Effizienzsteigerung: Erforschung leichter Materialien in der Automobilindustrie
根据最近的一份研究报告,全球汽车轻量化材料市场预计在2023年至2029年期间的复合年增长率为7.3%。预计到2029年,该市场规模将从2022年的747.9亿美元增长至13314.1亿美元以上。轻量化材料在提高汽车行业的燃油效率、性能和减少排放方面发挥着关键作用。预计更轻、更高效的材料和部件将在未来几年彻底改变汽车行业。

五种适用于汽车行业的轻量化材料

通过探索汽车行业使用的不同类型的轻质材料及其应用,我们可以认识到它们对减轻重量和整体车辆效率的重大贡献。
1.高强度钢
高强度钢是在普通碳钢中添加少量合金元素制成的。高强度钢的强度越高,减重效果越好。虽然高强度钢的生产成本与普通碳钢相近,但合金元素的强化作用使其抗拉强度显著高于普通钢。目前,高强度钢主要用于汽车安全部件、底盘和车身结构。
2.铝合金
铝是汽车车身应用领域钢材的主要竞争对手。铝合金相较于钢材的主要优势在于其优异的挤压成形性能,当用钢制部件替代铝合金车身部件时,重量可减轻约50%。目前,众多汽车制造商正在通过开发铝密集型概念车来展示铝合金在汽车轻量化方面的潜在应用。在汽车行业,约80%的铝合金用于压铸部件,主要用于发动机、车轮和其他部件。
3.镁合金
Magnesium ist leichter als Aluminium, mit einer Dichte von nur 2/3 von Aluminium. Magnesiumlegierungsmaterialien, die in Automobilen verwendet werden, sind hauptsächlich Gussmagnesiumlegierungen, die über 90% des in Automobilen verwendeten Magnesiums ausmachen. Obwohl der Anteil von Magnesiumlegierungen an den aktuellen Automaterialien weniger als 1% beträgt, wird die Anwendung von Magnesiumlegierungen von den wichtigsten Automobilherstellern weltweit aufgrund der Leichtbauanstrengungen beachtet. Nehmen wir die Vereinigten Staaten als Beispiel, die Menge an Magnesiumlegierung, die in einigen Fahrzeugmodellen verwendet wird, reicht von 5,8 bis 26,3 kg pro Fahrzeug. In Europa ist die Menge an verwendeter Magnesiumlegierung nach Nordamerika am zweithöchsten, wobei einige Fahrzeugmodelle 9,3 bis 20,3 kg Magnesiumlegierung pro Fahrzeug verwenden.

Die Abbildung zeigt den Lamborghini Gallardo LP 570-4 SuperLeggera, der in seiner Karosserie und seinem Innenraum umfangreich Kohlefasermaterialien verwendet. Er ist der leichteste unter den verfügbaren Lamborghini-Modellen.

4. Kohlefaser
Kohlefaser ist ein faseriges Verbundmaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90%. Es besitzt die inhärenten Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien und zeigt gleichzeitig die Weichheit und Verarbeitbarkeit von Textilfasern. Es ist eine neue Generation von Verstärkungsfaser. Es hat eine höhere Festigkeit als Stahl und eine geringere Dichte als Titan, was es in elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften hervorragend macht. Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe haben ausreichende Festigkeit und Steifigkeit, was sie zu den leichtesten Materialien für die Herstellung von Hauptstrukturkomponenten von Automobilen wie Karosserien und Fahrgestellen macht. Es wird geschätzt, dass die Anwendung von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen das Gewicht von Automobilkarosserien und -fahrgestellen um 40% bis 60% reduzieren kann.
5. Modifizierte Kunststoffe
Durch Methoden wie Füllung, Mischung und Verstärkung zur Verbesserung der Flammwidrigkeit, Festigkeit, Schlagfestigkeit, Zähigkeit und anderer Eigenschaften, basierend auf allgemeinen Kunststoffen und technischen Kunststoffen, haben wir modifizierte Kunststoffe erhalten. Derzeit werden sie hauptsächlich in Außenverkleidungsteilen, Innenverkleidungsteilen sowie funktionalen und strukturellen Komponenten in der Automobilindustrie verwendet. Die Hauptarten von Kunststoffen sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Im Überblick: Der Vergleich von Leichtbaumaterialien

In Bezug auf die Gewichtsreduzierung zeigen die derzeit für den Automobilleichtbau verwendeten Materialien einen zunehmenden Trend in der Effektivität: hochfester Stahl, Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung und Kohlefaser. Aus Kostensicht zeigen diese Materialien jedoch einen zunehmenden Trend in Bezug auf die Kosten: hochfester Stahl, Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung und Kohlefaser.
 
Der Vergleich verschiedener Leichtbaumaterialien für Automobilanwendungen.
Materialien Dichte (g/cm 3 ) Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Stahlkomponenten Vorteile Nachteile Hochfester Stahl 7.85 <10% Ausgereifte Fertigungstechnologie; Einsparung von Ausrüstungsinvestitionen Schwache mechanische Eigenschaften; niedrige Festigkeit; begrenzter Leichtbaueffekt Aluminium- Legierung 2.70 30% 90% recycelbar; ausgezeichnete mechani - sche und physikalische Leistung Schwierig zu formen, herausfordernder Schweißprozess Magnesium- Legierung 1.79 35%-45% Gute Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit; 100% recycelbar Niedrige Produktion, hohe Kosten Modifizierte Kunststoffe 0.8-1.3 10%-20% Niedrige Kosten, leicht zu formen Niedrige Festigkeiten, nicht schlagfest Kohlefaser 1.78 50% Bester Gewichtsreduzierungseffekt Hohe Kosten, schwieriger Prozess
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