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Introduzione

I compositi in fibra di carbonio sono compositi ad alte prestazioni realizzati in resina, metallo e ceramica come matrice e fibra di carbonio come rinforzo mediante metodi avanzati di stampaggio composito. I polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono il materiale principale utilizzato per le applicazioni automobilistiche, che presenta una serie di vantaggi come la bassa densità, l'alto modulo e l'elevata resistenza specifica. Pertanto, è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, nella generazione di energia eolica, nel tempo libero e nello sport, nei campi militari e in altri campi. Negli ultimi anni, con l'inquinamento sempre più grave dell'ambiente globale, "il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni, lo sviluppo dell'economia a basse emissioni di carbonio" hanno formato un elevato consenso nell'ambito globale. L'alleggerimento delle automobili può ridurre efficacemente il consumo di energia e le emissioni di gas di scarico. Il CFRP è un eccellente materiale leggero con resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, assorbimento degli urti e altre proprietà, ei suoi prodotti hanno un aspetto fresco. Pertanto, è sempre più favorito dagli ingegneri automobilistici. Al fine di promuovere l'applicazione del CFRP nelle automobili, negli ultimi anni molte università e imprese hanno anche svolto ricerche sull'applicazione del CFRP nelle automobili.

02
Applicazione di CFRP nello scheletro del corpo

Grazie alla sua bassa densità, all'alto modulo e alla resistenza specifica, il CFRP è spesso adatto per applicazioni di alleggerimento di parti strutturali di grandi dimensioni. Essendo il sistema che contribuisce maggiormente alla massa dell'intero veicolo, lo scheletro della carrozzeria è l'obiettivo più importante per l'alleggerimento del CFRP e la prima applicazione del CFRP. General Motors ha sviluppato la concept car con struttura scheletrica della carrozzeria ultraleggera in CFRP già nel 1992 e la carrozzeria i3 della BMW lanciata nel 2013 utilizzava l'abitacolo in CFRP, che ha innescato il boom della ricerca dell'applicazione CFRP. Da allora, l'applicazione del CFRP nello scheletro della carrozzeria si è gradualmente estesa dalle auto super sportive alle auto di lusso e ai veicoli di nuova energia. L'abitacolo della BMW i3 è composto da 34 parti CFRP, 13 delle quali sono stampate integralmente (incluse 48 preforme), raggiungendo un alto grado di integrazione, come mostrato nella Figura 1. Il corpo laterale dell'i3, ad esempio, è diviso in nove preforme e le nove preforme vengono quindi stampate mediante la tecnologia Resin Transfer Moulding (RTM) per formare i pannelli del corpo laterale interno ed esterno. Le parti strutturali dello scheletro della carrozzeria BMW i8, BMW serie 7, Lexus LFA, Lamborghini Aventador LP700-4 utilizzano un gran numero di parti CFRP, anche il pannello posteriore del sedile posteriore Audi A8 utilizza CFRP. Inoltre, Mercedes-Benz, Ford, Toyota e altre case automobilistiche tradizionali straniere, ci sono CFRP nella ricerca sull'applicazione delle parti strutturali dello scheletro del corpo e nel rilascio del modello. Le parti strutturali dello scheletro della carrozzeria della Lamborghini Aventador LP700-4 utilizzano un gran numero di parti in CFRP, anche il pannello dello schienale del sedile posteriore dell'Audi A8 utilizza CFRP. Inoltre, Mercedes-Benz, Ford, Toyota e altre case automobilistiche tradizionali straniere, ci sono CFRP nella ricerca sull'applicazione delle parti strutturali dello scheletro del corpo e nel rilascio del modello. Le parti strutturali dello scheletro della carrozzeria della Lamborghini Aventador LP700-4 utilizzano un gran numero di parti in CFRP, anche il pannello dello schienale del sedile posteriore dell'Audi A8 utilizza CFRP. Inoltre, Mercedes-Benz, Ford, Toyota e altre case automobilistiche tradizionali straniere, ci sono CFRP nella ricerca sull'applicazione delle parti strutturali dello scheletro del corpo e nel rilascio del modello.

L'alleggerimento è uno degli obiettivi principali dello sviluppo dei veicoli e la riduzione del peso dei componenti dei modelli sta attualmente ricevendo un'attenzione fondamentale da parte del settore. l'applicazione di CFRP sullo scheletro corporeo ha portato ad una riduzione di peso di circa cento chilogrammi.

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Applicazione di CFRP nei rivestimenti della carrozzeria e nei rivestimenti interni ed esterni

Il CFRP è più ampiamente utilizzato nei rivestimenti esterni di modelli stranieri, in particolare per i modelli di lusso con posizionamento più elevato, il costo del CFRP è più elevato, quindi i suoi rivestimenti sono spesso applicati sotto forma di opzione alta o kit sportivo modificato, strisce luminose per porte, spoiler posteriore, alettone posteriore, ecc. Come BMW, Audi, Mercedes-Benz, Lexus, Lamborghini e altri marchi di modelli di fascia alta, oltre al proprio sviluppo di rivestimenti in CFRP e parti di rivestimento interne ed esterne, ci sono anche parti speciali CFRP sul mercato da modificare.

