Bu makale, yeni enerji araçlarına yönelik hidrojen depolama ve akü paketi muhafazalarında karbon fiber kompozitlerin mevcut uygulamalarını ve araştırma ilerlemelerini incelemektedir. Yüksek basınçlı gaz silindirlerinin ve akü paketi muhafazalarının sınıflandırılması ve geliştirme eğilimleri tartışılıyor, karbon fiber kompozitlerin avantaj ve dezavantajları analiz ediliyor ve yeni enerji araçları alanında yüksek performanslı fiber kompozitlerin gelecekteki uygulamaları ve beklentileri öngörülüyor.

Karbon Fiber Kompozitlere Genel Bakış

Araç ağırlığını azaltmak için hafif malzemelerin kullanılması, yeni enerji araçlarının hafifletilmesinde önemli bir yöntem haline geldi. Malzeme biliminin sürekli gelişmesiyle birlikte cam elyaf takviyeli kompozitler ve karbon elyaf takviyeli kompozitler gibi çeşitli hafif elyaf kompozitler yeni enerji araçları alanında kullanılmaya başlanmıştır.

Düşük yoğunluğu, yüksek mukavemeti, korozyon direnci ve yorulma direnci ile bilinen karbon fiber kompozitler, otomotiv sektöründe en yaygın kullanılan yüksek performanslı fiber kompozitlerdir. Araba gövdesindeki kapılar ve tavanlar, motor sistemindeki itme çubukları ve külbütörler, şanzıman sistemindeki tahrik milleri ve debriyaj bıçakları ve gövde altı çerçeveleri ve süspansiyon parçaları gibi şasi bileşenleri gibi çeşitli otomotiv sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.

Yeni enerji araçlarının hızla gelişmesiyle birlikte, güç enerjisinin güvenli bir şekilde depolanması önemli bir araştırma odağı haline geldi. Hidrojen enerjili araçlar için yüksek basınçlı gaz tüpleri ve elektrikli araçlar için akü paketi muhafazaları şu anda ana enerji depolama yöntemleridir. Karbon fiber kompozitler sayısız avantajlarıyla bu alanda ön plana çıkmaya başlıyor.

Karbon Fibere Giriş

Karbon fiberler genellikle karbon fiber kompozitler oluşturmak için reçine, metal veya seramik matrislerle birleştirilen takviye malzemeleri olarak kullanılır. Şekil 1, karbon fiber kumaşların ve karbon fiber kompozit profillerin örneklerini göstermektedir.

Karbon fiberler aşağıdaki avantajlara sahiptir:

1. Düşük yoğunluk ve yüksek mukavemet: Yalnızca 1,5~2,0 g/cm³ yoğunluğuyla, hafif alüminyum alaşımlarının yoğunluğunun yaklaşık yarısı kadardırlar, ancak çelikten 4-5 kat ve alüminyumdan 6-7 kat daha güçlüdürler.

2. Yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık dayanımı: Karbon fiberler 000u00b0C sıcaklıkta oksitleyici olmayan atmosferlerde erimez veya yumuşamaz ve sıvı nitrojen sıcaklıklarında kırılganlaşmaz.

3. İyi elektrik iletkenliği: % u00b0C'de, yüksek modüllü karbon fiberler w5 u03a9·cm'lik bir spesifik dirence sahipken, yüksek mukavemetli karbon fiberler 00u03a9·cm'lik bir spesifik dirence sahiptir.

4. Asit korozyonuna dayanıklılık: Karbon fiberler konsantre hidroklorik asit, fosforik asit ve sülfürik asitten kaynaklanan korozyona karşı dayanıklıdır.

Öncü madde türlerine, mekanik özelliklere ve filaman demet boyutlarına bağlı olarak karbon fiberler, Tablo 1'de gösterildiği gibi çeşitli türlere ayrılabilir.

Karbon fiberler tipik olarak, esas olarak çekme mukavemeti ve modül gibi mekanik özelliklerine göre sınıflandırılır. Yüksek mukavemetli tipler 2000 MPa dayanıma ve 250 GPa modüle sahipken, yüksek modüllü tipler 300 GPa'yı aşmaktadır. Ultra yüksek mukavemetli tipler 4000 MPa'dan daha büyük bir mukavemete sahiptir ve ultra yüksek modüllü tipler 450 GPa'dan daha büyük bir modüle sahiptir.

