Комплексная интерпретация современных композитов для электромобилей и автомобильной промышленности
Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или более различных материалов. Обычно в качестве основных материалов матрицы могут использоваться металлы, керамика или полимерные материалы. По сравнению с традиционными материалами, большинство композитных материалов разработаны с упором на высокую удельную прочность, меньший вес и относительно высокую коррозионную стойкость. Более высокая прочность, более высокая усталостная прочность, лучшие физические свойства, меньший вес и лучшее качество поверхности являются основными преимуществами композиционных материалов.
В автомобильной промышленности композитные материалы легче наиболее часто используемых металлов. Композиты на основе углеродного волокна являются наиболее эффективными полимерными композитами, используемыми в автомобилях, аэрокосмической отрасли, военной обороне и спортивном оборудовании. В традиционных автомобилях центральную конструкцию составляет металл, а некоторые внутренние детали изготовлены из композитных материалов. В последние годы композиты из углеродного волокна считаются наиболее подходящим материалом для снижения веса автомобиля, хотя он может отличаться от традиционных металлов и стоит дорого.
По сравнению с алюминиевыми сплавами композиционные материалы имеют больше улучшений в механических свойствах, микроструктуре и морфологии поверхности. Обычно применение композиционных материалов в автомобильной промышленности относят к специальным материалам. В электромобилях сталь и чугун составляют около половины материалов по весу; алюминиевые сплавы составляют около 9% от общего количества, пластмассы — 11%, резина — 3%. В настоящее время промышленность сосредотачивается на использовании возобновляемых ресурсов и дальнейшем использовании перерабатываемых, экологически чистых и менее опасных материалов с глобальным воздействием.
Сокращение выбросов и потребления топлива являются основными задачами, с которыми сталкивается автомобильная промышленность. Из-за того, что производство энергии основано на использовании ископаемого топлива на основе углерода, в окружающую среду выбрасывается большое количество парниковых газов. В условиях постоянного роста мирового потребления электроэнергии за последние несколько десятилетий наблюдался рост спроса на энергию. Из-за высокой стоимости топлива, а также учитывая ухудшение экологии, потребители мотивированы выбирать электромобили. Спрос и мотивация к использованию электромобилей возросли во многих странах мира. Электромобили являются альтернативой дизельным, бензиновым и другим автомобилям, работающим на ископаемом топливе, поскольку в них используются литий-ионные аккумуляторы, которые обеспечивают удобство смешанной зарядки и имеют меньший вес, поскольку большинство компонентов изготовлены из композитных материалов для повышения топливной эффективности автомобиля. Кроме того, им может не потребоваться большинство компонентов, необходимых для традиционных транспортных средств, работающих на ископаемом топливе. Некоторые компании, занимающиеся услугами такси, сосредоточены на замене своего парка двигателей внутреннего сгорания электромобилями.
Для решения проблем энергоэффективности исследователи предлагают использовать легкие материалы для замены автомобильных деталей, что может снизить вес автомобиля и одновременно повысить экономию топлива. На каждые 10 килограммов снижения массы автомобиля выбросы углекислого газа уменьшаются на 1 грамм на километр, тем самым снижая расход топлива. Легкое решение постепенно становится важным методом, поскольку оно доказало свою эффективность в снижении потребности в топливе и выбросов.
Облегчение автомобилей направлено на уменьшение массы автомобиля за счет использования альтернативных материалов и изменения конструкции компонентов, сохраняя при этом размер автомобиля и дополнительно удовлетворяя потребности потребителей. При проектировании автомобилей с двигателями внутреннего сгорания исследователи использовали различные технологии для изучения преимуществ легких материалов по сравнению с традиционными. Результатом интеграции электромобилей и облегченной конструкции является снижение воздействия автомобиля на окружающую среду. Кроме того, можно предвидеть использование легких материалов в электромобилях, поскольку это может улучшить производительность за счет уменьшения массы, например, увеличить запас хода и контролировать размер батареи (как показано на рисунке ниже).
Состав конструктивных элементов электромобиля
Композитные материалы считаются потенциальными кандидатами для производства легких компонентов, и были предприняты усилия по снижению веса транспортных средств, а также по разработке экономически эффективных методов производства легких материалов, таких как пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP). По сравнению с традиционными материалами углепластик обладает высокой прочностью, малым весом, хорошей вибростойкостью, высокой жесткостью, а также более высокой усталостной и коррозионной стойкостью.
В последние годы, хотя технология автомобильных композитных материалов привлекла широкое внимание и исследования, занятость в автомобильной промышленности по-прежнему отстает от аэрокосмической промышленности. Поэтому необходимы дальнейшее развитие и продвижение для удовлетворения растущего спроса на электромобили. В следующей таблице показана классификация различных типов транспортных средств. Если объединить текущие статистические данные по электромобилям и автомобильной промышленности, то оценочная стоимость международного рынка пассажирских электромобилей в 2020 году составит примерно 120,81 миллиарда долларов США, при этом ожидаемый совокупный годовой темп роста составит около 32,5% с 2021 по 2028 год.
Различные категории транспортных средств
В 2020 году мировые продажи автомобилей составили около 3 миллионов единиц, что почти на 40% больше, чем в 2019 году. В том же году на электромобили в Китае пришлось около 30% мировых продаж. С 2021 года в США предложено более 15 различных моделей аккумуляторных электромобилей (BEV). Ожидается, что по сравнению с подключаемыми гибридными электромобилями (PHEV) у BEV будет более высокий рост из-за проблем с запасом хода.
В нише аккумуляторных электромобилей наиболее распространенной была модернизированная версия Tesla Model S: в 2020 году на долю поставщика пришлось более 70% продаж в сфере аккумуляторных электромобилей. Самый высокий совокупный годовой темп роста в отрасли PHEV. может превысить 32% в течение прогнозируемого периода. Эти достижения можно объяснить рекомендациями, выдвинутыми правительствами промышленно развитых и развивающихся стран по поощрению использования электромобилей.