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材料科學(xué)中輕量化技術(shù)的重要性

來(lái)源:日立分析儀器(上海)有限公司   2024年10月11日 14:25  

輕量化是推動(dòng)航空航天和汽車行業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵因素。通過(guò)減輕重量,制造商能提高燃油效率,延長(zhǎng)車輛行駛里程,并減少排放。

 

材料分析對(duì)于優(yōu)化輕量化工藝、確保材料質(zhì)量和成分至關(guān)重要。隨著科技的進(jìn)步,新材料和制造技術(shù)帶來(lái)的機(jī)遇振奮人心,可確保在不減損性能或安全性的同時(shí)減輕重量。

圖片

 

 

   01

 

輕量化勢(shì)在必行

 

輕量化已成為優(yōu)化產(chǎn)品性能和環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)鍵策略。出于國(guó)際民用航空組織(ICAO)的嚴(yán)格規(guī)定以及歐盟的二氧化碳排放法規(guī)部分原因,制造商通過(guò)涉及材料替代和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的減重策略,在燃油效率、減排和整體運(yùn)營(yíng)效率方面實(shí)現(xiàn)重大改善。

重量和性能之間的相互關(guān)系密切。在航空航天行業(yè),從飛機(jī)上減少一公斤材料,每年便可節(jié)省106公斤噴氣燃料,從而減少溫室氣體排放。減重的級(jí)聯(lián)效應(yīng)不僅限于直接的運(yùn)營(yíng)效益,還包括降低材料消耗、減少運(yùn)輸排放和優(yōu)化制造工藝。

 

 


   02


先進(jìn)的材料

 

選擇合適的材料對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)輕量化至關(guān)重要。目前,正在探索各種各樣的備選方案:

金屬合金:鋁合金在強(qiáng)度、重量和耐腐蝕性方面實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。鎂合金在輕量化性能方面表現(xiàn)出色,而鋼合金則具有出色的耐用性。
復(fù)合材料:碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料等纖維增強(qiáng)聚合物具有較高的強(qiáng)度重量比和較強(qiáng)的耐腐蝕性。在航空航天行業(yè),復(fù)合材料用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾部和內(nèi)部構(gòu)件。在汽車行業(yè),復(fù)合材料用于車身面板、底盤組件以及座椅和儀表板等內(nèi)飾件,能減輕重量并提高性能。
塑料:塑料重量輕,用途廣泛,價(jià)格實(shí)惠,易于制造。塑料包括聚氨酯和聚苯乙烯泡沫等材料,以及各種聚合物。這些材料用于絕緣、包裝和結(jié)構(gòu)件。在汽車行業(yè)中,塑料約占車輛體積的50%,但僅占其重量的10%。這種顯著的體積重量比使得塑料成為在保持功能和性能的同時(shí)減輕車輛總重量的理想選擇。.
制造工藝:一體化壓鑄(Gigacasting)等先進(jìn)技術(shù)能夠生產(chǎn)大型復(fù)雜部件,同時(shí)減輕其重量和成本。

 

 

   03


塑造未來(lái)


輕量化的未來(lái)驅(qū)動(dòng)因素有以下幾個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì):
  • 增材制造:3D打印提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度,完全能夠在使用較少原材料的同時(shí)創(chuàng)建復(fù)雜、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

  • 材料創(chuàng)新:不斷進(jìn)行的研發(fā)工作引導(dǎo)我們發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異性能的新型材料,如石墨烯、碳納米管、高性能聚合物,以及雙相鋼等高級(jí)鋼合金。這些材料有可能在不減損性能的情況下顯著減輕重量。特別是雙相鋼,其強(qiáng)度高、延展性好,能夠用于生產(chǎn)復(fù)雜的且重量更輕的結(jié)構(gòu)件,與傳統(tǒng)的微合金鋼牌號(hào)相比,最多可減重20%。

  • 設(shè)計(jì)優(yōu)化:先進(jìn)的軟件工具,結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化、人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù),賦能工程師保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)去除多余材料,從而設(shè)計(jì)更輕、更堅(jiān)固的部件。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以分析大量數(shù)據(jù),確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù),預(yù)測(cè)性能結(jié)果,不斷提高設(shè)計(jì)效率。

  • 可持續(xù)性:人們?nèi)找嬖黾訉?duì)環(huán)境影響的關(guān)注正推動(dòng)可回收和環(huán)保材料與工藝的發(fā)展。
通過(guò)接受這些趨勢(shì),各行業(yè)可以繼續(xù)突破輕量化的界限,創(chuàng)造更加可持續(xù)、更加高效的產(chǎn)品。

 

   04


材料分析儀用于促進(jìn)輕量化


材料分析是成功輕量化策略的關(guān)鍵組成部分。通過(guò)材料成分和性能的準(zhǔn)確表征,制造商可以優(yōu)化材料選擇,識(shí)別潛在缺陷,確保產(chǎn)品質(zhì)量。

 