Karbon Fiber Kompozitlerin Otomotiv Alanındaki Güncel Uygulamaları

Yeşil enerji ve verimliliğe yönelik talebin artmasıyla birlikte otomotivin hafifleme düzeyi de yükselmeye devam ediyor. Avrupa Alüminyum Birliği'nin verilerine göre, bir aracın ağırlığını  oranında azaltmak, enerji verimliliğini %6 ila %8 oranında artırabilir ve kirletici emisyonları 100 kilometrede  oranında azaltabilir. Yeni enerji araçları için ağırlığın 100 kg azaltılması, menzillerini yaklaşık %6 ila  oranında artırabilmektedir.

Hafif ve yüksek mukavemetli karbon fiber kompozitlerin otomobillerde geniş bir uygulama alanı vardır. Tablo 2, karbon fiber kompozit kullanan bazı araç modellerini listelemektedir ve Şekil 2, 2025 yılına kadar 20.100 tona ulaşması beklenen küresel otomotiv karbon fiber pazarının pazar büyüklüğünü ve tahminini göstermektedir.

Hidrojen Depolamada Karbon Fiber Kompozit Uygulamaları

Yüksek mukavemeti, korozyon direnci, yorulma direnci, iyi alev geciktiriciliği ve boyutsal kararlılığı nedeniyle karbon fiber kompozitler, yeni enerji araçlarında ve hafif akü paketi muhafazalarında hidrojen depolamak için ideal malzemelerdir.

Yüksek Basınçlı Hidrojen Depolama Tankları

Yüksek basınçlı gaz silindirleri, yerli ve uluslararası üreticiler tarafından hidrojen depolamak için yaygın olarak benimsenen yöntemdir. Yüksek basınçlı hidrojen depolama tankları, malzemelerine bağlı olarak sırasıyla saf çelikten, fiber sargılı çelik astarlardan, fiber sargılı metal astarlardan ve fiber sargılı plastik astarlardan yapılmış Tip I, II, III ve IV olarak sınıflandırılır. Şekil 3'te gösterildiği gibi.

Tablo 3 farklı tipteki hidrojen depolama tanklarının performansını karşılaştırmaktadır. Yüksek basınçlı hidrojen depolama, sabit yüksek basınçlı depolama, hafif araca monteli yüksek basınçlı depolama ve taşıma yüksek basınçlı depolama olarak ayrılabilir. Sabit yüksek basınçlı depolama tankları, genellikle çelik hidrojen tankları ve çelik basınçlı kaplar, çoğunlukla hidrojen yakıt ikmal istasyonlarında kullanılır ve düşük maliyetli ve gelişmiş bir gelişim sunar.

Araca monteli hafif yüksek basınçlı depolama tankları, yapısal gücü artırmak ve toplam ağırlığı azaltmak için öncelikle alüminyum alaşımı veya karbon fiber sargılı plastik astarlar kullanır. Uluslararası alanda, 70 MPa karbon fiberle sarılmış Tip IV tanklar, hidrojen yakıt hücreli araçlarda yaygın olarak kullanılırken, yurt içinde 35 MPa karbon fiberle sarılmış Tip III tanklar daha yaygındır ve 70 MPa karbon fiberle sarılmış Tip III tanklar için daha az uygulama vardır.

Araca Monteli Yüksek Basınçlı Hidrojen Depolama Tanklarında Karbon Fiber Kompozitler

Tip III ve IV tanklar, araca monteli yüksek basınçlı hidrojen depolamada ana akımdır ve esas olarak astarlardan ve fiberle sarılmış katmanlardan oluşur. Şekil 4, karbon fiber kompozit Tip IV yüksek basınçlı hidrojen depolama tankının bir kesitini göstermektedir. Astarın etrafına helisel ve çember şeklinde sarılan fiber kompozitler öncelikle astarın yapısal mukavemetini arttırır.

Şu anda, araca monteli yüksek basınçlı hidrojen depolama tanklarında kullanılan yaygın elyaflar arasında karbon elyafları, cam elyafları, silikon karbür elyafları, alüminyum oksit elyafları, aramit elyafları ve poli(p-fenilen benzobisoksazol) elyafları bulunmaktadır. Bunlar arasında karbon fiberler, mükemmel özelliklerinden dolayı giderek ana fiber malzemesi haline geliyor.

