「ブラックゴールド」カーボンファイバーが自動車を「軽量化」

バッテリーボックスは新エネルギー車の構造において重要な位置を占めています。新エネルギー車に有効なエネルギーと電力を提供する一方で、単一のバッテリーの充電量は比較的少なく、必要な数が多いため、バッテリーボックスアセンブリが重くなりすぎて、車両の加速性能と達成できる最高速度に影響を与えます。

現在、バッテリーボックス自体の総重量は、車両総重量の30％～35％を占めています。バッテリーボックス自体の総重量はバッテリー効率を大きく左右するため、バッテリーボックスの軽量化は新エネルギー車の開発における最重要課題となっている。

電気自動車のバッテリーボックスは、従来から疲労耐性に優れた鋼材で作られており、その応用開発技術もますます成熟しているからです。専門家は、さまざまな動作条件下での自動車用バッテリーボックスの強度分析を実施し、バッテリーボックスの局所部品の設計と改良を最適化し、局所構造への応力集中を改善して構造強度を高めました。

専門家は電気自動車のバッテリーボックスの構造を最適化しましたが、バッテリーボックス自体が重すぎるという事実は依然として変わりません。金属材料で設計されたバッテリーボックスは重量が重く、自動車のエネルギー利用率を無駄にするだけでなく、炭素繊維などの複合材料に比べて強度と密閉性が低く、重要な欠陥となっています。

近年、炭素繊維複合材料は、軽量、高比強度、高比剛性、統合設計などの特徴から、自動車業界で広く使用されています。 Norn Composites は、非常に早い段階から自動車にカーボンファイバーを適用し始めました。継続的な研究の結果、電気自動車のバッテリーボックスの重量過多の問題は、炭素繊維を使用することで解決できることがわかりました。

BMW が i3 および i8 シリーズ モデルでカーボン ファイバー素材を広範に使用し始めて以来、カーボン ファイバー素材は自動車の軽量化にとって真に重要な方向性となっています。既存の応用形態のうち、自動車への応用は主に、構造部品、車体・ボディ部品、ボンネット下部品、内装装飾部品などのカテゴリーに分かれています。文献には、パワーバッテリーパックの軽量化に関する研究や設計方法がいくつか記載されていますが、実際の大規模な応用はまだ現れていません。技術に加えて、大きな理由はコストです。

1. 炭素繊維材料の基本パラメータ

炭素繊維複合材料の密度は一般に 2g/cm3 を超えませんが、鋼鉄の密度は 7.8g/cm3 です。炭素繊維複合材料、高強度鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ガラス繊維複合材料の主な性能パラメータは、次の表のように比較されます。

2010年、炭素繊維のコストは1kgあたり30ドルを超えましたが、低炭素鋼のコストは1kgあたり1ドル未満、アルミニウム合金のコストは（2.4～2.6）ドル/kgでした。下の図は、2016 年 9 月時点の炭素繊維の価格情報を人民元で示しています。価格はまだ比較的高いです。

2. 炭素繊維の分類

炭素繊維とは、有機繊維や低分子炭化水素ガス原料を大気中で高温（1500℃）で炭化して生成した、炭素含有量が90％以上の繊維状化合物を指します。カーボン素材本来の特性と繊維素材の柔らかさ、加工性を兼ね備えています。耐熱性に優れ、熱膨張係数が低く、熱伝導性、電気伝導性が高く、一般的な酸やアルカリに対する耐性も優れています。

炭素繊維は、原料の供給源によって、ポリアクリロニトリル炭素繊維（PANCF）、アスファルト炭素繊維（ピッチ炭素繊維）、ビスコース炭素繊維（レーヨン炭素繊維）に分けられます。機械的特性によって、汎用（GP）炭素繊維、高性能（HP）炭素繊維、高強度（HS）炭素繊維、高弾性率（HM）炭素繊維、超高強度（UHS）炭素繊維、超高弾性率（UHM）炭素繊維に分類されます。

炭素繊維は、その役割によって、耐荷重構造用炭素繊維、耐炎炭素繊維、導電性炭素繊維、潤滑炭素繊維、耐摩耗炭素繊維、活性炭炭素繊維などに分けられます。自動車やバッテリーパックに適した炭素繊維材料のほとんどは、耐荷重構造用炭素繊維です。

