Изчерпателна интерпретация на модерни композитни материали за електрически превозни средства и автомобилна индустрия
Композитните материали се отнасят до материали, съставени от два или повече различни материала. Обикновено метали, керамика или полимерни материали могат да се използват като основни матрични материали. В сравнение с традиционните материали, повечето композитни материали са проектирани с акцент върху висока специфична якост, по-ниско тегло и относително висока устойчивост на корозия. По-висока якост, по-висока якост на умора, по-добри физически свойства, по-леко тегло и по-добра повърхностна обработка са основните предимства на композитните материали.
В автомобилната индустрия композитните материали са по-леки от най-често използваните метали. Композитите на основата на въглеродни влакна са най-ефективните полимерни композити, използвани в автомобили, космическа техника, военна отбрана и спортно оборудване. В традиционните автомобили металът представлява централната структура, докато някои вътрешни части са направени от композитни материали. През последните години композитите от въглеродни влакна се считат за най-подходящия материал за намаляване на теглото на автомобила, въпреки че може да се различават от традиционните метали и са скъпи.
В сравнение с алуминиевите сплави, композитните материали могат да видят повече подобрения в механичните свойства, микроструктурата и морфологията на повърхността. Като цяло приложението на композитни материали в автомобилната индустрия се класифицира като специални материали. В електрическите превозни средства стоманата и чугунът представляват около половината от материалите по тегло; алуминиевите сплави съставляват около 9% от общия обем, пластмасите представляват 11%, а каучукът съставлява 3%. В днешно време индустриите се фокусират върху използването на възобновяеми ресурси и допълнително използване на рециклируеми, екологични и по-малко опасни материали с глобално въздействие.
Намаляването на емисиите и разхода на гориво са основните предизвикателства, пред които е изправена автомобилната индустрия. Поради производството на енергия, разчитащо на въглеродни изкопаеми горива, голямо количество парникови газове се отделят в околната среда. С непрекъснатото нарастване на потреблението на електроенергия в световен мащаб, през последните няколко десетилетия има увеличение на търсенето на енергия. Поради високата цена на горивото, както и предвид влошаването на околната среда, потребителите са мотивирани да избират електрически превозни средства. Търсенето и мотивацията за използване на електрически превозни средства са се увеличили в много страни по света. Електрическите превозни средства са алтернативи на дизеловите, бензиновите и другите превозни средства с изкопаеми горива, тъй като използват литиево-йонни батерии, които предлагат удобството на смесено зареждане и са с по-леко тегло, тъй като повечето компоненти са направени от композитни материали за подобряване на горивната ефективност на автомобила. Освен това, те може да не изискват повечето от компонентите, необходими за традиционните превозни средства, задвижвани от изкопаеми горива. Някои компании за превози се фокусират върху замяната на своите двигатели с вътрешно горене с електрически превозни средства.
За да се справят с проблемите на енергийната ефективност, изследователите предлагат да се използват леки материали за замяна на автомобилни части, което може да намали теглото на автомобила, като същевременно подобри икономията на гориво. За всеки 10 килограма намаление на теглото на автомобила, въглеродните емисии ще намалеят с 1 грам на километър, като по този начин ще се намали разходът на гориво. Лекото решение постепенно се превръща във важен метод, тъй като е доказано ефективно за намаляване на търсенето на гориво и емисиите.
Автомобилното олекотяване се фокусира върху намаляване на масата на автомобила чрез алтернативни материали и редизайн на компоненти, като същевременно се запазва размерът на автомобила и допълнително се гарантират нуждите на потребителите. При проектирането на превозни средства с двигатели с вътрешно горене изследователите са използвали различни технологии, за да проучат предимствата на леките материали в сравнение с традиционните. Резултатът от интегрирането на електрическите превозни средства и олекотения дизайн е намаляване на въздействието на автомобила върху околната среда. Освен това използването на леки материали в електрическите превозни средства е предвидимо, тъй като може да подобри производителността чрез намаляване на масата, като например контрол на обхвата и размера на батерията (както е показано на фигурата по-долу).
Състав на структурните компоненти на електрически превозни средства
Композитните материали се считат за потенциални кандидат-материали за производство на леки компоненти и са положени усилия за намаляване на теглото на превозното средство, като същевременно се разработват рентабилни методи за производство на леки материали като пластмаси, подсилени с въглеродни влакна (CFRP). В сравнение с традиционните материали CFRP притежава висока якост, ниско тегло, добра устойчивост на вибрации, висока твърдост и по-висока устойчивост на умора и корозия.
През последните години, въпреки че технологията на автомобилните композитни материали получи широко внимание и изследвания, заетостта в автомобилната индустрия все още изостава от космическата индустрия. Следователно е необходимо по-нататъшно развитие и напредък, за да се отговори на нарастващото търсене на електрически превозни средства. Следващата диаграма показва класификацията на различните типове превозни средства. Комбинирайки текущата статистика от индустрията за електрически превозни средства и автомобилната, прогнозната стойност на международния пазар на пътнически електрически превозни средства през 2020 г. е приблизително 120,81 милиарда долара, с очакван общ годишен темп на растеж от около 32,5% от 2021 до 2028 г.
Различни категории превозни средства
През 2020 г. глобалните продажби на автомобили бяха приблизително 3 милиона единици, отбелязвайки увеличение от близо 40% спрямо 2019 г. През същата година електрическите превозни средства в Китай представляваха около 30% от глобалните продажби. От 2021 г. Съединените щати предлагат повече от 15 различни модела електрически превозни средства с батерии (BEV). В сравнение с plug-in хибридните електрически превозни средства (PHEV), BEV се очаква да отбележат по-голям ръст поради проблеми с пробега.
В нишата на акумулаторните електрически превозни средства модернизираната версия на Tesla Model S беше най-често срещаната, като доставчикът постигна над 70% от продажбите в областта на акумулаторните електрически превозни средства през 2020 г. Най-високият общ годишен темп на растеж в индустрията на PHEV може да надхвърли 32% в рамките на прогнозния период. Този напредък може да се отдаде на препоръките, представени от правителствата на индустриализираните и развиващите се икономики за насърчаване на използването на електрически превозни средства.