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发布时间:2023-06-18 20:16:13
碳纤维复合材料提升电动汽车轻量化及安全性能
日本东丽公司(Toray)近日对外公开了其最新花费3亿日元(约2451.3万元人民币)研发的电动汽车TEEWAVE AR1概念车。该车骨架采用碳纤维强化树脂(CFRP)材料,从而使车身重量大幅度降低。东丽公司是在其内部展会“东丽尖端材料2011”上公开这一讯息的。
东丽公司目前是全球最大的碳纤维及产品生产商之一,占据全球碳纤维市场30%以上的份额。其碳纤维产品包括飞机部件、人造卫星天线,以及高尔夫球棒等橄榄油。此次推出概念版TEEWAVE AR1电动汽车,旨在引爆“汽车设计的革命”,因此在制造时非常重视材料的实用性。
TEEWAVE AR1寓意为:东丽准备赶上开发环保高效汽车的浪潮(T隔膜阀EE即Toray Eco Efficient的简称,WAVE即浪潮,AR1即Advanced Roadstar 1)。 TEEWAVE AR1由英国Gordon Murray Desing公司设计,该车是是两人座的敞篷式电动汽车,其长宽高为3975×1766×1154mm,车辆重量为846kg,其中锂离子电池重量为220kg。在JC08模式下,其耗电量为耗电量为11.6km/kWh,续航里程为185km。
TEEWAVE AR1使用了约160Kg的碳纤维强化树脂(CFRP),在超越普通同款式车辆的刚性、碰撞安全性的同时,减少了550kg左右的钢板用量。据东丽公司介绍,碳纤维强化树脂(CFRP)包含在母材上使用热固性树脂的CFRTS和使用热可塑性树脂的CFRTP两种。
其中,CFRTP是在树脂中掺入短纤维,其机械特性逊于CFRTS,但是挤压成形的耗时较短,且易于加工。而CFRTS是长纤维的织物浸渗于环氧树脂凝固而成,虽然成形耗时较长,但是其强度/刚性较高。TEEWAVE AR1概念版电动汽车充分考虑了材料特性及车身不同部位的特点,从而使得车子的轻量化和性能提升二者兼顾。
在设计方面,车内乘员空间采用刚性出色的CFRTS单体构造,能够将复杂的形状一体成形,因此该单体车身仅有3个构造组件,数量仅为采用钢材车辆的5%,而整体构造重量仅为45千克左右,远远低于采用钢材车辆的50%。
车辆的前后的防撞箱子,扮演着冲撞时吸收能量的角色,亦采用CFRTS材料。这种材料的防撞箱比钢板防装产品,平均单位重量的能量吸收约高2.5倍。不仅有效减少了组件重量,也显著提高了冲撞是的安全性。
车顶或罩板等板状组件,其骨架部分的机械特性要求不高,可以选用低成本、短时间成形的CFRTP。CFRTP制板状件的周期时间约是1分钟左右,可以缩短汽车组装工程在节拍时间之内。
根据东丽公司的资料,CFRTS制的单体车身构造,强度与刚性出色,能够在多个车种上采用。目前,Toray采用高循环一体成形法进行开发CFRTS。该方法能够将成形周期由现在的10分钟缩短至5分钟。关于单体车身构造,若是以多种车型共享为前并显示冲击吸收功、冲击键盘韧性、摆锤的旋转角度及打印实验报告等提,能够把周期缩短至3分钟,将会被汽车业制造商广泛接受。
目前主流的汽车材料是钢与树脂,而CFRP却是拥有迥然相异的材料性质。这个性质就是各向异性。特别是使用长纤维的CFRTS,依据其方向诸如强度等的机械特性会大幅地变化。与纤维垂直的方向是较弱的,但若是善用这个性质,从来未见的崭新设计是很有机会出线。
但是对于长年使用钢、树脂等方性材料的多数汽车设计者来说,对于各向异性材料的CFRP,却知之甚少。若是与钢、树脂比较,CFRP每单位重量的机械特性都超越前二者;在材料成本与成形时间上却相距甚远。即使缩短了这个差异,也很难考虑到逆转的事情。
东丽公司一高层表示:汽车业界几乎没有对于各向异性材料纯熟掌握的设计者。因此,身为材料制造商的Toray,若置换原有年产5万吨氧化铝的烧结法和40万吨氧化铝的后加矿系统产能不完整开发汽车来介绍CFRP的可能性,将会有CFRP不被采用的危机意识。东丽将碳纤维定位为“战略性扩大业务”,汽车是最有望大量应用这种材料的领域,公司计划通过概念车扩大汽车厂手表商对碳纤维的应用。
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