在当今全球对环境保护与可持续发展高度聚焦之际,新能源汽车以其绿色出行的特质,勇立汽车行业发展潮流的潮头。而轻量化材料无疑在新能源汽车的蓬勃发展中扮演着关键角色,其中纤维增强树脂基复合材料的应用更是格外耀眼。现阶段,新能源汽车频繁使用的纤维增强树脂基复合材料主要分为以下几大类:
一、碳纤维增强复材(CFRP)
CFRP 由碳纤维与聚合物树脂精妙复合而成,具备质量轻盈、比强度与比模量超群、耐疲劳、耐摩擦、耐水蚀、耐腐蚀、易成型以及可设计性强劲等诸多闪光点,堪称目前轻量化成效最为卓越的材料之一。
其应用领域极为广泛,全面覆盖汽车车身、内外饰、底盘以及动力系统等各个方面。然而,由于成本高昂且零部件加工难度巨大,当前仅在少数高端车型中得以应用。
二、玻璃纤维增强复材(GFRP)
GFRP 由玻璃纤维和聚合物树脂完美融合。与碳纤维相比,玻璃纤维成本更低,虽力学性能略逊一筹,但相较于传统塑料,优势依然十分显著。凭借其低密度的特性,GFRP 顺势成为当下轻量化的理想材料之一。
目前在众多汽车零部件上实现了大量应用,涵盖车身结构件、覆盖件、电池系统等。例如,部分新能源汽车的车身覆盖件采用 GFRP,既成功降低了车身重量,又有效提高了车辆的耐久性。
三、玄武岩纤维复材
玄武岩纤维增强复材是以天然玄武岩拉制连续纤维增强树脂的复合材料,乃是近几年迅速崛起的新兴热点。玄武岩纤维在轻量化、性能和成本方面实现了完美兼顾,其制备过程相较于传统纤维更加环保,强度高于一般玻纤复材,成本低于碳纤维,综合优势一目了然。
尽管目前玄武岩纤维复材尚未形成完整的产业链,技术储备也稍显不足,零件实际应用经验较为匮乏,但随着近几年在该领域的持续投入,未来在新能源汽车上的应用前景必将大幅拓展。
新能源汽车与传统燃油车的最大差异集中在三电系统,而纤维增强树脂基复合材料在该系统中的动力电池、储氢罐、电机等方面均已拥有成熟的应用。
动力电池
动力电池作为三电系统的核心部件,其质量占整车系统质量的 18% - 30%。为了实现轻量化并提高电池包的能量密度,部分车型的电池箱体上盖和底护板采用了树脂纤维复材。
目前,大部分树脂纤维复材上盖采用 SMC 模压成型,但 SMC 的力学性能稍低且防火性能相对较弱。为了提升力学性能和防火性能,并进一步实现轻量化,近几年部分车型开始采用连续纤维增强的复合材料。
电池箱底护板当前主要是钢板冲压成型。随着轻量化技术的不断发展,一些车型开始尝试树脂纤维复材 + 钢板复合结构的方案,如复材钢护板、蜂窝钢护板、GMT 钢护板等。
储氢罐
氢能源作为新能源汽车的重要发展方向之一,通过高压储氢瓶储存的氢气作为动力来源。目前 III 型瓶内衬采用铝合金材料,IV 型瓶内衬采用高性能塑料(质量更轻),纤维缠绕层则多选用碳纤维缠绕成型。
早在 2018 年就有相关报道,丰田的氢燃料电池轿车 Mirai 的众多核心部件使用了碳纤维或其复合材料。例如氢燃料电池中的碳纤维纸作为正极材料,以及碳纤维储氢罐和地板材料等都采用了碳纤维复合材料,充分展示了碳纤维复合材料在新能源汽车高端车型中的卓越应用,为新能源汽车的轻量化和高性能发展指明了方向。
电机
CFRP 在高性能电极上的应用已然成为热点。CFRP 具有不导磁、高比强度、热膨胀系数小、密度低以及电导率低等优点,是未来电机小型化、高速化、高效率的主要解决方案。
车身应用
树脂纤维复材非常适合大型结构件的轻量化应用。车身结构件对强度、刚度要求较高,因此主要选用模量、强度更高的 CFRP。但由于成本较高,普通车型开发难以承受,目前一些车型采用 CFRP 补强车身的混合结构方案。车身覆盖件则倾向于成本更低的方案,如热塑性 CFRP 材料或短纤维增强塑料材料。
汽车内外饰件基本以传统的 PP、ABS 等塑料件为主,对采用高强度纤维增强复材实现轻量化的需求较小。但 CFRP 零部件成本高、技术难度大,往往代表着科技与豪华,许多车型在高配车型上开发 CFRP 运动套件。
CFRP 由于其极高的强度和模量,一直是底盘零件轻量化的主要研究对象,但因成本较高,在新能源车型上量产应用较少。GFRP 则更适合底盘的运动零部件,如板簧、制动踏板等,都有成熟的量产应用。(来源:互联网)
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