Tecnología de aplicación de fibra de carbono para automóviles de bajo coste
Se puede decir que los materiales compuestos de fibra de carbono para automóviles (CFRP) son el material estrella en el desarrollo del aligeramiento del automóvil. En los últimos años, la industria también ha continuado la investigación sobre la aplicación de este material de "oro negro". para desarrollarse. Con el debut de dos modelos nacionales de piezas compuestas de fibra de carbono producidos en masa, Qiantu K50 y NIO ES6, ¡las marcas independientes han entrado en la era de la producción en masa de aplicaciones de fibra de carbono! Al mismo tiempo, el ámbito de aplicación de los materiales compuestos de fibra de carbono también se está ampliando. Se extiende desde la carrocería y los sistemas de decoración interior y exterior hasta el chasis y el sistema del tren motriz y se extiende desde los materiales de la cubierta exterior hasta los materiales de las piezas estructurales o los materiales de refuerzo estructural. Sin embargo, el elevado coste de la fibra de carbono sigue siendo un factor importante que limita su desarrollo. En la actualidad, la fibra de carbono para automóviles de calidad comercial es principalmente fibra de carbono a base de PAN, y sus problemas de alto costo se centran principalmente en el mayor costo de producción del precursor de PAN y el largo proceso de producción. Por lo tanto, la principal forma de reducir el costo del CFRP para automóviles es reducir el costo de los precursores de fibra de carbono para automóviles y buscar procesos de producción de fibra de bajo costo y procesos de preparación de CFRP de bajo costo.
1. Proceso de producción de remolque grande
Generalmente, la fibra de carbono por encima de 48K se denomina fibra de carbono de remolque grande. Las ventajas de rendimiento de la fibra de carbono de remolque grande se encuentran principalmente en los dos aspectos siguientes: ( 1) La fibra de carbono de remolque grande tiene requisitos de calidad más bajos para los filamentos en bruto de PAN que los remolques pequeños, por lo que se pueden utilizar filamentos de PAN civiles. (2) El costo de fabricación de la fibra de carbono de remolque grande es aproximadamente el 60% del de la fibra de carbono de remolque pequeño.
Sin embargo, la dificultad en la producción de fibras de carbono de gran tamaño radica en la acumulación de fibras de gran tamaño, un efecto deficiente de extensión del hilo, dificultad para la infiltración uniforme de las láminas de gasa y dificultad para cumplir con los requisitos de la estructura del producto. el diseño en el grosor y la calidad de las láminas de gasa; la lana del hilo a menudo aparece durante el proceso de extensión del hilo, lo que resulta en caos y rotura del hilo, lo que afecta la eficiencia de la producción y la apariencia del material no se puede convertir de manera efectiva y el rendimiento del producto es inestable.
Mitsubishi y Toray de Japón son representantes típicos de los primeros maestros de la tecnología de fabricación de bajo costo de fibra de carbono de gran tamaño. En los últimos años, empresas nacionales como Shanghai Petrochemical, Geely Petrochemical, Guangwei Composite Materials, Lanzhou Fiber, etc. también han desarrollado sucesivamente esta tecnología de punta y ahora han logrado la localización de fibra de carbono de gran remolque.
2. Desarrollo de precursores de fibra de carbono de bajo costo.
Los datos relevantes muestran que el precio del PAN representa aproximadamente el 50% del costo de producción de fibra de carbono. Por lo tanto, los fabricantes nacionales y extranjeros de fibra de carbono también han comenzado a buscar materias primas de menor costo distintas del PAN para preparar fibras de carbono. Estados Unidos, Japón y otros importantes países fabricantes de fibra de carbono para automóviles han desarrollado materiales alternativos de bajo costo, incluidos polímeros de poliolefina, lignocelulosa, fibras fenólicas electrohiladas, textiles acrílicos por radiación, etc. Por ejemplo, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en los Estados Unidos extrajo lignina del líquido de desecho de la pulpa y fabricó fibra de carbono de bajo costo mediante hilado por fusión y carbonización. El costo de producción se puede controlar a 4 ~ 5 $/kg. Dow Chemical "vaporiza" el polietileno y otras fibras en un estado libre de oxígeno, organiza o teje las fibras de carbono en láminas sobre una superficie plana y luego las refuerza con resina para convertirlas en CFRP. Los institutos de investigación suecos Innventia y Swerea SICOMP también afirman ser capaces de crear laminados de CFRP tejidos que pesan alrededor de 1,8 g basándose 100% en precursores de lignina de madera blanda.