炭素繊維製品の分類：チップ、短繊維、長繊維、連続繊維、織物、織管。

ポリアクリロニトリル系炭素繊維はアスファルト系やビスコース系炭素繊維に比べて強度が優れているため、世界の炭素繊維生産量の90％以上を占めています。炭素繊維は、ポリアクリロニトリル生糸を前酸化、炭化、および可能な限り最高温度での熱処理によって作られます。一般的にカーボンファイバーはこれを指します。

炭素繊維前駆体の製造は、多くのステップを伴う長く複雑な化学プロセスです。これは私たちのアプリケーションからは程遠いため、ここでは説明しません。炭素繊維複合材料の成形に直接来てください。

3. 炭素繊維複合材料の成形工程

複合材料は、物理的および化学的特性が異なる 2 つ以上の物質から構成される多相固体材料です。炭素繊維複合材料は、基材に強化成分として炭素繊維を添加して形成された複合材料の一種です。

自動車によく見られる樹脂ベースの炭素繊維複合材料は、熱硬化性と熱可塑性の 2 つのカテゴリに分けられます。

熱硬化性樹脂（hermoset）：エポキシ樹脂（Epoxy）、ビニルエステル樹脂（VinylEster）、不飽和ポリエステル樹脂（UnsaturatedPloyester）、フェノール樹脂（Phenolic）。

熱可塑性樹脂：PE、PP、PVC、PA;

成形プロセスは、原材料を構造部品に変換する際の重要なステップです。自動車における複合材料の応用は、成形プロセスの開発と切り離せません。炭素繊維複合材料には多くの加工・成形工程があり、異なる成形・加工技術は製品の性能に大きな影響を与えます。

現在、自動車用炭素繊維複合材料の一般的な加工・成形プロセスは、ハンドレイアップ、スプレー成形、生地成形コンパウンド（DMC）成形、シート成形コンパウンド（SMC）成形、ラミネーションプロセス、樹脂トランスファー成形（RTM）、ワインディングプロセス、反応射出成形（RIM）、およびプルトルージョンプロセスです。

一般的な工程では、連続繊維強化複合材料の材料成形は、通常、製品の成形と同時に完了し、その後、少量の切断と接続を補足して完成品を形成します。ランダムに分散した短繊維強化プラスチックは、さまざまな形のプレミックスに加工し、押し出して成形することができます。

自動車業界は、長繊維強化熱可塑性プラスチック（LFT）技術、特に世界的に認められた低コストの複合材料成形技術である新興のRTMプロセスなどの圧縮成形プロセスを優先する必要があります。この技術は急速に発展し、自動車業界で広く使用されるようになりました。巻き取り工程により製品に特殊な機械的特性を与えることができるため、ボトル、缶、ベアリングなどの部品の製造に使用されます。

3.1 RIM成形技術

樹脂トランスファー成形 (RTM) 技術は、複合液体成形技術 (LCM) の代表的なプロセスの 1 つです。主なプロセス原理は、まず構造と性能の要件に従って設計された繊維強化材料またはプリフォームを金型キャビティ内に敷き詰め、次に射出成形装置を使用して特殊な低粘度樹脂システムを密閉金型キャビティ内に注入または真空吸収し、繊維を完全に浸透させることです。樹脂を硬化させ、型から取り出すことで複合材料部品が得られます。 RTM プロセスは、大型で複雑な部品を一度に成形でき、設計性に優れ、サイズ制御が容易で、表面品質が高く、生産サイクルが短く、半自動または自動生産を実現できます。従来の自動車パネルのスタンピング工程では製造に数秒しかかかりませんが、通常の RTM 成形工程はより長く、総成形時間は通常 2 時間以上かかり、効率が低いという問題が依然として残っています。そのため、RTM成形サイクルを短縮するためには、硬化速度の速い樹脂システムと合理的な成形プロセス方法を開発する必要があります。

速硬化樹脂システム

従来の RTM 成形プロセスでは、樹脂の硬化プロセスが成形プロセスの大部分を占めるため、効率的な RTM 成形プロセスを実現するための主な条件は、硬化が速い樹脂システムです。研究の方向性としては、主に低粘度樹脂注入技術の利用が挙げられます。 RTM 成形中の低粘度樹脂の急速固化は生産効率を効果的に向上させることができますが、製品の機械的特性が低下することが多く、これも樹脂製造プロセスで考慮する必要がある重要な問題です。急速樹脂注入技術

