộ, điều này có lợi hơn cho việc mô-đun hóa và tích hợp ô tô trong quá trình sản xuất.

   
   

5. Vật liệu composite sợi carbon không hòa tan trong dung dịch axit, dung dịch kiềm và dung dịch hữu cơ, tính chất hóa học của nó ổn định, do đó, nó có khả năng chống ăn mòn tốt, tuổi thọ cao, hầu như không cần bảo trì, chi phí bảo trì thấp.

   
   

6. Vật liệu composite sợi carbon có độ bền cao, mô đun cao, không leo và các tính năng khác, có thể được sử dụng để sản xuất cấu trúc trục truyền. Với sức mạnh và độ cứng cực cao, thân LP700-4 Lamborghini đầu tư cũng rất an toàn.

Đĩa phanh và má phanh của xe F1 cũng được làm từ vật liệu composite sợi carbon, làm cho đĩa phanh của xe F1 cao hơn nhiều so với những chiếc xe dân dụng thông thường về hiệu suất và giá cả.

Tuy nhiên, sợi carbon cũng có những hạn chế riêng.

1. Hoạt động tốn thời gian, sản xuất hàng loạt nhỏ và phát triển thiết kế và quy trình khó khăn.

   
   

2. Chi phí vật liệu cũng rất cao, với LFA cho thân xe và khung gầm bằng sợi carbon đầy đủ có giá lên tới 300.000 bảng, gần bằng giá của Ferrari 458 và Range Rover.

   
   

3. Nó là một vật liệu giòn, về cơ bản không thể sửa chữa sau khi bị hư hỏng, trong khi độ bền cao của sợi carbon bị giới hạn ở trục, độ bền xuyên tâm của nó tương đối mỏng manh, (vì vậy thường sử dụng độ bền kéo nhẹ hơn của nó để tránh làm vòng bi bên.

   
   

4. Mối liên hệ giữa sợi carbon và các vật liệu khác cũng là một vấn đề. Nếu sử dụng bu lông truyền thống, dễ bị nứt xung quanh kết nối.

   
   

5. So với hợp kim nhôm, sợi carbon không thể được tái chế.

Là thành phần chính của cản xe, dầm chống va chạm ô tô là bộ phận chịu lực và hấp thụ năng lượng quan trọng nhất trong các vụ va chạm tốc độ thấp, có thể bảo vệ hành khách và các bộ phận xung quanh. Vật liệu composite sợi carbon có mật độ thấp, cường độ cụ thể cao, mô đun cụ thể lớn và hấp thụ năng lượng va chạm tốt. Sau khi thiết lập mô hình va chạm theo yêu cầu liên quan, dầm va chạm thép và dầm va chạm composite sợi carbon được thử nghiệm và mô phỏng va chạm được thực hiện để phân tích sự hấp thụ năng lượng của cả hai vật liệu. Kết quả cho thấy năng lượng hấp thụ cụ thể của sợi carbon là thép. Giảm cân 71,4% Đặc tính hấp thụ năng lượng và hiệu ứng trọng lượng nhẹ được cải thiện đáng kể.

Ví dụ: Chevrolet Corvette Stingray 2020 đã thiết kế và xây dựng dầm chống va chạm bằng sợi carbon ép đùn đa rỗng đầu tiên trong ngành công nghiệp ô tô, cung cấp sự bảo vệ mạnh mẽ cho phần sau và phần thân mở rộng của Stingray, trong khi các đặc tính nhẹ của nó cũng cải thiện đáng kể khả năng xử lý và tiết kiệm nhiên liệu của Stingray.

Con người cũng sử dụng rất nhiều sợi carbon trong cơ thể. So với những nhược điểm của sợi carbon đã đề cập trước đó, phương pháp ứng dụng và công nghệ của BMW i-Series trên thân xe đã thành công trong việc tránh và giải quyết một số vấn đề. BMW i-Series sử dụng vật liệu sợi carbon cho một khu vực rộng lớn của cấu trúc cơ thể. Hội thảo thể hình mới tại nhà máy Leipzig kết nối các thành phần nhựa composite gia cố bằng sợi carbon với nhau để tạo ra cấu trúc cơ bản của mô-đun Life.

Vật liệu composite gốc nhựa

Vật liệu composite dựa trên nhựa không chỉ có thể làm giảm chất lượng bộ phận xuống 40%, mà còn giảm chi phí sản xuất khoảng 40%. Hiện nay, vật liệu tổng hợp nhựa gia cố sợi thủy tinh và vật liệu tổng hợp nhựa gia cố sợi carbon đã được sử dụng thành công trong ô tô và được sử dụng rộng rãi trong nội thất và ngoại thất ô tô.

Vật liệu composite nhựa gia cố sợi thủy tinh (GFRP) có khả năng chống ăn mòn tốt, cách nhiệt tốt, đặc biệt là độ dẻo tốt, yêu cầu khuôn thấp, công nghệ xử lý khuôn để sản xuất vỏ bọc cơ thể lớn rất đơn giản, chu kỳ sản xuất ngắn và chi phí thấp. Đối với xe sedan và xe khách, các thành phần như vỏ bọc cơ thể, vỏ bọc tường phía trước và phía sau của xe khách và cabin xe tải được sản xuất bằng composite nhựa gia cố sợi thủy tinh.

Vật liệu composite dựa trên nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) có một loạt các ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, độ bền gãy cao, khả năng chống ăn mòn, khả năng thiết kế mạnh mẽ, dễ tạo hình và giảm rung tốt. Nó không chỉ có thể đáp ứng độ cứng và trọng lượng nhẹ của các thành phần, mà còn có những ưu điểm rõ ràng về an toàn xe và là một vật liệu trọng lượng nhẹ đầy hứa hẹn cho ô tô. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm như chi phí cao và chu kỳ hình thành dài.

Hiện nay, các tấm hướng dẫn không khí cơ thể, các tấm cánh phía trước và các phần mở rộng cánh phía trước, bìa đèn pha, nắp ca-pô, dải trang trí, tấm đuôi, v.v., tăng cường gân cơ thể, v.v., được sản xuất bằng công nghệ đúc truyền (RTM).