Interpretarea cuprinzătoare a compozitelor avansate pentru vehicule electrice și industria auto
Materialele compozite se referă la materiale compuse din două sau mai multe materiale diferite. De obicei, metalele, ceramica sau materialele polimerice pot fi utilizate ca materiale principale ale matricei. În comparație cu materialele tradiționale, majoritatea materialelor compozite sunt proiectate cu accent pe rezistență specifică ridicată, greutate mai mică și rezistență la coroziune relativ ridicată. Rezistență mai mare, rezistență mai mare la oboseală, proprietăți fizice mai bune, greutate mai ușoară și finisare mai bună a suprafeței sunt principalele avantaje ale materialelor compozite.
În industria auto, materialele compozite sunt mai ușoare decât metalele cele mai frecvent utilizate. Compozitele pe bază de fibră de carbon sunt cele mai performante compozite polimerice utilizate în mașini, industria aerospațială, apărare militară și echipamente sportive. La mașinile tradiționale, metalul constituie structura centrală, în timp ce unele părți interne sunt realizate din materiale compozite. În ultimii ani, compozitele din fibră de carbon au fost considerate cel mai potrivit material pentru reducerea greutății vehiculului, deși poate diferi de metalele tradiționale și este scump.
În comparație cu aliajele de aluminiu, materialele compozite pot vedea mai multe îmbunătățiri în proprietățile mecanice, microstructura și morfologia suprafeței. În general, aplicarea materialelor compozite în industria auto este clasificată ca materiale speciale. În vehiculele electrice, oțelul și fonta reprezintă aproximativ jumătate din greutatea materialelor; Aliajele de aluminiu reprezintă aproximativ 9% din total, materialele plastice reprezintă 11%, iar cauciucul reprezintă 3%. În zilele noastre, industriile se concentrează pe utilizarea resurselor regenerabile și pe utilizarea în continuare a materialelor reciclabile, ecologice și mai puțin periculoase, cu impact global.
Reducerea emisiilor și a consumului de combustibil sunt provocări majore cu care se confruntă industria auto. Datorită producției de energie care se bazează pe combustibili fosili pe bază de carbon, o mare cantitate de gaze cu efect de seră sunt emise în mediu. Odată cu creșterea continuă a consumului global de energie electrică, a existat o creștere a cererii de energie în ultimele decenii. Datorită costului ridicat al combustibilului, dar și având în vedere degradarea mediului, consumatorii sunt motivați să aleagă vehiculele electrice. Cererea și motivația pentru utilizarea vehiculelor electrice au crescut în multe țări din întreaga lume. Vehiculele electrice sunt alternative la vehiculele cu motorină, benzină și alte combustibili fosili, deoarece folosesc baterii litiu-ion, care oferă confortul încărcării mixte și sunt mai ușoare, deoarece majoritatea componentelor sunt fabricate din materiale compozite pentru a îmbunătăți eficiența combustibilului vehiculului. În plus, este posibil să nu necesite majoritatea componentelor necesare vehiculelor tradiționale conduse cu combustibili fosili. Unele companii de transport se concentrează pe înlocuirea parcului de motoare cu ardere internă cu vehicule electrice.
Pentru a aborda problemele de eficiență energetică, cercetătorii sugerează utilizarea materialelor ușoare pentru a înlocui piesele auto, care pot reduce greutatea vehiculului, sporind în același timp economia de combustibil. Pentru fiecare 10 kilograme de reducere a greutății vehiculului, emisiile de carbon vor scădea cu 1 gram pe kilometru, reducând astfel consumul de combustibil. Soluția ușoară devine treptat o metodă importantă, deoarece s-a dovedit eficientă în reducerea cererii de combustibil și a emisiilor.
Ușurarea autovehiculelor se concentrează pe reducerea masei vehiculului prin materiale alternative și reproiectarea componentelor, menținând în același timp dimensiunea vehiculului și asigurând în continuare nevoile consumatorilor. În proiectarea vehiculelor cu motor cu ardere internă, cercetătorii au folosit diverse tehnologii pentru a studia avantajele materialelor ușoare în comparație cu cele tradiționale. Rezultatul integrării vehiculelor electrice și a designului ușor este o reducere a impactului vehiculului asupra mediului. În plus, utilizarea materialelor ușoare în vehiculele electrice este previzibilă, deoarece poate îmbunătăți performanța prin reducerea masei, cum ar fi controlul autonomiei și dimensiunii bateriei (după cum se arată în figura de mai jos).
Compoziția componentelor structurale pentru vehicule electrice
Materialele compozite sunt considerate materiale potențiale candidate pentru fabricarea componentelor ușoare și au fost depuse eforturi pentru a reduce greutatea vehiculului, dezvoltând, de asemenea, metode rentabile de producere a materialelor ușoare, cum ar fi materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP). În comparație cu materialele tradiționale, CFRP are rezistență ridicată, greutate redusă, rezistență bună la vibrații, rigiditate ridicată și rezistență mai mare la oboseală și coroziune.
În ultimii ani, deși tehnologia materialelor compozite pentru automobile a primit o atenție și cercetare pe scară largă, ocuparea forței de muncă în industria auto rămâne în urmă cu industria aerospațială. Prin urmare, sunt necesare dezvoltări și progrese suplimentare pentru a satisface cererea în creștere pentru vehicule electrice. Următorul grafic prezintă clasificarea diferitelor tipuri de vehicule. Combinând statisticile actuale din industria vehiculelor electrice și ale industriilor auto, valoarea estimată a pieței internaționale de vehicule electrice pentru pasageri în 2020 a fost de aproximativ 120,81 miliarde USD, cu o rată de creștere anuală compusă estimată de aproximativ 32,5% între 2021 și 2028.
Diferite categorii de vehicule
În 2020, vânzările globale de mașini au fost de aproximativ 3 milioane de unități, marcând o creștere de aproape 40% față de 2019. În același an, vehiculele electrice din China au reprezentat aproximativ 30% din vânzările globale. Din 2021, Statele Unite au oferit peste 15 modele diferite de vehicule electrice cu baterie (BEV). În comparație cu vehiculele electrice hibride plug-in (PHEV), se așteaptă ca BEV-urile să înregistreze o creștere mai mare din cauza problemelor de autonomie.
În nișa de vehicule electrice cu baterie, versiunea îmbunătățită a Tesla Model S a fost cea mai comună, furnizorul realizând peste 70% din vânzări în domeniul vehiculelor electrice cu baterie în 2020. Cea mai mare rată de creștere anuală compusă din industria PHEV ar putea depăși 32% în perioada de prognoză. Aceste progrese pot fi atribuite recomandărilor prezentate de guvernele economiilor industrializate și în curs de dezvoltare pentru a promova utilizarea vehiculelor electrice.