Αφηρημένη:

Αυτό το άρθρο διερευνά το κατάσταση quo και τις ερευνητικές εξελίξεις των υλικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα σε αποθήκευση υδρογόνου και θήκες μπαταριών EV στη σφαίρα των οχημάτων νέας ενέργειας. Αξιολογεί τις ταξινομήσεις και τις τάσεις των κυλίνδρων αερίου υψηλής πίεσης και των περιβλημάτων μπαταριών, εμβαθύνει στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των υλικών από ανθρακονήματα στις τρέχουσες χρήσεις τους και προβλέπει τις εφαρμογές και τις προοπτικές αυτών των προηγμένων υλικών στο μελλοντικό τοπίο των οχημάτων νέας ενέργειας.

Η στροφή προς τα ελαφριά υλικά για τη μείωση του συνολικού βάρους έχει γίνει βασική στρατηγική για την προώθηση του ελαφρού βάρους των νέων ενεργειακών οχημάτων. Η πρόοδος στην επιστήμη των υλικών έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση διαφόρων ελαφρών σύνθετων ινών, συμπεριλαμβανομένων υλικών ενισχυμένων με γυαλί και ίνες άνθρακα, στη νέα ενεργειακή αυτοκινητοβιομηχανία.

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, γνωστά για τη χαμηλή τους πυκνότητα, την υψηλή αντοχή, την αντοχή στη διάβρωση και την αντοχή τους στην κόπωση, είναι από τα πιο ευρέως εφαρμοσμένα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Οι εφαρμογές τους καλύπτουν πολλά συστήματα οχημάτων, συμπεριλαμβανομένου του αμαξώματος, του κινητήρα, του κιβωτίου ταχυτήτων και του πλαισίου, βελτιώνοντας την απόδοση και την ασφάλεια του οχήματος.

01 Επισκόπηση ανθρακονημάτων

Οι ίνες άνθρακα συνήθως δεν χρησιμοποιούνται απευθείας αλλά ως ενίσχυση, σε συνδυασμό με ρητίνη, μέταλλο ή κεραμικές μήτρες για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα. Αυτές οι ίνες προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα: (1) χαμηλή πυκνότητα και υψηλή αντοχή, με πυκνότητα μόνο 1,5~2,0 g/εκ³, το μισό από τα ελαφρά κράματα αλουμινίου και 4~5φορές η αντοχή του χάλυβα και 6~7 φορές αυτή του αλουμινίου. (2) αντοχή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, διατήρηση της ακεραιότητας σε μη οξειδωτικές ατμόσφαιρες έως και 3000°C και μη εύθραυστη σε θερμοκρασίες υγρής αμμωνίας. (3) εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, με ειδική αντίσταση 775 Ω·εκ για ίνες άνθρακα υψηλού συντελεστή και 1500 Ω· εκ για ίνες υψηλής αντοχής στους 25°C. (4) αντοχή στη διάβρωση του οξέος, αντοχή σε συμπυκνωμένο υδροχλωρικό οξύ, φωσφορικό οξύ, θειικό οξύ κ.λπ.

Οι ίνες άνθρακα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση τον τύπο του προδρόμου, τις μηχανικές ιδιότητες και το μέγεθος της δέσμης του νήματος. Στην πράξη, η ταξινόμηση εξαρτάται συχνά από την αντοχή και το μέτρο εφελκυσμού, με τύπους υψηλής αντοχής που έχουν αντοχές 2000 MPa και συντελεστές 250 GPa, τύπους υψηλού συντελεστή που υπερβαίνουν τα 300 GPa σε συντελεστή, τύπους εξαιρετικά υψηλής αντοχής που υπερβαίνουν τα 4000 MPa σε αντοχή και τύπους εξαιρετικά υψηλού συντελεστή που υπερβαίνουν τα 450 GPa σε συντελεστή.

