用于电动车的新型多功能混合纤维复合材料的研究

电动运输: 21世纪关键技术趋势之一

在过去的几十年里，人类为满足能源和运输需求而开采大量化石燃料资源对环境造成的破坏已经变得越来越明显。

电动汽车是一个增长的行业，在过去的十年里，一些汽车公司推出了全电动的车型。此外，目前将碳排放减少到零的承诺，使各国政府的目标是在未来十年或二十年内逐步淘汰新的内燃机汽车销售，而改用电动车型。

电力推进已经被广泛地探索用于多种类型的车辆，包括家庭轿车、重型货车、火车和飞机。然而，要使电力推进系统提供与传统内燃机汽车相同的性能和效率，必须应对一些技术挑战，特别是重型车辆、火车和飞机需要能够提供卓越动力总成性能的系统。

使用多功能材料优化电力推进系统

优化推进系统对于确保其能够满足新一代运输的电力需求的高效性能至关重要。优化组件是科学家和制造商广泛采用的技术方法。除了这种成分优化之外，高效多功能材料的设计已成为近年来的主要研究趋势。

在多功能材料中，储能复合材料在最近的研究中得到了探索。这些材料有助于实现高效节能的飞机和道路车辆。与这些材料及其在组件中使用相关的一个关键挑战是设计它们以提供高电能以满足车辆系统的需求并减少组件重量。

为了减少电缆重量，主要策略是提高工作电压。如果电压增加到 2000 V，则只需要 200 kg 的电缆。这种方法适用于主要的电力传输线，但最先进的客机也有大量用于多个系统的电缆，这种策略可能不足以用于这些类型的电缆。在拥有 300 个座位的全电动客机中，布线可占电气系统总质量的 30%。

目前已提出包含金属相的多功能导电混合材料作为解决全电动交通关键技术挑战的潜在解决方案。由于碳的高电阻率和聚合物基体的绝缘性能，包含碳基纳米材料和聚合物的混合复合材料的电导率低。

当前研究中的一种方法是整合微型连续金属纤维。这些纤维的直径小于100 µm。然而，高体积分数是必要的，这会导致重量增加的问题。需要一种更高效、更轻质的材料策略来帮助这些多功能材料在未来的电动交通中具有商业可行性。

拟解决方案

为了克服这一关键问题，来自德国和加拿大的一个团队开发并评估了一种新型轻质高效的多功能混合复合材料，其中包含玻璃纤维和铝纤维。

该复合材料结合了单向铝纤维预浸料和单向玻璃纤维编织织物。复合材料是用缠绕技术制备。对不含铝的参考样品和以三种不同比例含铝的样品的材料性能进行了评估。

性能是根据不同的机械和电气负载来测量的。采用了各种技术来评估样品，包括电位仪、热成像和显微镜。该团队表征了多功能复合材料的机械性能。首先，评估了材料在疲劳和静态负载方面的机械性能；其次，研究旨在证明该复合材料可以在不影响其机械性能的情况下携带技术上相关电荷；第三，更深入地了解机械和电荷下的损伤机制。最后，研究讨论了所提出的多功能混合材料的能力和它的技术潜力。因此，该研究为电力推进系统和电动汽车的未来发展提供了有价值的信息，并为实现新一代电导体提供了途径。

研究结果

该研究得出了几点重要的结论。首先，平行方向上的疲劳和拉伸强度没有受到10%的铝集成体积的负面影响。然而，横向强度却明显降低。改进的表面处理可以改善这一点。电导率在静态载荷下一直保持到试样破裂，但在循环载荷下会下降。

复合材料可以承载320 mA/mm2的电流。然而，在低负荷水平下对疲劳寿命有负面影响。需要解决的一个基本问题是薄铝纤维接触。这在整合更细纤维的方法中尤其重要。

该团对研究的另一个问题是所使用的低电压。现实世界的电动汽车需要更高的能量传输，因此需要对高电压和高电流进行进一步研究。此外，未来还需要对工业制造、可靠和耐用的接触器设计、电气系统集成以及可修复性和安全性问题进行研究。