上海依肯機(jī)械設(shè)備有限公司
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碳(石墨)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用
碳(石墨)纖維具有比重小、強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕等特點,可用于制造碳(石墨)纖維增強(qiáng)聚合物、金屬、陶瓷基復(fù)合材料,是先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造汽車車身、發(fā)動機(jī)零件等,可有效降低汽車自重并進(jìn)步汽車性能,是當(dāng)前汽車材料輕量化的重要研究發(fā)展方向之一。本文將簡述碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能特點,及其在汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的遠(yuǎn)景和存在的題目。
上海依肯最新研發(fā)的研磨分散機(jī)特別適合于需要研磨分散均質(zhì)一步到位的物料。是將IKN/依肯膠體磨進(jìn)行進(jìn)一步的改良,在原來CM2000系列研磨分散機(jī)為立式分體結(jié)構(gòu),精密的零部件配合運轉(zhuǎn)平穩(wěn),運行噪音在73DB以下。同時采用德國博格曼雙端面機(jī)械密封,并通冷媒對密封部分進(jìn)行冷卻,把泄露概率降到低,保證機(jī)器連續(xù)24小時不停機(jī)運行。在膠體磨的基礎(chǔ)上,將單一的膠體磨磨頭模塊,改良成兩級模塊,加入了一級分散盤。
研磨分散機(jī)的特點:
更穩(wěn)定 采用優(yōu)化設(shè)計理念,將先進(jìn)的技術(shù)與創(chuàng)新的思維有效融合,并體現(xiàn)在具體的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中,為設(shè)備穩(wěn)定運行提供了保證.
新結(jié)構(gòu) 通過梳齒狀定子切割破碎,縫隙疏密決定細(xì)度大小,超高線速度的吸料式葉輪提供超強(qiáng)切割力,纖維濕法研磨破碎可達(dá)400目.
更可靠 采用整體式機(jī)械密封,最大程度上解決了高速運轉(zhuǎn)下的物料泄漏以及冷卻介質(zhì)污染等問題,安裝與更換方便快捷.
新技術(shù) 采用國際先進(jìn)的受控切割技術(shù),將纖維類物料粉碎細(xì)度控制在設(shè)定范圍之內(nèi),滿足生產(chǎn)中的粗、細(xì)及超細(xì)濕法粉碎的要求.
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,減少燃料消耗和降低對環(huán)境的污染已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展急需解決的關(guān)鍵題目。汽車的燃料消耗和CO2廢氣的排放量與汽車重量存在密切的關(guān)系,美國能源部相關(guān)研究表明,美國現(xiàn)有的汽車,如減重25%,天天可節(jié)省750,000桶燃油,每年CO2的排放量可減少1.01億噸,因此汽車輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。除了對汽車各種零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)外,采用高性能輕質(zhì)材料是實現(xiàn)汽車輕量化的一條重要途徑。如選用鋁、鎂、鈦、高強(qiáng)度鋼、工程塑料和復(fù)合材料等,用以制造汽車車身、底盤、發(fā)動機(jī)等零部件,可以有效的減輕汽車自重,進(jìn)步發(fā)動機(jī)效率。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量,已在航天航空等領(lǐng)域廣泛使用,是制造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)零部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。它也是適用于制造汽車主結(jié)構(gòu)――車身、底盤最輕的材料,受到汽車產(chǎn)業(yè)廣泛重視。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價格昂貴,嚴(yán)重影響其在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。因此,發(fā)展廉價的碳纖維和高效率碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的關(guān)鍵課題,美國、日本等已將其列為汽車輕量化材料的研究計劃。
碳纖維及復(fù)合材料的性能特點
碳(石墨)纖維是以有機(jī)纖維――聚丙烯晴(PAN)纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過程制備而成,由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)成,因而具有很高的強(qiáng)度和彈性模量(剛性)。它的比重一般為1.70~1.80g/cm3,強(qiáng)度為1200~7000MPa,彈性模量為200~400GPa,熱膨脹系數(shù)接近于零,甚至可為負(fù)值(~1.5×10-6)。各種類型的碳纖維性能見表1。
碳纖維同時具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能。這些優(yōu)良的綜合性能使碳纖維成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)纖維,可以用來增強(qiáng)聚合物(熱固性、熱塑性聚合物)組成高性能聚合物基復(fù)合材料;增強(qiáng)鋁、鎂、銅等金屬組成碳/鋁、碳/鎂、碳/銅等金屬基復(fù)合材料;增強(qiáng)碳、陶瓷組成耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料可以通過基體、纖維的選擇、碳纖維含量和分布的優(yōu)化設(shè)計做成性能能夠滿足多種要求的各種高性能構(gòu)件,滿足航天航空、電子信息、汽車等領(lǐng)域的需求。圖2是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼、鋁、鈦等常用工程材料的強(qiáng)度、比模量的比數(shù),可見碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量高出常用材料數(shù)倍,特別是碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯高出常用的工程材料。
由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度,其適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40~60%,相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3~1/6。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究,結(jié)果表明碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身重172kg,而鋼制車身重量為368kg,減重約50%。并且當(dāng)生產(chǎn)量在2萬輛以下時,采用RTM工藝生產(chǎn)復(fù)合材料車身本錢要低于鋼制車身。但由于碳纖維本錢過高,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限,僅在一些F1賽車、高級轎車、小批量車型上有所應(yīng)用,如BMW公司的Z-9、Z-22的車身,M3系列車頂蓬和車身,GM公司的Ultralite車身,福特公司的GT40車身、保時捷911 GT3承載式車身等。
為進(jìn)步碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的用量,美國、歐洲、日本等通過加緊研究廉價碳纖維的原絲(高品級聚丙烯晴絲)和碳纖維的低本錢、高速率的生產(chǎn)工藝,使碳纖維的價格降低到約3美元/磅。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已用于賽車、重卡、混合動力車的各種零部件的生產(chǎn)。
碳纖維復(fù)合材料在汽車中廣泛應(yīng)用的障礙和解決途徑
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用目前存在一些技術(shù)障礙和題目急需研究解決。
1. 本錢題目。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價格高,是該材料在汽車產(chǎn)業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)碳纖維的原絲――聚丙烯晴絲較貴,美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲并能夠快速生產(chǎn)廉價碳纖維的工藝,可看將碳纖維的價格降至3美元/磅。
2. 缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的生產(chǎn)方法。
需研究法政能夠生長多種外形和性能的汽車零部件工藝方法,由于汽車行業(yè)特點,要求工藝本錢要低,生產(chǎn)率要高。研究發(fā)展高效、低本錢的復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝意義重大。
3. 缺乏復(fù)合材料的快速、大批量連接技術(shù)。
4. 復(fù)合材料汽車零部件的回收再利用題目。
碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料的回收尚存在一定題目,有待解決。
5. 復(fù)合材料汽車零件的設(shè)計數(shù)據(jù)、試驗方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。
碳纖維復(fù)合材料具有足夠的強(qiáng)度和剛度以及優(yōu)良的綜合性能,它的應(yīng)用將可大幅度降低汽車自重達(dá)40~60%,對汽車輕量化具有十分重要的意義,已成為汽車輕量化材料的重要發(fā)展方向。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價格仍比較昂貴,大批量、高效率生產(chǎn)汽車零部件的工藝方法仍需要進(jìn)一步發(fā)展、完善。這些因素使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用還有限。國際上已將碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用列為汽車輕量化材料發(fā)展計劃的關(guān)鍵內(nèi)容,并取得了重大進(jìn)展,預(yù)期在2010年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將在汽車中大量應(yīng)用。
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