Yurt içinde yüksek basınçlı hidrojen depolama tanklarının gelişimi uluslararası gelişmelerin gerisinde kalıyor. Amerika Birleşik Devletleri, Kanada ve Japonya, 70 MPa hidrojen depolama tanklarının seri üretimini gerçekleştirdi ve Tip IV tankları kullanmaya başladı. General Motors gibi ABD şirketleri, karbon fiberle sarılmış katmanların yapısını geliştirirken Kanadalı Dynetek, karbon fiberlerin reçine matrisleriyle kompozit mukavemetini artırarak sarma ve geçiş katmanlarını geliştiriyor. Ancak plastik ve metal sızdırmazlık gibi sorunlar nedeniyle Çin mevzuatı bunların yaygın kullanımına şu anda izin vermemektedir.

Zhejiang Üniversitesi ve Tongji Üniversitesi gibi yerli kurumlar, 70 MPa hidrojen depolama tanklarını başarıyla geliştirdi ve Bohong Energy bünyesindeki Blue Sky Energy gibi şirketler, 70 MPa araç hidrojen depolama sistemini aştı. Ayrıca Shenyang Starling, Beijing Ketaike ve Beijing Tianhai gibi şirketler de 70 MPa hidrojen depolama tankları geliştirip test etti.

70 MPa karbon fiberle sarılı Tip IV tankların yurt içinde henüz olgunlaşmamış teknolojisi ve seri üretiminin zorluğu nedeniyle, yüksek hazırlık maliyetleri, Tip IV tanklara olan talebi ve geliştirilmesini büyük ölçüde engellemektedir. ABD Otomotiv Araştırma Konseyi'nin araştırmasına göre, yüksek basınçlı hidrojen depolama tanklarının üretim ölçeği ne kadar büyük olursa maliyetler de o kadar düşük oluyor. Üretim skalası 10.000 setten 500.000 sete çıktığında maliyetler beşte bir oranında düşebiliyor. Bu nedenle, hazırlama teknolojisinin ilerlemesi ve üretim ölçeğinin genişlemesiyle birlikte, yüksek düzeyde karbon fiberle sarılmış araca monteli yüksek basınçlı hidrojen depolama tanklarının gelecekte parlaması kaçınılmazdır.

Pil Paketi Muhafazalarında Karbon Fiber Kompozit Uygulamaları

Pil Paketi Muhafazalarının Geliştirilmesi

Yeni enerji güç pillerinin stabilitesi ve güvenliği her zaman ilgi odağı olmuştur. Akü paketi muhafazaları, elektrik sistemi ve araç güvenliği ile yakından ilgili olan yeni enerji taşıt aküsü sisteminin temel bileşenleridir. Muhafaza tarafından kaplanan güç pil paketi, pil paketinin ana gövdesini oluşturur.

Akü paketi muhafazası, akü modüllerinin güvenli bir şekilde çalıştırılmasında ve korunmasında çok önemli bir rol oynar; korozyon direnci, yalıtım, normal ve düşük sıcaklık darbelerine karşı direnç (-25°C) ve alev geciktirici özelliklere sahip malzemeler gerektirir. Şekil 5, yeni bir enerji taşıt güç akü paketini ve onun ayrışmasını göstermektedir.

Akü modüllerinin taşıyıcısı olan akü paketi muhafazası, lityum aküleri dış çarpışmalardan ve sıkışmalardan kaynaklanan hasarlardan korumak için genellikle aracın altına monte edilen akü modüllerinin istikrarlı çalışmasını ve güvenlikle korunmasını sağlar. Geleneksel araç aküsü muhafazaları, koruma için yüzey kaplamalarıyla birlikte çelik plakalar ve alüminyum alaşımları gibi malzemelerden dökülmektedir. Enerji tasarruflu ve hafif araçların gelişmesiyle birlikte akü mahfaza malzemeleri, cam elyaf takviyeli kompozitler, levha kalıplama bileşikleri ve karbon elyaf takviyeli kompozitler gibi hafif alternatifler gördü.