鎂合金

輕量化冠軍


鎂合金是汽車和航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中輕量部件的常用材料。它們的使用可以顯著減輕車輛重量,從而提高燃油效率,減少排放。然而,鎂存在一些缺點(diǎn):與鋁相比,鎂本身具有易燃性,并且剛度更低??稍阪V中添加各種合金元素以定制其性能,增強(qiáng)鎂在高要求的航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中的適用性。
鋁(Al):作為主要合金元素,鋁能增強(qiáng)鎂的強(qiáng)度、耐腐蝕性、壓鑄性和可加工性。AZ91D等常見(jiàn)的鎂鋁合金體現(xiàn)了這些特性。
鋅(Zn):鋅以其強(qiáng)度高和硬度大而聞名,特別是在高溫條件下的強(qiáng)度和硬度,因此,鋅是鎂合金的關(guān)鍵成分。ZK60合金含鋅,非常適合需要高強(qiáng)度和較強(qiáng)加工性能的應(yīng)用領(lǐng)域。
錳(Mn):錳是鎂中的一種用途廣泛的合金元素,可提高機(jī)械性能和耐腐蝕性。AM60等鎂錳合金 一般通過(guò)加錳來(lái)提高整體性能。
稀土元素:鎂合金中的稀土元素可顯著提高性能。鈰(Ce)可提高高溫下的抗蠕變性和機(jī)械性能,使其非常適合航空航天和汽車應(yīng)用領(lǐng)域。釹(Nd)能增強(qiáng)用于高應(yīng)力應(yīng)用領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)組件所需的機(jī)械性能和耐腐蝕性。釔(Y)可提高抗蠕變性和高溫穩(wěn)定性,是航空航天和賽車部件的理想選擇。釓(Gd)可提高強(qiáng)度和延展性,使其在電子和高性能零件中極具價(jià)值。這些元素使鎂合金特別適合熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力下的高要求應(yīng)用領(lǐng)域。
    

直讀光譜技術(shù)(OES)通過(guò)以下方式在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用:


  • 驗(yàn)證合金成分:精確分析鎂合金對(duì)于保證所需性能和防止性能問(wèn)題至關(guān)重要。
  • 檢測(cè)雜質(zhì):監(jiān)測(cè)合金一致性:確保整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中材料質(zhì)量的一致性對(duì)于保持部件性能至關(guān)重要。

 

碳纖維復(fù)合材料
輕量化的未來(lái)


碳纖維復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比和剛度革新了航空航天和汽車行業(yè)。為最大限度地發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì),精確控制纖維方向和樹(shù)脂成分至關(guān)重要。


材料分析儀在以下方面發(fā)揮關(guān)鍵作用:

監(jiān)測(cè)機(jī)械性能:了解纖維強(qiáng)度、模量和其他性能對(duì)于優(yōu)化復(fù)合材料性能至關(guān)重要。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)和熱機(jī)械分析(TMA)是關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析可用于分析玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg),評(píng)價(jià)粘彈性能、剛度和阻尼,而熱機(jī)械分析可高度精確地評(píng)估熱膨脹情況和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。這些方法能幫助工程師優(yōu)化復(fù)合材料性能,使其獲得更好的性能。
監(jiān)測(cè)化學(xué)性能:可使用熱重分析(TGA)和X射線熒光(XRF)分析儀分析樹(shù)脂成分和固化性能,并識(shí)別雜質(zhì)。此外,可利用差示掃描量熱法(DSC)評(píng)估預(yù)浸材料的固化程度。
  

一體化壓鑄
革新汽車生產(chǎn)行業(yè)


一體化壓鑄是一種具有開(kāi)創(chuàng)性意義的制造工藝,能夠通過(guò)一次壓鑄作業(yè)生產(chǎn)大型復(fù)雜部件。這種工藝將多個(gè)零部件整合成一個(gè),消除對(duì)緊固件和焊接等會(huì)增重的連接方法的需要。與傳統(tǒng)組裝方法相比,這種一體化壓鑄技術(shù)能明顯減輕重量,節(jié)省成本。
一體化壓鑄工藝通常使用比傳統(tǒng)材料更輕、更堅(jiān)固的高級(jí)鋁合金。這些合金經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),具有較高的強(qiáng)度重量比,有助于實(shí)現(xiàn)整車輕量化。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量和準(zhǔn)確的尺寸,需要對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行精確控制。

 

直讀光譜技術(shù)(OES)通過(guò)以下方式在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用:

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  • 監(jiān)測(cè)合金成分:通過(guò)利用先進(jìn)的材料分析,制造商可以加速輕量化部件的開(kāi)發(fā),減少生產(chǎn)誤差,最終實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品性能和更強(qiáng)的可持續(xù)性。

 

   05


航空航天和汽車領(lǐng)域的可持續(xù)實(shí)踐


輕質(zhì)材料的使用會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。即使對(duì)材料選擇進(jìn)行微小的調(diào)整,也可以大幅減少碳和溫室氣體排放,最終改善整體環(huán)境足跡。
在航空航天和汽車行業(yè)中,輕量化和先進(jìn)材料的納入有助于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。然而,值得注意的是,雖然輕量化可以提高可持續(xù)性,但必須獨(dú)立開(kāi)發(fā)有效的回收工藝,以確保保持這些材料的質(zhì)量和性能。先進(jìn)的分析儀正用于回收和研究,協(xié)助精確的材料表征,從而提高回收效率。這些工具是材料科學(xué)持續(xù)創(chuàng)新不可或缺的一部分,可確保未來(lái)的發(fā)展既可持續(xù)又高效。
緊跟輕量化的最新趨勢(shì)對(duì)于汽車和航空航天制造商至關(guān)重要,因?yàn)樗麄兿M^續(xù)構(gòu)建可持續(xù)、耐用并且性價(jià)比高的產(chǎn)品。
輕量化的未來(lái)具有巨大潛力。隨著各行業(yè)努力提高效率和可持續(xù)性,材料分析在確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能方面也將變得越來(lái)越重要。

 

 

 

 

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