Omfattende fortolkning af avancerede kompositter til elektriske køretøjer og bilindustrien
Kompositmaterialer refererer til materialer sammensat af to eller flere forskellige materialer. Typisk kan metaller, keramik eller polymermaterialer anvendes som de vigtigste matrixmaterialer. Sammenlignet med traditionelle materialer er de fleste kompositmaterialer designet med fokus på høj specifik styrke, lavere vægt og relativt høj korrosionsbestandighed. Højere styrke, højere udmattelsesstyrke, bedre fysiske egenskaber, lettere vægt og bedre overfladefinish er de vigtigste fordele ved kompositmaterialer.
I bilindustrien er kompositmaterialer lettere end de mest almindeligt anvendte metaller. Kulfiberbaserede kompositter er de højest ydende polymerkompositter, der bruges i biler, rumfart, militært forsvar og sportsudstyr. I traditionelle biler udgør metal den centrale struktur, mens nogle indvendige dele er lavet af kompositmaterialer. I de senere år er kulfiberkompositter blevet betragtet som det mest egnede materiale til at reducere køretøjets vægt, selvom det kan adskille sig fra traditionelle metaller og er dyrt.
Sammenlignet med aluminiumslegeringer kan kompositmaterialer se flere forbedringer i mekaniske egenskaber, mikrostruktur og overflademorfologi. Generelt klassificeres anvendelsen af kompositmaterialer i bilindustrien som specielle materialer. I elektriske køretøjer udgør stål og støbejern omkring halvdelen af materialerne efter vægt; aluminiumslegeringer udgør omkring 9% af det samlede antal, plast udgør 11%, og gummi udgør 3%. I dag fokuserer industrier på brugen af vedvarende ressourcer og yderligere udnyttelse af genanvendelige, miljøvenlige og mindre farlige materialer med global påvirkning.
Reduktion af emissioner og brændstofforbrug er store udfordringer for bilindustrien. På grund af energiproduktion, der er afhængig af kulstofbaserede fossile brændstoffer, udledes en stor mængde drivhusgasser til miljøet. Med den fortsatte stigning i det globale elforbrug har der været en stigning i energiefterspørgslen i løbet af de sidste par årtier. På grund af de høje brændstofomkostninger og også i betragtning af miljøforringelse er forbrugerne motiverede til at vælge elbiler. Efterspørgslen og motivationen for at bruge elektriske køretøjer er steget i mange lande rundt om i verden. Elektriske køretøjer er alternativer til diesel, benzin og andre fossile brændstoffer, fordi de bruger lithium-ion-batterier, som tilbyder bekvemmeligheden ved blandet opladning og er lettere i vægt, da de fleste komponenter er lavet af kompositmaterialer for at forbedre køretøjets brændstofeffektivitet. Derudover kræver de muligvis ikke de fleste af de komponenter, der er nødvendige for traditionelle køretøjer drevet af fossile brændstoffer. Nogle turfirmaer fokuserer på at erstatte deres forbrændingsmotorflåder med elektriske køretøjer.
For at løse energieffektivitetsproblemer foreslår forskere at bruge letvægtsmaterialer til at erstatte bildele, hvilket kan reducere køretøjets vægt og samtidig forbedre brændstoføkonomien. For hver 10 kg reduktion af køretøjets vægt, vil kulstofemissionerne falde med 1 gram pr. kilometer, og derved reducere brændstofforbruget. Letvægtsløsningen er efterhånden en vigtig metode, fordi den har vist sig effektiv til at reducere brændstofbehov og emissioner.
Automotive lightweighting fokuserer på at reducere køretøjets masse gennem alternative materialer og redesign af komponenter, samtidig med at køretøjets størrelse bevares og yderligere sikre forbrugernes behov. I designet af køretøjer med forbrændingsmotorer har forskere brugt forskellige teknologier til at studere fordelene ved letvægtsmaterialer sammenlignet med traditionelle. Resultatet af integrationen af elbiler og letvægtsdesign er en reduktion af køretøjets miljøpåvirkning. Desuden er brugen af letvægtsmaterialer i elektriske køretøjer forudsigelig, da det kan forbedre ydeevnen ved at reducere massen, såsom køreafstand og batteristørrelseskontrol (som vist i figuren nedenfor).
Strukturel komponentsammensætning til elektriske køretøjer
Kompositmaterialer betragtes som potentielle kandidatmaterialer til fremstilling af letvægtskomponenter, og der er gjort en indsats for at reducere køretøjets vægt, samtidig med at der er udviklet omkostningseffektive metoder til fremstilling af letvægtsmaterialer såsom Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP). Sammenlignet med traditionelle materialer har CFRP høj styrke, lav vægt, god vibrationsbestandighed, høj stivhed og højere trætheds- og korrosionsbestandighed.
I de senere år, selv om teknologien til kompositmaterialer til biler har fået udbredt opmærksomhed og forskning, halter beskæftigelsen i bilindustrien stadig efter flyindustrien. Derfor er der behov for yderligere udvikling og fremskridt for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter elbiler. Følgende skema viser klassificeringen af forskellige køretøjstyper. Ved at kombinere aktuelle statistikker fra elbil- og bilindustrien var den anslåede værdi af det internationale marked for elektriske passagerbiler i 2020 cirka 120,81 milliarder dollars, med en forventet sammensat årlig vækstrate på cirka 32,5 % fra 2021 til 2028.
Forskellige køretøjskategorier
I 2020 var det globale bilsalg cirka 3 millioner enheder, hvilket er en stigning på næsten 40 % fra 2019. Samme år tegnede elbiler i Kina sig for omkring 30 % af det globale salg. Siden 2021 har USA tilbudt mere end 15 forskellige modeller af batteri-elektriske køretøjer (BEV). Sammenlignet med plug-in hybrid elbiler (PHEV), forventes BEV'er at se højere vækst på grund af deres rækkevidde problemer.
I nichen med batteri-elektriske køretøjer var den opgraderede version af Tesla Model S den mest almindelige, hvor leverandøren opnåede over 70 % af salget i batteri-elbil-domænet i 2020. Den højeste sammensatte årlige vækstrate i PHEV-industrien kunne overstige 32 % inden for prognoseperioden. Disse fremskridt kan tilskrives de anbefalinger, der er fremsat af industri- og udviklingsøkonomiers regeringer for at fremme brugen af elektriske køretøjer.