Umfassende Interpretation fortschrittlicher Verbundwerkstoffe für Elektrofahrzeuge und die Automobilindustrie
Unter Verbundwerkstoffen versteht man Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen. Als Hauptmatrixmaterialien können typischerweise Metalle, Keramik oder Polymermaterialien verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien sind die meisten Verbundwerkstoffe mit dem Fokus auf hohe spezifische Festigkeit, geringeres Gewicht und relativ hohe Korrosionsbeständigkeit konzipiert. Höhere Festigkeit, höhere Dauerfestigkeit, bessere physikalische Eigenschaften, geringeres Gewicht und bessere Oberflächenbeschaffenheit sind die Hauptvorteile von Verbundwerkstoffen.
In der Automobilindustrie sind Verbundwerkstoffe leichter als die am häufigsten verwendeten Metalle. Verbundwerkstoffe auf Kohlenstofffaserbasis sind die leistungsstärksten Polymerverbundwerkstoffe, die in Autos, der Luft- und Raumfahrt, der militärischen Verteidigung und Sportausrüstung verwendet werden. In herkömmlichen Autos bildet Metall die zentrale Struktur, während einige Innenteile aus Verbundwerkstoffen bestehen. In den letzten Jahren galten Kohlefaserverbundwerkstoffe als das am besten geeignete Material zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts, obwohl es sich von herkömmlichen Metallen unterscheiden kann und teuer ist.
Im Vergleich zu Aluminiumlegierungen können bei Verbundwerkstoffen stärkere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften, der Mikrostruktur und der Oberflächenmorphologie erzielt werden. Im Allgemeinen werden Verbundwerkstoffe in der Automobilindustrie als Sonderwerkstoffe klassifiziert. Bei Elektrofahrzeugen machen Stahl und Gusseisen gewichtsmäßig etwa die Hälfte der Materialien aus; Aluminiumlegierungen machen etwa 9 % der Gesamtmenge aus, Kunststoffe 11 % und Gummi 3 %. Heutzutage konzentrieren sich die Industrien auf die Nutzung erneuerbarer Ressourcen und die weitere Nutzung recycelbarer, umweltfreundlicher und weniger gefährlicher Materialien mit globaler Wirkung.
Die Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sind große Herausforderungen für die Automobilindustrie. Da die Energieerzeugung auf kohlenstoffbasierten fossilen Brennstoffen basiert, werden große Mengen an Treibhausgasen in die Umwelt emittiert. Mit dem kontinuierlichen Anstieg des weltweiten Stromverbrauchs ist in den letzten Jahrzehnten ein Anstieg des Energiebedarfs zu verzeichnen. Aufgrund der hohen Kraftstoffkosten und auch unter Berücksichtigung der Umweltzerstörung sind Verbraucher motiviert, sich für Elektrofahrzeuge zu entscheiden. Die Nachfrage und Motivation für den Einsatz von Elektrofahrzeugen ist in vielen Ländern der Welt gestiegen. Elektrofahrzeuge sind Alternativen zu Diesel-, Benzin- und anderen Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen, da sie Lithium-Ionen-Batterien verwenden, die den Komfort einer gemischten Ladung bieten und leichter sind, da die meisten Komponenten aus Verbundwerkstoffen bestehen, um die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern. Darüber hinaus benötigen sie möglicherweise nicht die meisten Komponenten, die für herkömmliche, mit fossilen Brennstoffen betriebene Fahrzeuge erforderlich sind. Einige Ride-Hailing-Unternehmen konzentrieren sich darauf, ihre Flotten mit Verbrennungsmotoren durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen.
Um Probleme mit der Energieeffizienz anzugehen, schlagen Forscher den Einsatz von Leichtbaumaterialien als Ersatz für Automobilteile vor, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs reduziert und gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. Pro 10 Kilogramm weniger Fahrzeuggewicht sinken die CO2-Emissionen um 1 Gramm pro Kilometer und damit der Kraftstoffverbrauch. Die Leichtbaulösung wird nach und nach zu einer wichtigen Methode, da sie sich bei der Reduzierung des Kraftstoffbedarfs und der Emissionen als wirksam erwiesen hat.
Der Schwerpunkt des Leichtbaus im Automobilbereich liegt auf der Reduzierung der Fahrzeugmasse durch alternative Materialien und die Neugestaltung von Komponenten, während gleichzeitig die Größe des Fahrzeugs erhalten bleibt und die Bedürfnisse der Verbraucher weiter erfüllt werden. Bei der Konstruktion von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben Forscher verschiedene Technologien eingesetzt, um die Vorteile von Leichtbaumaterialien im Vergleich zu herkömmlichen Materialien zu untersuchen. Das Ergebnis der Integration von Elektrofahrzeugen und Leichtbau ist eine Verringerung der Umweltbelastung des Fahrzeugs. Darüber hinaus ist der Einsatz von Leichtbaumaterialien in Elektrofahrzeugen absehbar, da dadurch die Leistung durch Gewichtsreduzierung verbessert werden kann, beispielsweise die Reichweite und die Kontrolle der Batteriegröße (wie in der Abbildung unten dargestellt).
Zusammensetzung der Strukturkomponenten von Elektrofahrzeugen
Verbundwerkstoffe gelten als potenzielle Kandidatenmaterialien für die Herstellung von Leichtbaukomponenten. Es wurden Anstrengungen unternommen, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und gleichzeitig kostengünstige Methoden zur Herstellung von Leichtbaumaterialien wie kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zu entwickeln. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien verfügt CFK über eine hohe Festigkeit, ein geringes Gewicht, eine gute Vibrationsbeständigkeit, eine hohe Steifigkeit sowie eine höhere Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit.
Obwohl die Automobil-Verbundwerkstofftechnologie in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit und Forschung erfahren hat, bleibt die Beschäftigung in der Automobilindustrie immer noch hinter der Luft- und Raumfahrtindustrie zurück. Daher sind weitere Entwicklungen und Weiterentwicklungen erforderlich, um der wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen gerecht zu werden. Die folgende Tabelle zeigt die Klassifizierung verschiedener Fahrzeugtypen. Wenn man aktuelle Statistiken aus der Elektrofahrzeug- und der Automobilindustrie kombiniert, belief sich der geschätzte Wert des internationalen Marktes für Pkw-Elektrofahrzeuge im Jahr 2020 auf etwa 120,81 Milliarden US-Dollar, mit einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 32,5 % von 2021 bis 2028.
Verschiedene Fahrzeugkategorien
Im Jahr 2020 beliefen sich die weltweiten Autoverkäufe auf etwa 3 Millionen Einheiten, was einem Anstieg von fast 40 % gegenüber 2019 entspricht. Im selben Jahr machten Elektrofahrzeuge in China etwa 30 % der weltweiten Verkäufe aus. Seit 2021 bieten die USA mehr als 15 verschiedene Modelle batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) an. Im Vergleich zu Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEV) wird bei BEVs aufgrund ihrer Reichweitenprobleme ein höheres Wachstum erwartet.
In der Nische der batterieelektrischen Fahrzeuge war die verbesserte Version des Tesla Model S am häufigsten, wobei der Anbieter im Jahr 2020 über 70 % des Umsatzes im Bereich der batterieelektrischen Fahrzeuge erzielte. Die höchste durchschnittliche jährliche Wachstumsrate in der PHEV-Branche könnte im Prognosezeitraum 32 % überschreiten. Diese Fortschritte sind auf die Empfehlungen der Regierungen von Industrie- und Entwicklungsländern zur Förderung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen zurückzuführen.