02 Κατάσταση εφαρμογής σύνθετων ινών άνθρακα στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας

Η ώθηση για μέτρα πράσινης ενέργειας και εξοικονόμησης ενέργειας ανεβάζει συνεχώς τον πήχη για το ελαφρύ βάρος των αυτοκινήτων. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Ένωση Αλουμινίου, μια μείωση κατά 10% στο βάρος του οχήματος μπορεί να οδηγήσει σε βελτίωση κατά 6%~8% στην αποδοτικότητα χρήσης ενέργειας και σε μείωση 10% στις εκπομπές ρύπων ανά εκατό χιλιόμετρα. Για οχήματα νέας ενέργειας, η μείωση του βάρους κατά 100 κιλά μπορεί να αυξήσει αντίστοιχα την αυτονομία τους κατά περίπου 6%~11%.

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, γνωστά για το μικρό τους βάρος και την υψηλή τους αντοχή, έχουν βρει εκτεταμένη εφαρμογή στα οχήματα, ενισχύοντας την απόδοση και την ασφάλειά τους σε διάφορα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων του αμαξώματος, του κινητήρα, του κιβωτίου ταχυτήτων και του πλαισίου.

03

Εφαρμογές σύνθετων ινών άνθρακα στην αποθήκευση υδρογόνου

Με την υψηλή τους αντοχή, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην κόπωση, επιβράδυνση φλόγας και σταθερότητα διαστάσεων, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν γίνει ιδανικά υποκατάστατα για την αποθήκευση υδρογόνου σε οχήματα νέας ενέργειας και τα ελαφριά περιβλήματα μπαταριών ισχύος.

3.1 Σενάρια εφαρμογής κυλίνδρων υδρογόνου υψηλής πίεσης

Η χρήση κυλίνδρων αερίου υψηλής πίεσης για αποθήκευση και απελευθέρωση υδρογόνου είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος. Ανάλογα με το υλικό, αυτοί οι κύλινδροι κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις τύπους: εξ ολοκλήρου κατασκευασμένοι από χάλυβα, χαλύβδινη επένδυση με περιτύλιγμα ινών, μεταλλική επένδυση με περιτύλιγμα ινών και πλαστική επένδυση με περιτύλιγμα ινών. Αυτές οι ποικίλες δομές και υλικά παρουσιάζουν διαφορετικό κόστος, επίπεδα ωριμότητας και σενάρια εφαρμογής.

Επί του παρόντος, τα υλικά ενισχυμένα με ανθρακονήματα αποτελούν την κύρια επιλογή υλικού για την κατασκευή κυλίνδρων αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης οχημάτων, παρά τις προκλήσεις στην τεχνολογία και το κόστος.

04

Εφαρμογές σύνθετων ανθρακονημάτων σε περιβλήματα μπαταριών

Η σταθερότητα και η ασφάλεια των νέων ενεργειακών μπαταριών ήταν πάντα κομβικά σημεία στη βιομηχανία. Τα περιβλήματα μπαταριών, απαραίτητα για την προστασία των μονάδων μπαταρίας από εξωτερικές κρούσεις, πρέπει να πληρούν τις απαιτήσεις για αντοχή στη διάβρωση, μόνωση και ανθεκτικότητα στη θερμοκρασία. Τα παραδοσιακά περιβλήματα μπαταριών κατασκευάζονται συνήθως από χάλυβα ή κράματα αλουμινίου. Ωστόσο, με τις τεχνολογικές εξελίξεις, τα ελαφριά υλικά όπως τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα αρχίζουν να χρησιμοποιούνται, προσφέροντας νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη νέων ενεργειακών οχημάτων.

05

συμπέρασμα

Οι κύλινδροι αερίου υψηλής πίεσης με μεταλλικές και πλαστικές επενδύσεις τυλιγμένες σε ίνες είναι το κύριο ρεύμα στην τρέχουσα τεχνολογία κατασκευής. Το ανθρακόνημα, με τις εξαιρετικές του ιδιότητες, παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες στην παραγωγή κυλίνδρων αερίου υψηλής πίεσης και περιβλημάτων μπαταριών. Ωστόσο, λόγω των περιορισμών κόστους, η ευρεία εφαρμογή αυτών των προηγμένων υλικών σε περιβλήματα μπαταριών δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί. Καθώς οι νέες ενεργειακές τεχνολογίες εξελίσσονται και το κόστος των εφαρμογών υλικών μειώνεται, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα είναι έτοιμη να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μέλλον.