了解碳纤维复合材料对汽车的潜力

汽车制造商有很大的动力来提高燃油效率。

由于燃油成本持续上涨,通勤时间变长,客户希望获得更好的每加仑里程数(英里/加仑),并且在购买汽车时往往将耗油量作为关键因素。

此外,美国现行法规规定,到2025年,平均燃油经济性标准必须达到每加仑54.5英里,比现在要求的35.5英里每加仑提高60%。

制造更省油的车辆的一个潜在途径是制造更轻量化的车辆。根据美国能源部(DOE)的数据,将车辆的重量减轻10%,可使燃油经济性增加6%至8%。

碳纤维复合材料是替代汽车上最重要的轻质材料系统之一。

除了更轻,碳纤维复合材料还赋予工程师更多的设计自由度比传统的材料,使他们能够产生不同的形状和结构。

但是,碳纤维复合材料并非没有挑战。

由于碳纤维复合材料依赖于复杂的特征,例如纤维负载以及由于制造过程在材料中发生的纤维长度分布和纤维取向,所以材料的性质比金属更复杂。

西北太平洋国家实验室(PNNL)材料科学家兼研究负责人Leonard Fifield博士说,测试也是一个挑战。

Fifield说:“碳纤维复合材料与金属材料非常不同,因为碳纤维复合材料不是由相同的材料制成,而是由不同的材料混合而成。“传统测试碳纤维复合材料的一个挑战是测试样品结果的外推。如果你正在制造一个钢制零件,也许你可以测试一个小的钢制试样,你可以知道整个零件的期望。但是,如果您有碳纤维增强复合材料零件,则可能在零件的不同位置具有不同的属性。所以如果你只是拿一个测试样本,它可能不代表整个部分的属性。

由于这个挑战,单个部件必须进行模制,生产和测试以了解性能。

来自工业界和学术界的专家组由Fifield等领导,正在努力解决这些问题,开发用于设计新型,经济和轻量级汽车复合材料的预测工程工具。

包括丰田,一级生产商Magna,长碳纤维材料和技术供应商PlastiComp,建模软件供应商Autodesk以及来自伊利诺伊大学,普渡大学和弗吉尼亚理工大学的研究合作伙伴的代表包括丰田,车辆技术轻质材料项目办公室。团队一起创建了成功预测复杂碳纤维热塑性塑料部件的纤维取向和长度分布的软件工具。

“能源部正在寻找一种碳纤维复合材料预测工具的演示,”Fifield说,“我们的目标是证明和验证现有的工具。我们把这个过程的不同部分放在一起,并展示他们长碳纤维复合材料。像软件一样,工具在这个过程中得到了改进。“

该软件旨在为希望更好地了解这些材料性能的汽车公司提供商业上可用的软件。

使用工程软件,制造商将能够“看到”建模的碳纤维复合材料设计的结构特性在成型之前是什么样的。这些工具使制造商和汽车零部件设计人员能够以更快的速度尝试和探索新的想法。

为了预测模制组件中的纤维取向和纤维长度分布,模制长碳纤维组分,并提取纤维用于测量。

然后研究人员将模拟软件的预测性能与模塑纤维的测试结果进行比较,以验证软件和模型的准确性。他们发现该软件工具成功地预测了所有情况下的纤维长度分布以及88%的纤维取向。

他们还分析了长碳纤维部件与标准钢和玻璃纤维复合材料的性能收益和成本。PNNL发现,碳纤维增强聚合物复合材料技术的研究可以减少20%以上的车身系统的重量。

但是,他们发现碳纤维成分的生产成本目前是钢材的10倍以上。

Fifield解释说:“成本与材料本身(碳纤维)有关,也与加工有关。循环时间确实占据了生产零件的成本。“

他说,降低成本的一个办法是减少生产时间。

“对于高性能碳纤维复合材料来说,他们需要时间来治疗,所以如果需要五分钟的时间来制造零件,那就是汽车生产时间。他们希望能够在一分钟或更短时间内参与进来。这实际上是碳纤维复合材料部件在车辆市场渗透的障碍。如果在相同的时间内可以用同样的设备制造更多的零件,那么每个零件都将会更便宜。“

Fifield指出,能源部的研究重点已从减少碳纤维成本转为缩短循环时间,从而降低生产成本。

他说:“这是目前研究的一个活跃领域。“你可能会这样做的一些方法是开发有效的树脂,可以更快地固化,或者有更多的方法来控制成型过程中的热量。”

使用预测工具更好地优化工艺和结构也可以显着降低生产成本,为碳纤维在汽车中的应用铺平道路。

Fifield说,下一步是改进预测工具。

该团队能够使用该软件来预测零件生产过程的结果,然后预测该零件的刚度。然而,尽管车辆上的许多部件是由刚性驱动的,但更多的部件是强度驱动的,Fifield说。他说,不了解碳纤维复合材料的强度会导致过度设计和安全限制。

Fifield说:“预测力量要复杂得多,而且还不存在这样的工具。“这将是这项研究的下一步,开发预测力量的工具。我们需要开发工具来预测强度等其他属性并优化生产流程。现有的研究需求包括了解过程的热特性,控制过程,最小化所需时间和最大化性能。“

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