3. Tecnología híbrida de fibra de carbono
La mezcla de fibra de carbono con otras fibras puede complementarse entre sí en rendimiento y reducir eficazmente los costos de producción. Por ejemplo, mezclar fibra de carbono con fibra de vidrio, fibra de aramida, etc., mediante un diseño estructural razonable, puede reducir los costos de producción manteniendo el alto rendimiento original del material.
4. Proceso de preoxidación
El largo tiempo de preoxidación en el proceso de producción de fibra de carbono conduce a un ciclo de producción largo y también es una razón importante para el alto costo del carbono. producción de fibra. En la actualidad, se han realizado estudios sobre el uso de tratamientos físicos como rayos ultravioleta y rayos X en precursores de PAN, o el uso de tratamientos químicos como KMnO4 y C6H5COOH para reducir la temperatura de ciclación y acortar el tiempo de preoxidación. En términos de tecnología, los parámetros del proceso como la temperatura, el tiempo y la atmósfera del gas se pueden cambiar para mejorar el rendimiento de la fibra de carbono.
El coste de fabricación de los materiales compuestos de fibra de carbono se compone principalmente de dos aspectos. La primera razón es que los equipos de moldeo como el autoclave y la laminación automática son costosos, y la segunda razón es que el largo tiempo de moldeo de los materiales compuestos resulta en el consumo de mano de obra y recursos materiales. Por lo tanto, los materiales de resina y los nuevos procesos de moldeo basados en un moldeo eficiente serán una forma importante de optimizar el bajo costo de los materiales compuestos de fibra de carbono.
La resina epoxi es la primera opción para los compuestos de fibra de carbono debido a su excelente resistencia y módulo de unión, resistencia a la fluencia, alta tenacidad y buena resistencia a la fatiga. American Hexion y Dow Automotive Systems han lanzado sucesivamente dos tipos de resinas epoxi que pueden "curarse instantáneamente" en 60 segundos. Entre ellos, Hexion lanzó la resina epoxi EPIKOTE TRAC06170 y el agente de curado EPIKURE TRAC06170 para procesos de moldeo por transferencia de resina (RTM) y moldeo por compresión líquida (LCM), que solo requieren 20 segundos de tiempo de inyección de resina (RTM o LCM) y 40 segundos de tiempo de curado para completarse. Moldura compuesta.
La resina VORAFORCE lanzada por Dow para el proceso LCM puede aplicar directamente la resina de manera uniforme sobre la preforma de fibra seca y usar presión para infiltrar uniformemente la tela de resina en la dirección del espesor.
Gurit UK también ha lanzado una resina epoxi de "curado instantáneo". Su formulación de resina se utiliza principalmente para preimpregnaciones de kits y procesos de estampado en caliente. Aunque el ciclo de curado de este proceso dura 5 minutos, se informa que la superficie de las piezas fabricadas puede alcanzar el Grado A sin necesidad de posprocesamiento del molde.
Huntsman Advanced Materials también anunció el lanzamiento de una resina epoxi de curado rápido. Según Huntsman, la resina se puede curar en sólo 30 segundos a 140°C, lo que hace posible el proceso de moldeo del composite en 1 minuto. Con este fin, Huntsman también ha desarrollado el moldeo por compresión dinámica de fluidos (DFCM) para combinar con la resina, lo que puede eliminar la necesidad de moldeo por inyección a alta presión y, en muchos casos, el proceso de preimpregnado de fibra. En comparación con el moldeo por compresión húmeda (WCM) convencional, una de las principales ventajas de este proceso es que puede reducir el espacio entre las capas laminadas, la porosidad del compuesto es inferior al 1% y el rendimiento es comparable al proceso RTM de alta presión. y se pueden lograr compuestos con un contenido de volumen de fibra (FVC) de hasta el 66 % sin condiciones especiales de procesamiento.
El reciclaje y reutilización de materiales compuestos de fibra de carbono es un método eficaz para reducir el coste del uso de la fibra de carbono y aumentar su valor añadido económico. En la actualidad, la investigación sobre métodos de reciclaje de fibra de carbono también se actualiza constantemente, como el craqueo térmico a alta temperatura, el método de lecho fluidizado de oxidación, la tecnología de fluidos supercríticos, etc.
En términos de aplicación, Ford utilizó materiales compuestos de polipropileno PP reforzado con fibra de carbono reciclado en su SUV Explorer 2018 para la parte rígida del soporte del pilar A, reemplazando el material ASA original.