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소개

탄소 섬유 복합 재료는 고급 복합 성형 방법에 의해 수지, 금속 및 세라믹을 매트릭스로 사용하고 탄소 섬유를 보강재로 사용하여 만든 고성능 복합 재료입니다. CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)는 자동차 응용 분야에 사용되는 주요 소재로 저밀도, 고탄성률 및 높은 비강도와 같은 일련의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 항공 우주, 풍력 발전, 레저 및 스포츠, 군사 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 지구 환경의 오염이 날로 심각해짐에 따라 "에너지 절약 및 배출 감소, 저탄소 경제 발전"은 전 세계적으로 높은 공감대를 형성했습니다. 자동차의 경량화는 에너지 소비와 배기 가스 배출을 효과적으로 줄일 수 있습니다. CFRP는 내열성, 내식성, 충격 흡수 등의 특성이 우수한 경량 소재로 제품 외관이 시원합니다. 따라서 자동차 엔지니어들이 점점 선호하고 있습니다. CFRP의 자동차 적용을 촉진하기 위해 최근 몇 년 동안 많은 대학과 기업에서도 자동차에 CFRP를 적용하는 연구를 수행했습니다.

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체골격에 CFRP 적용

낮은 밀도, 높은 모듈러스 및 특정 강도로 인해 CFRP는 종종 대형 구조 부품의 경량화 응용 분야에 적합합니다. 전체 차량의 질량에 가장 크게 기여하는 시스템으로 차체 골격은 CFRP 경량화 및 초기 CFRP 적용의 가장 중요한 대상입니다. General Motors는 이미 1992년에 CFRP 초경량 차체 골격 구조 컨셉트카를 개발했고, 2013년 출시된 BMW의 i3 차체는 CFRP 승객실을 사용하여 CFRP 응용 연구 붐을 일으켰습니다. 이후 차체 골격에 CFRP를 적용하는 범위는 슈퍼 스포츠카에서 고급차, 신에너지차까지 점차 확대됐다. BMW i3 승객실은 34개의 CFRP 부품으로 구성되며, 이 중 13개는 일체형으로 성형되어(프리폼 48개 포함) 고도의 통합을 달성합니다. 예를 들어 i3 사이드 바디는 9개의 프리폼으로 분할되고 9개의 프리폼은 RTM(Resin Transfer Molding) 기술로 성형되어 내부 및 외부 측면 바디 패널을 형성합니다. BMW i8, BMW 7 시리즈, Lexus LFA, Lamborghini Aventador LP700-4 차체 골격 구조 부품은 CFRP 부품을 많이 사용하고 Audi A8 뒷좌석 등받이 패널도 CFRP를 사용합니다. 또한 Mercedes-Benz, Ford, Toyota 및 기타 외국 주류 자동차 회사에는 차체 골격 구조 부품 응용 연구 및 모델 출시에 CFRP가 있습니다. Lamborghini Aventador LP700-4 차체 골격 구조 부품은 CFRP 부품을 많이 사용하고 Audi A8 뒷좌석 백 패널도 CFRP를 사용합니다. 또한 Mercedes-Benz, Ford, Toyota 및 기타 외국 주류 자동차 회사에는 차체 골격 구조 부품 응용 연구 및 모델 출시에 CFRP가 있습니다. Lamborghini Aventador LP700-4 차체 골격 구조 부품은 CFRP 부품을 많이 사용하고 Audi A8 뒷좌석 백 패널도 CFRP를 사용합니다. 또한 Mercedes-Benz, Ford, Toyota 및 기타 외국 주류 자동차 회사에는 차체 골격 구조 부품 응용 연구 및 모델 출시에 CFRP가 있습니다.

경량화는 차량 개발의 주요 목표 중 하나이며, 현재 모델 부품의 경량화는 업계의 주요 관심을 받고 있습니다. 신체 골격에 CFRP를 적용하여 약 100kg의 무게를 줄였습니다.

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차체 커버링 및 내외장재에 CFRP 적용

CFRP는 해외 모델의 외부 커버링에 많이 사용되며, 특히 고급차의 경우 포지셔닝이 높을수록 CFRP 비용이 비싸기 때문에 CFRP의 커버링 형태로 적용되는 경우가 많습니다. BMW, Audi, Mercedes-Benz, Lexus, Lamborghini 및 기타 브랜드의 고급 모델과 같은 고급 옵션 또는 수정 된 스포츠 키트, 도어 브라이트 스트립, 리어 스포일러, 리어 윙 등 CFRP 커버링 자체 개발 내부 및 외부 트림 부품, 시중에서 수정할 수 있는 특수 CFRP 부품도 있습니다.

