Speciális kompozitok átfogó értelmezése az elektromos járművek és az autóipar számára
A kompozit anyagok két vagy több különböző anyagból álló anyagokat jelentenek. Fő mátrixanyagként jellemzően fémek, kerámiák vagy polimer anyagok használhatók. A hagyományos anyagokkal összehasonlítva a legtöbb kompozit anyagot a nagy fajlagos szilárdságra, a kisebb súlyra és a viszonylag magas korrózióállóságra összpontosítják. Nagyobb szilárdság, nagyobb fáradási szilárdság, jobb fizikai tulajdonságok, könnyebb súly és jobb felületi minőség a kompozit anyagok fő előnyei.
Az autóiparban a kompozit anyagok könnyebbek, mint a leggyakrabban használt fémek. A szénszál alapú kompozitok a legjobb teljesítményű polimer kompozitok, amelyeket autókban, repülőgépekben, katonai védelemben és sporteszközökben használnak. A hagyományos autókban a fém alkotja a központi szerkezetet, míg egyes belső részek kompozit anyagokból készülnek. Az utóbbi években a szénszálas kompozitokat tartották a legalkalmasabb anyagnak a járművek tömegének csökkentésére, bár ez eltérhet a hagyományos fémektől és drága.
Az alumíniumötvözetekhez képest a kompozit anyagok mechanikai tulajdonságaiban, mikroszerkezetében és felületi morfológiájában több javulást mutatnak. Általánosságban elmondható, hogy az autóiparban a kompozit anyagok alkalmazása speciális anyagok közé tartozik. Az elektromos járművekben az acél és az öntöttvas az anyagok körülbelül felét teszi ki; az alumíniumötvözetek a teljes mennyiség mintegy 9%-át, a műanyagok 11%-át, a gumi pedig 3%-át teszi ki. Napjainkban az iparágak a megújuló erőforrások felhasználására és az újrahasznosítható, környezetbarát és kevésbé veszélyes anyagok globális hatású hasznosítására helyezik a hangsúlyt.
A károsanyag-kibocsátás és az üzemanyag-fogyasztás csökkentése az autóipar legnagyobb kihívása. A szénalapú fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodó energiatermelés miatt nagy mennyiségű üvegházhatású gáz kerül a környezetbe. A globális villamosenergia-fogyasztás folyamatos növekedésével az elmúlt néhány évtizedben megnőtt az energiaigény. A magas üzemanyagköltség, valamint a környezeti károsodás miatt a fogyasztók motiváltak az elektromos járművek választására. A világ számos országában megnőtt az elektromos járművek használatának igénye és motivációja. Az elektromos járművek a dízel-, benzin- és egyéb fosszilis tüzelésű járművek alternatívái, mivel lítium-ion akkumulátorokat használnak, amelyek a vegyes töltés kényelmét kínálják, és könnyebbek, mivel a legtöbb alkatrész kompozit anyagokból készül a járművek üzemanyag-hatékonyságának javítása érdekében. Ezenkívül előfordulhat, hogy a hagyományos, fosszilis tüzelőanyaggal hajtott járművekhez szükséges alkatrészek többségére nincs szükség. Egyes utazásszervező társaságok belső égésű motorparkja elektromos járművekre való cseréjére összpontosítanak.
Az energiahatékonysági problémák megoldása érdekében a kutatók könnyű anyagok használatát javasolják az autóalkatrészek cseréjére, ami csökkentheti a jármű tömegét, miközben javítja az üzemanyag-fogyasztást. A gépjárművek tömegének minden 10 kilogramm csökkentésével kilométerenként 1 grammal csökken a szén-dioxid-kibocsátás, ezáltal csökken az üzemanyag-fogyasztás. A könnyűsúlyú megoldás fokozatosan fontos módszerré válik, mert hatékonynak bizonyult az üzemanyag-igény és a károsanyag-kibocsátás csökkentésében.
Az autóipari könnyűsúlyozás a jármű tömegének csökkentésére összpontosít alternatív anyagok és alkatrészek újratervezése révén, miközben megtartja a jármű méretét, és tovább biztosítja a fogyasztói igényeket. A belső égésű motoros járművek tervezése során a kutatók különféle technológiákat alkalmaztak, hogy tanulmányozzák a könnyű anyagok előnyeit a hagyományosakhoz képest. Az elektromos járművek és a könnyű kialakítás integrálásának eredményeként csökken a jármű környezeti hatása. Sőt, a könnyű anyagok használata az elektromos járművekben előre látható, mivel ez a tömeg csökkentésével javíthatja a teljesítményt, például a hatótávolságot és az akkumulátor méretének szabályozását (ahogy az alábbi ábrán látható).
Elektromos jármű szerkezeti alkatrészeinek összetétele
A kompozit anyagokat potenciális jelölt anyagoknak tekintik a könnyű alkatrészek gyártásához, és erőfeszítéseket tettek a járművek tömegének csökkentésére, miközben költséghatékony módszereket fejlesztettek ki olyan könnyű anyagok előállítására, mint például a szénszálerősítésű műanyagok (CFRP). A hagyományos anyagokhoz képest a CFRP nagy szilárdsággal, kis tömeggel, jó rezgésállósággal, nagy merevséggel, valamint nagyobb fáradtság- és korrózióállósággal rendelkezik.
Az elmúlt években, bár az autóipari kompozit anyagok technológiája széleskörű figyelmet és kutatást kapott, az autóiparban a foglalkoztatás még mindig elmarad a repülőgépipar mögött. Ezért az elektromos járművek iránti növekvő kereslet kielégítése érdekében további fejlesztésekre és előrelépésekre van szükség. Az alábbi táblázat a különböző járműtípusok osztályozását mutatja be. Az elektromos járműipar és az autóipar jelenlegi statisztikáit összevetve az elektromos személygépjárművek nemzetközi piacának becsült értéke 2020-ban körülbelül 120,81 milliárd dollár volt, 2021 és 2028 között pedig körülbelül 32,5%-os éves növekedési ütem várható.
Különböző járműkategóriák
2020-ban a globális autóeladások körülbelül 3 millió darabot tettek ki, ami közel 40%-os növekedést jelent 2019-hez képest. Ugyanebben az évben Kínában az elektromos járművek a globális eladások körülbelül 30%-át adták. 2021 óta az Egyesült Államok több mint 15 különböző akkumulátoros elektromos jármű (BEV) modellt kínál. A hálózatról tölthető hibrid elektromos járművekhez (PHEV) képest a BEV-ek várhatóan nagyobb növekedést mutatnak a hatótávval kapcsolatos problémák miatt.
Az akkumulátoros-elektromos járművek piacán a Tesla Model S továbbfejlesztett változata volt a legelterjedtebb, a beszállító 2020-ban az eladások több mint 70%-át érte el az akkumulátoros elektromos járművek területén. A legmagasabb éves növekedési ráta a PHEV-iparban. meghaladhatja a 32%-ot az előrejelzési időszakban. Ezek az előrelépések az iparosodott és fejlődő gazdaságok kormányai által az elektromos járművek használatának előmozdítására tett ajánlásoknak tudhatók be.