RTM成形工程では、樹脂注入口を増やし、樹脂注入圧力を向上させることで、樹脂注入時間を短縮できます。樹脂注入ポートを増やすことで、圧力を上げずに樹脂注入速度を効果的に上げることができます。

しかし、複数の注入口を使用して成形する場合、異なる注入口の樹脂流動先端により溶融プロセス中に気泡が発生する可能性があるため、注入口の開放時間と圧力を制御して気泡の発生を抑える必要があります。

近年、高圧 RTM (HP-RTM) 技術が RTM ラピッドプロトタイピングに広く使用されています。樹脂の射出圧力が比較的高い（2MPa以上）ため、金型キャビティ内に樹脂を素早く充填することが容易です。また、強化繊維への樹脂の含浸効果も向上し、製品内の気孔の発生も低減し、表面品質に優れた製品が得られます。

RIM製品は表面品質が良く、成形サイクルが短く、生産コストが低く、大型部品を生産できます。 RRIM 製品は自動車のバンパーや計器パネルの製造に使用されます。高強度RRIM製品は自動車の構造材や耐荷重材としても使用可能です。

3.2.熱間プレス成形技術

ホットプレス工程は、一定の温度と圧力下で樹脂マトリックスを溶融流動させ、その後繊維を再含浸させて、一定形状の複合部品を作製する工程です。ホットプレスプロセスは成形サイクルが短く、自動化された生産プロセスを実現しやすく、従来の金属板成形設備を使用でき、熱可塑性複合材料の低コスト製造プロセスに適しています。炭素繊維複合材自動車部品の効率的な成形に幅広い応用が期待できます。

1980 年代には、SMC 成形プロセスとバルク成形コンパウンド (BMC) 成形プロセスが自動車部品の工業生産の主要プロセスとなり、自動車製造業界で広く使用されるようになりました。 SMC、DMC、BMCは、3つの重要な熱硬化性樹脂ベースの複合材料であり、成形複合製品の半製品としてよく使用されます。

SMC成形プロセスは、製品のサイズ、形状、厚さの要件に応じてSMCシートを切断し、シートを複数層に積み重ねて金型に配置し、加熱および加圧する方法です。このプロセスは、成形効率が高く、製品表面が滑らかで、寸法安定性が良好で、大量生産に適しており、コスト効率が高いです。 SMC プロセスの開発の成功と機械化成形技術の応用により、自動車産業における複合材料の使用は年間 25% の成長率を達成しました。 SMCは、エンジンフード、エアガイドカバー、バルブカバー、水タンク部品、エンジン遮音パネル、ヒーターカバー、シリンダーヘッド、インテークマニホールド、ウォーターアウトレットハウジング、ウォーターポンプ、燃料ポンプなどの自動車部品に広く使用されています。

しかし、SMC プロセスには、リサイクルできない製品、環境を汚染しやすい、対応する鉄鋼部品よりも 1 回限りの投資が高いなどの欠点があります。そのため、SMC プロセスは初期の頃はスポーツカーや大型車の車体構造にのみ使用されていました。複合材料の軽量化特性を最大限に活用するために、ガラス繊維の代わりに炭素繊維が SMC 部品に導入されました。オランダのDSM社が開発した炭素繊維シート成形コンパウンド（CSMC）は、自動車の下部構造部品に効果的に使用されています。

3.3 プルトルージョンプロセス

プルトルージョンプロセスは、樹脂接着剤を含浸させた連続した炭素繊維の束、テープ、または布を、牽引作用下で押し出しダイを通して形成および固化し、無制限の長さのプロファイルを連続的に製造する方法です。プルトルージョンは複合材料成形における特殊なプロセスです。その利点は、生産プロセスを完全に自動化および制御でき、生産効率が高いことです。プルトルージョン製品中の繊維質量分率は 80% にも達することがあります。含浸は張力下で行われるため、補強材の役割を十分に発揮することができます。製品は強度が高く、完成品の縦方向と横方向の強度を任意に調整して、製品のさまざまな機械的性能要件を満たすことができます。このプロセスは、I 字型、アングル型、溝型、特殊形状断面パイプ、および上記の断面形状で構成される複合断面プロファイルなど、さまざまな断面形状のプロファイルを製造するのに適しています。

