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从汽车到机器-利用生物复合材料减少二氧化碳排放

要实现到 2030 年将二氧化碳排放量减半的目标,就必须采取一切措施减少温室气体排放。这正是 "Cooperate"研究项目("CO2中性、使用寿命优化、动态应用短纤维增强热塑性塑料"的简称)的合作伙伴们正在努力实现的目标。研究人员在设计汽车行业中承受高机械和动态负载的轻量化部件时,致力于减少二氧化碳排放量。例如,这些部件包括作为底盘一部分的承重塑料部件,如发动机支架或连接杆。
为了减少塑料部件生产过程中的二氧化碳排放量,项目合作伙伴正在采用并结合以下两种方法:
1. 用生物基塑料或纤维增强型生物聚合物替代石油基塑料。这些材料来自农业副产品等可再生原材料。在该项目中,正在对从亚麻籽油中提取的生物聚酰胺进行优化,使其成为耐用、抗震的轻量化部件。
2. 通过轻量化减少温室气体排放-在这一应用中,通过材料优化设计和减少材料的使用。
为此,合作伙伴正在开发改进的方法,以节省材料设计部件。目标是减少 20% 至 30% 的材料使用量。由于加热和熔化材料所需的能源更少,因此需要加工的材料更少也意味着加工过程更节能。
据研究人员称,轻量化汽车对驱动能源的需求减少也会产生额外的积极影响。
德国达姆施塔特弗劳恩霍夫 LBF 项目经理兼科学家Georg Stoll解释说:“气候友好型替代品在整个使用寿命期间可减少 50% 以上的二氧化碳排放量。我们专注于复合材料中的基体材料,与传统塑料相比,每公斤产品重量的二氧化碳排放量从 9 公斤减少到 4.5 公斤。”
弗劳恩霍夫 LBF 正在与 Boge Elastmetall、Tecnaro 和慕尼黑工业大学碳复合材料讲座(LCC)合作,以优化设计流程并替代化石材料。该项目得到了德国联邦经济和气候保护部(BMWK)的资助。
项目研究的另一项成果是开发了新的计算方法,其中考虑到了生产对材料准静态和周期行为的影响。利用扩展的模拟方法,可以根据部件中纤维的排列来估算刚度和强度等材料属性。
对样品几何形状进行特征描述,可以深入了解温度、湿度和部件几何形状中的缺口半径对材料刚度和疲劳强度的影响。
为了有效减少或完全抑制不必要的振动和破坏性噪音,还考虑了声学和振动行为。毕竟,未来的塑料配件或车门镶板不应发出异响,车内人员也不应感受到发动机噪音。目前正在对耦合杆原型进行测试,其形状将在项目过程中不断缩小,以减少材料用量。
达姆施塔特的弗劳恩霍夫 LBF 项目经理兼科学家 Georg Stoll 说:"生物基塑料的效率越来越高,其性能几乎可以与化石基塑料相媲美。然而,与使用温室气体密集型材料制成的部件相比,设计一种可承受相同载荷、重量更轻的可持续部件仍然是一项重大挑战"。
项目合作伙伴希望通过资源节约型方法和改进的减重材料特性,为生物基塑料在机械工程等其他技术和应用领域的使用铺平道路。 

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