Çelik akü paketi mahfazaları, güç akü paketleri için kullanılan orijinal malzemelerdir; genellikle kaynaklı çelik plakalardan yapılır, yüksek mukavemet ve sağlamlığın yanı sıra yüksek yoğunluk ve kütle sunar ve ek korozyon koruma işlemleri gerektirir. Alüminyum alaşımlı muhafazalar, hafif (çelik yoğunluğunun yalnızca 5'i), kolay işlenmesi ve şekillendirilmesi ve korozyon direnci sunan, güç pil paketleri için ana malzemedir.

Hafif araçların gelişmesi ve termoset plastik kalıplama teknolojilerinin ilerlemesiyle birlikte, yeni plastikler ve kompozitler yavaş yavaş akü paketi muhafaza malzemeleri olarak kullanılıyor. Termoset plastik akü paketi muhafazaları 35 kg ağırlığında olup, metal muhafazalardan yaklaşık 5 daha hafiftir ve 340 kg akü taşıyabilir.

Pil Paketi Muhafazalarında Karbon Fiber Kompozitlerin Beklentileri

Karbon fiber kompozitler, sayısız avantajlarıyla birlikte, geleneksel metal akü muhafazalarının ideal alternatifi haline gelmiş ve bazı araç modellerinde halihazırda ön uygulamalara maruz kalmıştır. Örneğin NIO, Alman SGL Carbon ile işbirliği içinde, 180 (%W·h)/kg'ı aşan enerji yoğunluğuna sahip, alüminyum yapılara kıyasla kabuk ağırlığını @ azaltan 84 kWh'lik bir karbon fiber pil paketi geliştirdi. Tianjin İleri Teknoloji Enstitüsü ve Lishen ortaklaşa, yaklaşık 24 kg ağırlığında, alüminyum alaşımlı yapılara kıyasla ağırlığı P azaltan ve enerji yoğunluğu 210 (%W·h)/kg'a kadar olan bir karbon fiber kompozit pil paketi muhafazası geliştirdi.

Duan Duanxiang ve diğerleri gibi araştırmacılar. Karbon fiber kompozit akü paketi muhafazaları için hafif tasarımlar ve kat prosesi optimizasyonları gerçekleştirerek ilgili çalışma koşullarını karşılarken muhafaza ağırlığını çelik yapılara kıyasla f oranında azalttı. Zhao Xiaoyu ve diğerleri. hafif pil paketi muhafazaları için karbon fiber kompozitler ve sertlik eşdeğeri tasarım yöntemi kullanılarak çelik yapılara kıyasla d ila g,6 arasında bir ağırlık azalması elde edildi.

LIU ve ark. RBDO yöntemini kullanarak karbon fiber kompozit pil takımı üst kapaklarının hafif tasarım sorununu gidererek performans gereksinimlerini karşılarken ",14 oranında ağırlık azalması elde etti. Tan Lizhong ve ark. üç çözümü karşılaştırdı: 1,5 mm kalınlığında alüminyum üst kapak (Şema 1), 1,5 mm kalınlığında karbon fiber üst kapak (Şema 2) ve 0,5 mm karbon fiber 3 mm kalınlığında petek panel 0,5 mm kalınlığında karbon fiber kompozit üst kapak (Şema 3). Şema 3'ün optimal olduğunu ve Şema 1'e kıyasla ağırlığı 1 oranında azalttığını buldular.

Metal astarlı fiber sarılı tanklar (Tip III) ve plastik astarlı fiber sarılı tanklar (Tip IV), ana fiber kompozit sarılı gaz silindirleridir. Cam elyafı, silisyum karbür elyafı, alüminyum oksit elyafı, bor elyafı, karbon elyafı, aramid elyafı ve poli(p-fenilen benzobisoksazol) elyafı gibi elyaflar, elyaf kompozitle sarılmış gaz silindirlerinin imalatında kullanılmıştır. Hafif, darbeye dayanıklı ve alev geciktirici fiber kompozitlerin de gelecekteki hafif pil paketi muhafazaları için önemli malzemeler haline gelmesi bekleniyor.

Bununla birlikte, maliyet kısıtlamaları nedeniyle, karbon fiber kompozitlerin hakim olduğu yüksek performanslı fiber kompozitler, pil paketi muhafazalarında yaygın olarak uygulanmamaktadır. Yeni enerjinin gelişmesi ve fiber kompozit uygulamalarının yaygınlaşmasıyla birlikte fiber kompozit kullanım maliyetinin giderek azalacağı düşünülmektedir. Fiber kompozitler geleceğin yeni enerji pazarında parlayacak.