3.4 真空補強（VARI）

VARI は、乾燥した生地を真空を利用して成形工程に導入するプロセスです。プロセスの原理は、片面の剛性金型上で柔軟な真空バッグフィルムを使用して繊維強化材料を包み、密封し、真空負圧を使用して金型キャビティ内のガスを除去し、真空負圧を通じて樹脂の流れを駆動して、繊維とその織物への樹脂含浸を実現することです。

4. パワーバッテリーボックスにおける炭素繊維複合材料の応用事例

炭素繊維複合パワーバッテリーケースが実際の用途で使用されている例は多くありません。ここでは、著者 Zhang Xiaohong による記事「自動車用動力バッテリー用カーボンファイバーケースの設計研究」で、複合カーボンファイバー材料を使用したバッテリーケースの設計プロセスを紹介しています。電気自動車の動力バッテリーの保護部品であるバッテリーケースには、構造設計と重量に関して非常に高い要件が課せられます。バッテリー モジュールの重量とサイズが決定したら、バッテリー ケースを設計する際に考慮すべき要素が多数あります。まず、バッテリーボックスはバッテリーモジュールのキャリアであり、バッテリーモジュールはそれを介して車体に接続する必要があります。第二に、動力バッテリーは一般的に車体の下部に設置されます。バッテリーモジュールの動作環境を考慮すると、バッテリーボックスにはモジュールを保護する機能が必要です。モジュールの防水性、防塵性、道路環境による電池ボックスの腐食を考慮する必要があります。バッテリーボックスは、車両の運転中に耐えられる振動や衝撃も考慮する必要があります。この研究では真空成形プロセスを使用しています。バッテリーボックスのプロセス計画は次のとおりです。高光沢またはマットな表面処理を施した雌型成形金型。金型上に一定数の炭素繊維布を重ねた後、ガイドネット、ガイドチューブ、シーリングストリップの助けを借りて、真空ポンプによって混合樹脂材料を繊維布に吸い込み、最終的に硬化させます。固化・成型後、型から外し、境界や穴を開ける箇所をカットします。

全体的な構造設計

バッテリーモジュールの形状とレイアウト、車体上の動力バッテリーの位置、そしてスペースを最大限に活用するという原則に基づいて、このバッテリーボックスの外殻はほぼ正方形のボックス構造になるように設計されています。主な構造層は炭素繊維布で作られており、樹脂が補充されています。接合部には金属ジョイントを使用し、金属ジョイントと主構造層とは構造用接着剤で接合します。バッテリーモジュールとボックスは金属製の留め具で接続されています。

部品の強度とモードを向上させるために、一部の大面積構造面では、補強リブが構造安定性を向上させる典型的な形式であり、帽子形のリブは耐荷重効率が比較的高く、重量が軽いです。この電池ボックスは帽子型のリブに似た凸凹のリブを使用して構造を強化しています。連続繊維複合材料の特性を考慮して、炭素繊維強化構造の凸リブと凹リブは均等な厚さになるように設計されています。

レイアップ設計

バッテリーボックスの炭素繊維織物は、T300-3KとT300-12Kの織物の混合方式を採用し、合計10層の炭素繊維平織りと樹脂設計を採用しています。敷設層を敷設する際には、敷設角度のバランス、同じ敷設方向の数量要件、敷設の対称性、敷設層間の角度の偏差、連続敷設層の最大数の制限などが主に考慮されます。電池ボックス部分は平織りの生地を10層重ねてつなぎ合わせたデザインです。バッテリーモジュールは、バッテリーボックスを介して車体に接続する必要があります。バッテリーボックスはジョイント部分が金属ファスナーで接続されています。ファスナーは部分的に埋め込まれており、埋め込みの深さは、接合部がより高い引張力に耐えられるように制御されています。一部の留め具とカーボンファイバー本体は構造用接着剤で接着されています。設計されたバッテリーボックスの機械性能シミュレーションを実行し、X方向とY方向に最大荷重1G、Z方向に最大荷重3Gをかけます。シミュレーション結果を次の表に示します。その後、モード解析が実行され、一次モードは 61Hz でした。衝撃シミュレーションは、最大内部応力 76.5MPa で標準 ISO16750 条件に従って実行されました。振動シミュレーションは標準 SAEJ2380 条件に従って実行され、結果は材料の最小許容応力よりもはるかに低いものでした。実際の実験結果の比較は示されていません。

出典：中国複合材料協会