Giải thích toàn diện về vật liệu tổng hợp tiên tiến cho xe điện và ngành công nghiệp ô tô
Vật liệu composite là vật liệu được tạo thành từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau. Thông thường, kim loại, gốm sứ hoặc vật liệu polymer có thể được sử dụng làm vật liệu nền chính. So với vật liệu truyền thống, hầu hết vật liệu composite được thiết kế tập trung vào cường độ riêng cao, trọng lượng nhẹ hơn và khả năng chống ăn mòn tương đối cao. Độ bền cao hơn, độ bền mỏi cao hơn, tính chất vật lý tốt hơn, trọng lượng nhẹ hơn và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn là những ưu điểm chính của vật liệu composite.
Trong ngành công nghiệp ô tô, vật liệu composite nhẹ hơn các kim loại được sử dụng phổ biến nhất. Vật liệu tổng hợp dựa trên sợi carbon là vật liệu tổng hợp polymer có hiệu suất cao nhất được sử dụng trong ô tô, hàng không vũ trụ, quốc phòng quân sự và thiết bị thể thao. Trong ô tô truyền thống, kim loại là cấu trúc trung tâm, trong khi một số bộ phận bên trong được làm bằng vật liệu composite. Trong những năm gần đây, vật liệu tổng hợp sợi carbon được coi là vật liệu phù hợp nhất để giảm trọng lượng xe, mặc dù nó có thể khác với kim loại truyền thống và đắt tiền.
So với hợp kim nhôm, vật liệu composite có thể có nhiều cải tiến hơn về tính chất cơ học, cấu trúc vi mô và hình thái bề mặt. Nhìn chung, ứng dụng của vật liệu composite trong ngành ô tô được xếp vào loại vật liệu đặc biệt. Trong xe điện, thép và gang chiếm khoảng một nửa trọng lượng vật liệu; hợp kim nhôm chiếm khoảng 9% tổng số, nhựa chiếm 11% và cao su chiếm 3%. Ngày nay, các ngành công nghiệp đang tập trung vào việc sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo và tiếp tục sử dụng các vật liệu có thể tái chế, thân thiện với môi trường và ít nguy hiểm hơn với tác động toàn cầu.
Giảm lượng khí thải và tiêu thụ nhiên liệu là những thách thức lớn mà ngành công nghiệp ô tô phải đối mặt. Do sản xuất năng lượng dựa vào nhiên liệu hóa thạch dựa trên carbon, một lượng lớn khí nhà kính được thải ra môi trường. Với sự gia tăng liên tục của mức tiêu thụ điện toàn cầu, nhu cầu năng lượng đã tăng lên trong vài thập kỷ qua. Do chi phí nhiên liệu cao, đồng thời cân nhắc đến tình trạng suy thoái môi trường, người tiêu dùng có động lực lựa chọn xe điện. Nhu cầu và động lực sử dụng xe điện ngày càng tăng ở nhiều nước trên thế giới. Xe điện là lựa chọn thay thế cho động cơ diesel, xăng và các loại nhiên liệu hóa thạch khác vì chúng sử dụng pin lithium-ion, mang lại sự thuận tiện cho việc sạc hỗn hợp và có trọng lượng nhẹ hơn vì hầu hết các bộ phận đều được làm từ vật liệu composite để cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu của xe. Ngoài ra, họ có thể không yêu cầu hầu hết các bộ phận cần thiết cho các phương tiện truyền thống chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Một số công ty gọi xe đang tập trung vào việc thay thế đội xe động cơ đốt trong của họ bằng xe điện.
Để giải quyết các vấn đề về hiệu quả sử dụng năng lượng, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng vật liệu nhẹ để thay thế các bộ phận ô tô, có thể giảm trọng lượng xe đồng thời tăng cường tiết kiệm nhiên liệu. Cứ giảm 10 kg trọng lượng xe, lượng khí thải carbon sẽ giảm 1 gam trên mỗi km, từ đó giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Giải pháp nhẹ đang dần trở thành một phương pháp quan trọng vì nó đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm nhu cầu nhiên liệu và khí thải.
Trọng lượng nhẹ của ô tô tập trung vào việc giảm khối lượng xe thông qua các vật liệu thay thế và thiết kế lại các bộ phận, đồng thời duy trì kích thước của xe và đảm bảo hơn nữa nhu cầu của người tiêu dùng. Trong thiết kế ô tô động cơ đốt trong, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để nghiên cứu ưu điểm của vật liệu nhẹ so với vật liệu truyền thống. Kết quả của việc tích hợp xe điện và thiết kế gọn nhẹ là giảm tác động đến môi trường của xe. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu nhẹ trong xe điện là có thể đoán trước được vì nó có thể cải thiện hiệu suất bằng cách giảm khối lượng, chẳng hạn như phạm vi lái xe và kiểm soát kích thước pin (như minh họa trong hình bên dưới).
Thành phần kết cấu xe điện
Vật liệu composite được coi là vật liệu ứng cử viên tiềm năng để sản xuất các bộ phận nhẹ và đã có nhiều nỗ lực nhằm giảm trọng lượng xe đồng thời phát triển các phương pháp tiết kiệm chi phí để sản xuất vật liệu nhẹ như Nhựa gia cố sợi carbon (CFRP). So với các vật liệu truyền thống, CFRP sở hữu độ bền cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống rung tốt, độ cứng cao, khả năng chống mỏi và ăn mòn cao hơn.
Trong những năm gần đây, mặc dù công nghệ vật liệu composite ô tô đã nhận được sự quan tâm và nghiên cứu rộng rãi nhưng việc làm trong ngành ô tô vẫn tụt hậu so với ngành hàng không vũ trụ. Vì vậy, cần phải phát triển và tiến bộ hơn nữa để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về xe điện. Biểu đồ sau đây cho thấy sự phân loại của các loại xe khác nhau. Kết hợp số liệu thống kê hiện tại từ ngành công nghiệp ô tô và xe điện, giá trị ước tính của thị trường xe điện chở khách quốc tế vào năm 2020 là khoảng 120,81 tỷ USD, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm dự kiến là khoảng 32,5% từ năm 2021 đến năm 2028.
Các loại xe khác nhau
Năm 2020, doanh số bán ô tô toàn cầu đạt xấp xỉ 3 triệu chiếc, đánh dấu mức tăng gần 40% so với năm 2019. Cùng năm đó, xe điện tại Trung Quốc chiếm khoảng 30% doanh số toàn cầu. Kể từ năm 2021, Hoa Kỳ đã cung cấp hơn 15 mẫu xe chạy bằng pin-điện (BEV) khác nhau. So với xe điện plug-in hybrid (PHEV), BEV dự kiến sẽ có mức tăng trưởng cao hơn do vấn đề về phạm vi hoạt động.
Trong phân khúc xe chạy bằng pin-điện, phiên bản nâng cấp của Tesla Model S là phổ biến nhất, với việc nhà cung cấp này đạt được hơn 70% doanh số bán hàng trong lĩnh vực xe chạy bằng pin-điện vào năm 2020. Tốc độ tăng trưởng kép hàng năm cao nhất trong ngành PHEV có thể vượt quá 32% trong giai đoạn dự báo. Những tiến bộ này có thể là do các khuyến nghị được đưa ra bởi chính phủ các nền kinh tế công nghiệp hóa và đang phát triển nhằm thúc đẩy việc sử dụng xe điện.