CFRP è anche l'hotspot della ricerca applicativa di rivestimenti per la carrozzeria domestica e parti di rivestimento esterno. Fondamentalmente, tutti gli OEM nazionali hanno ricerche sull'applicazione del CFRP nei rivestimenti della carrozzeria e nei rivestimenti esterni, e l'applicazione è in aumento. Negli ultimi anni, i principali modelli sviluppati e applicati rivestimenti della carrozzeria CFRP e parti di rivestimento esterno sono Promised K50, Geely Link 03+/05+, Volvo Polaris 1, Great Wall WEYVV7, SAIC MG6, ecc. Inoltre, Lutis e altri modelli sono già in fase di sviluppo della produzione di massa.

La Frontage K50, vettura sportiva puramente elettrica lanciata nel 2018, è l'unico modello in Cina che adotta rivestimenti della carrozzeria "interamente in carbonio" (comprese le parti di rivestimento esterno), per un totale di 29 parti in CFRP, ad eccezione dei paraurti anteriore e posteriore e minigonne laterali. La massa totale è di soli 46,7 kg, che è più del 40% più leggera rispetto alle parti metalliche tradizionali.

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Applicazione di CFRP nel sistema telaio

La maggior parte dei componenti del telaio sono "massa sotterranea" e la loro leggerezza può migliorare le prestazioni dell'intero veicolo. Tuttavia, le parti del telaio si trovano in ambienti difficili e la maggior parte di esse sono parti in movimento, che richiedono prestazioni di affidabilità più elevate come durata, fatica, corrosione, ecc. La sfida del CFRP nelle parti del telaio è spesso maggiore rispetto alle parti della struttura della carrozzeria. Pertanto, sia in Cina che all'estero, l'applicazione del CFRP nelle parti del telaio è estremamente difficile. Allo stato attuale, i componenti principali della ricerca sull'applicazione CFRP sul telaio sono l'albero di trasmissione, il telaio ausiliario, il braccio di controllo, la barra stabilizzatrice, il fuso a snodo, il mozzo della ruota, la molla, ecc. L'albero di trasmissione è una parte importante nel sistema di trasmissione dell'auto da trasmettere energia, il suo ruolo è quello di trasmettere la potenza dal motore alle ruote insieme alla trasmissione e all'asse motore, in modo che l'auto produca forza motrice. Il tradizionale albero di trasmissione dell'automobile utilizza principalmente materiali metallici, come l'acciaio legato al carbonio di alta qualità 40Cr, 30CrMo, 42CrMo, ecc. L'uso di CFRP invece dei materiali metallici originali per preparare l'albero di trasmissione può soddisfare i requisiti di elevata resistenza, rigidità e affaticamento dell'albero motore, oltre a ottenere una significativa riduzione del peso e ridurre la perdita di energia del sistema di trasmissione e il peso del veicolo migliorando la resistenza alle vibrazioni, riducendo il rumore, ecc.

Gli alberi di trasmissione automobilistici compositi in fibra di carbonio sono stati utilizzati nei veicoli pesanti della General Motors negli anni 1880, riducendo la massa del 60% rispetto all'acciaio. Con il continuo aggiornamento e miglioramento della tecnologia e delle apparecchiature di produzione, anche la produzione e l'applicazione dell'albero di trasmissione composito in fibra di carbonio tende a crescere.

Il controtelaio è un cuscinetto intermedio per il collegamento tra scocca e sospensione, e la maggior parte dei controtelai tradizionali sono realizzati in lamiera d'acciaio mediante stampaggio e saldatura. Con lo sviluppo della tecnologia leggera, negli ultimi anni è gradualmente passato al telaio ausiliario in lega di alluminio e al telaio ausiliario composito CFRP, rispetto al telaio ausiliario in lega di alluminio, c'è ulteriore spazio per la riduzione del peso. Il controtelaio in CFRP sviluppato da Ford e Magna viene applicato alla Mondeo composita, sostituendo il 45% delle parti in acciaio del controtelaio tradizionale e riducendone il peso di circa il 34%.

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Conclusioni

Il CFRP presenta i vantaggi della bassa densità, dell'alto modulo e dell'elevata resistenza specifica e ha un'ampia prospettiva di applicazione nel settore automobilistico. Tuttavia, a causa del costo elevato, il CFRP è ancora utilizzato principalmente in alcuni modelli di fascia alta.

L'aspetto abbagliante del CFRP è popolare tra i giovani e molti modelli sono sviluppati sotto forma di "kit sportivi" come punto promozionale nella forma di fascia alta o opzionale dei modelli. Nell'aftermarket, la modifica del "pacchetto sportivo" esterno occupa un mercato più ampio nell'applicazione CFRP.