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鋁基復合材料在汽車零部件中的應用

發布時間:2022-04-02人氣:107

鋁基復合材料 (AMC) 大約在 40 年前首次出現用于汽車零部件,現在,由于無數應用展示了其功能并突出了其可持續吸引力,看起來它們似乎開始吸引制造商和工程師越來越多的興趣尋找現有材料的可行替代品。

早在 1980 年代,當 AMC 首次出現時,它們的優勢經常被超賣,而且它們的屬性在很大程度上未經證實,從而削弱了它們的潛力,并且對它們的聲譽影響甚微。隨著碳復合材料被更廣泛地采用,AMC 很快就被制造商和工程師遺忘,并迅速脫離了人們的視線。然而,近四年后,隨后對這些復合材料制造的研發投資取得了進展,被認為有點改變了市場。汽車和航空航天等行業正承受著提高性能的持續壓力,而隨著減輕重量發揮關鍵作用,AMC 不再是底層,迅速成為滿足立法和其他不斷增長的行業需求的“新”解決方案。

AMC 的先驅之一是英國公司 Alvant。最初成立于 2003 年的 CMT,Alvant 創造了一種稱為先進液體壓力成型 (ALPF) 的工藝,該公司將作為基體的鋁和高強度增強纖維結合在一起,以創造高性能鋁基復合材料。有四種AMC材料系列,在概念上類似于夾層材料。傳統的夾層材料通常由碳復合材料或具有各種蜂窩芯的未增強金屬板組裝而成。金屬板三明治通常是平面的 2D 面板,而碳復合材料品種可以采用 3D 形式。Alvant 為其 CorXal 產品采用單次制造工藝,提供超高剛度和低密度 (~1.9g/cc)。


高強度、高性能 AMC

與非增強金屬相比,AMC 還具有更輕的重量和卓越的耐磨性,以及特殊的熱和電性能,使其非常適合用于惡劣環境下耐用輕質部件的工程設計。與聚合物纖維增強材料(例如碳復合材料)相比,它們還具有多種優勢。這些包括更高的橫向強度和剛度、更高的熱工作范圍、更好的耐磨性、卓越的損傷容限和更容易修復。

事實上,Alvant 認為,與鋼相比,AMC 的強度比鋼還低一半。這意味著由傳統金屬(如鋼、鈦和鋁)制成的高負載部件可以被輕質、低慣性的部件取代,而不會增加任何封裝尺寸。

為了管理成本和復雜性,組件不一定完全由鋁基復合材料制造;例如,如果它們具有不需要增強機械性能的低應力區域。在這種情況下,可以通過稱為混合 AMC 的方法對組件進行局部加固。在這些應用中,通過將 AMC 嵌件應用于較大的鋁制部件,可以在需要的地方精確地提供性能。這限制了纖維含量,簡化了 AMC 刀片幾何形狀并降低了成本,同時提高了部件的性能和能力。


應用廣泛

AMC 的生產就緒情況也證明是及時的。隨著汽車、航空航天和船舶行業對堅固但重量更輕的零件的商業需求不斷增加,制造商正在尋找提高產品能力和性能的方法,同時實現燃油效率和可持續性的宏偉目標。他們還證明了自己的能力,尤其是在安全性和可靠性至關重要的情況下,在高壓密封、安全起落架和座椅方面具有潛在的應用價值。在性能、效率和精度至關重要的地方,其他用例包括機器人、電動機和汽車懸架。由于 AMC 能夠承受高溫(~300oC),因此它們適用于高壓電池系統中的組件。

產品制造商和整個行業越來越意識到 AMC 有時如何成為比其他復合材料或非增強金屬更好的替代品,這是顯而易見的,航空航天和汽車行業的合作伙伴與 Alvant 簽署了新項目,這也是顯而易見的。

近年來,航空航天公司和起落架系統以及汽車制造商都與 Alvant 開展了合作項目,說明工業部門排隊成為 AMC 的早期采用者。

該公司完成了一項為期三年、耗資 120 萬英鎊的研發計劃。該項目與行業世界領先的 GE Aviation、電動機和控制器生產商、以及國家復合材料中心合作,創建了新的計算機輔助工程 (CAE) 軟件建模包,用于 AMC 的設計和分析,以縮短產品開發周期。

該項目使軸向磁通電動機(例如電動汽車中使用的電動機)的轉子重量減輕了 40%,同時提高了轉子的功率慣性比潛力。此外,還減少了裝配線零件的數量以縮短裝配時間。

據 Alvant 稱,隨著電氣化程度的提高,汽車制造商正在尋求優化電機效率圖;例如,通過提高效率作為最終決定車輛能耗的扭矩和速度的函數。該行業面臨的挑戰是確定提高效率和性能的方法,同時簡化制造和總體成本。

“使用 AMC,我們已經能夠減輕重量,同時保持電動轉子的剛度和強度,最大限度地減少寄生質量并產生更好的整個電機的功率重量比,從而提高效率、范圍和響應能力, ” 相關人員說?!按送?,我們還可以提供更好的耐熱性,最高可達 300°C,使 AMC 成為比聚合物復合材料更適合電機、電池、能量回收系統、風扇和飛輪等應用的材料?!?/p>


當前的起落架系統通常比必要的更堅固和更重,因為出色的安全記錄導致經過驗證的技術得以延續。然而,它們約占飛機重量的 3%,對燃料消耗有相應的影響?!霸擁椖恐荚诶眯虏牧虾椭圃旆椒▉黹_發和展示可減少起落架重量、燃油消耗和噪音的技術,同時提高可靠性并降低維護、維修和運營成本,”相關人員補充道。



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