CFRP는 또한 국내 차체 커버링 및 외부 트림 부품의 응용 연구 핫스팟입니다. 기본적으로 국내 모든 OEM들이 차체 커버링 및 익스테리어 트림에 CFRP 적용에 대한 연구를 진행하고 있으며 적용이 증가하고 있습니다. 최근 CFRP 차체 커버링 및 외장 트림 부품을 개발 적용한 주요 모델은 Promised K50, Geely Link 03+/05+, Volvo Polaris 1, Great Wall WEYVV7, SAIC MG6 등이다. 이미 대량 생산 개발 중입니다.

2018년 출시된 순수 전기 스포츠카인 Frontage K50은 전면 및 후면 범퍼를 제외한 총 29개의 CFRP 부품으로 "올 카본" 바디 커버링(외장 트림 부품 포함)을 채택한 중국 유일의 모델입니다. 그리고 사이드 스커트. 총 중량은 46.7kg에 불과해 기존 금속 부품보다 40% 이상 가볍습니다.

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섀시 시스템에 CFRP 적용

대부분의 섀시 구성 요소는 "하부 스프링 질량"이며 경량으로 전체 차량의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 섀시 부품은 열악한 환경에 위치하며 대부분이 움직이는 부품으로 내구성, 피로, 부식 등 더 높은 신뢰성 성능이 요구됩니다. 섀시 부품에서 CFRP의 과제는 차체 구조 부품보다 더 큰 경우가 많습니다. 따라서 중국과 해외에서 섀시 부품에 CFRP를 적용하는 것은 매우 어렵습니다. 현재 섀시에 대한 CFRP 응용 연구의 주요 구성 요소는 드라이브 샤프트, 서브 프레임, 컨트롤 암, 스태빌라이저 바, 스티어링 너클, 휠 허브, 스프링 등입니다. 드라이브 샤프트는 전달하는 자동차의 전송 시스템에서 중요한 부분입니다. 힘, 그 역할은 변속기와 구동축과 함께 엔진의 동력을 바퀴에 전달하여 자동차가 구동력을 발휘하도록 하는 것입니다. 전통적인 자동차 구동축은 주로 고품질 탄소 합금강 40Cr, 30CrMo, 42CrMo 등과 같은 금속 재료를 사용합니다. 구동축을 준비하기 위해 원래 금속 재료 대신 CFRP를 사용하면 고강도, 강성 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 구동축의 피로도 및 피로도를 대폭 감소시켰을 뿐만 아니라, 진동 저항성 향상, 소음 저감 등을 통해 변속기의 에너지 손실과 차량 중량을 감소시켰습니다.

탄소 섬유 복합 자동차 구동축은 1880년대 제너럴 모터스의 대형 차량에 사용되어 강철에 비해 질량을 60% 줄였습니다. 기술 및 생산 장비의 지속적인 업데이트 및 개선으로 탄소 섬유 복합 드라이브 샤프트의 생산 및 적용도 확장되는 경향이 있습니다.

서브프레임은 차체와 서스펜션의 연결을 위한 중간 완충장치로 대부분의 기존 서브프레임은 스탬핑 및 용접을 통해 강판으로 제작됩니다. 경량화 기술의 발전으로 최근 몇 년 동안 점차 알루미늄 합금 서브프레임으로 변경되었으며, CFRP 복합 서브프레임은 알루미늄 합금 서브프레임에 비해 중량 감소의 여지가 더 있습니다. 포드와 마그나가 개발한 CFRP 서브프레임은 복합재 몬데오에 적용돼 기존 서브프레임의 스틸 부품을 45% 대체하고 무게를 약 34% 줄였다.

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결론

CFRP는 저밀도, 고탄성률, 고비강도의 장점을 가지고 있으며 자동차 분야에서 폭넓은 적용 전망을 가지고 있습니다. 그러나 높은 비용으로 인해 CFRP는 여전히 일부 고급 모델에서 주로 사용됩니다.

CFRP의 눈부신 외모는 젊은이들 사이에서 인기가 높으며 모델의 하이엔드나 옵션 형태에 판촉 포인트로 '스포츠 킷' 형태로 많은 모델이 개발되고 있다. 부품 시장에서 외부 "스포츠 패키지"의 수정은 CFRP 적용에서 더 큰 시장을 차지합니다.