การตีความคอมโพสิตขั้นสูงสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและอุตสาหกรรมยานยนต์อย่างครอบคลุม
วัสดุคอมโพสิตหมายถึงวัสดุที่ประกอบด้วยวัสดุที่แตกต่างกันสองชนิดขึ้นไป โดยทั่วไปแล้ว วัสดุโลหะ เซรามิก หรือโพลีเมอร์สามารถใช้เป็นวัสดุเมทริกซ์หลักได้ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม วัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบโดยเน้นไปที่ความแข็งแรงจำเพาะสูง น้ำหนักที่ต่ำกว่า และความต้านทานการกัดกร่อนที่ค่อนข้างสูง ความแข็งแรงสูงกว่า แข็งแรงเมื่อยล้ามากขึ้น คุณสมบัติทางกายภาพดีขึ้น น้ำหนักเบา และผิวสำเร็จที่ดีขึ้นเป็นข้อได้เปรียบหลักของวัสดุคอมโพสิต
ในอุตสาหกรรมยานยนต์ วัสดุคอมโพสิตมีน้ำหนักเบากว่าโลหะที่ใช้กันมากที่สุด คอมโพสิตที่มีคาร์บอนไฟเบอร์เป็นคอมโพสิตโพลีเมอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ใช้ในรถยนต์ การบินและอวกาศ การป้องกันทางการทหาร และอุปกรณ์กีฬา ในรถยนต์แบบดั้งเดิม โลหะถือเป็นโครงสร้างส่วนกลาง ในขณะที่ชิ้นส่วนภายในบางส่วนทำจากวัสดุคอมโพสิต ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถือเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดในการลดน้ำหนักยานพาหนะ แม้ว่าอาจแตกต่างจากโลหะแบบเดิมๆ และมีราคาแพงก็ตาม
เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมอลูมิเนียม วัสดุคอมโพสิตสามารถมองเห็นการปรับปรุงคุณสมบัติทางกล โครงสร้างจุลภาค และสัณฐานวิทยาของพื้นผิวได้มากกว่า โดยทั่วไปการประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตในอุตสาหกรรมยานยนต์จัดเป็นวัสดุพิเศษ ในยานพาหนะไฟฟ้า เหล็กและเหล็กหล่อคิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของวัสดุโดยน้ำหนัก อลูมิเนียมอัลลอยด์คิดเป็นประมาณ 9% ของทั้งหมด พลาสติกคิดเป็น 11% และยางคิดเป็น 3% ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมต่างๆ มุ่งเน้นไปที่การใช้ทรัพยากรหมุนเวียน และใช้ประโยชน์จากวัสดุที่รีไซเคิลได้ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีอันตรายน้อยกว่าซึ่งมีผลกระทบทั่วโลก
การลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการใช้เชื้อเพลิงถือเป็นความท้าทายสำคัญที่อุตสาหกรรมยานยนต์ต้องเผชิญ เนื่องจากการผลิตพลังงานที่ต้องอาศัยเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ จึงมีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจำนวนมากออกสู่สิ่งแวดล้อม ด้วยการใช้ไฟฟ้าทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการพลังงานจึงเพิ่มขึ้นในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากต้นทุนเชื้อเพลิงที่สูง และยังคำนึงถึงความเสื่อมโทรมของสิ่งแวดล้อมด้วย ผู้บริโภคจึงมีแรงจูงใจในการเลือกรถยนต์ไฟฟ้า ความต้องการและแรงจูงใจในการใช้ยานพาหนะไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้นในหลายประเทศทั่วโลก ยานพาหนะไฟฟ้าเป็นทางเลือกแทนรถยนต์ดีเซล น้ำมันเบนซิน และเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ เนื่องจากใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งให้ความสะดวกในการชาร์จแบบผสมและมีน้ำหนักเบากว่า เนื่องจากส่วนประกอบส่วนใหญ่ทำจากวัสดุคอมโพสิตเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของยานพาหนะ นอกจากนี้อาจไม่ต้องการส่วนประกอบส่วนใหญ่ที่จำเป็นสำหรับยานพาหนะแบบดั้งเดิมที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิล บริษัทเรียกรถโดยสารบางแห่งกำลังมุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนกลุ่มเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยรถยนต์ไฟฟ้า
เพื่อแก้ไขปัญหาประสิทธิภาพการใช้พลังงาน นักวิจัยแนะนำให้ใช้วัสดุน้ำหนักเบาเพื่อทดแทนชิ้นส่วนยานยนต์ ซึ่งสามารถลดน้ำหนักของยานพาหนะในขณะที่ช่วยประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงได้ สำหรับการลดน้ำหนักรถทุกๆ 10 กิโลกรัม การปล่อยก๊าซคาร์บอนจะลดลง 1 กรัมต่อกิโลเมตร ซึ่งจะช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง โซลูชันน้ำหนักเบากำลังค่อยๆ กลายเป็นวิธีการที่สำคัญ เนื่องจากได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการลดความต้องการเชื้อเพลิงและการปล่อยมลพิษ
ผลิตภัณฑ์น้ำหนักเบาสำหรับยานยนต์มุ่งเน้นไปที่การลดมวลยานพาหนะโดยใช้วัสดุทางเลือกและการออกแบบส่วนประกอบใหม่ ขณะเดียวกันก็รักษาขนาดของยานพาหนะและรับประกันความต้องการของผู้บริโภคอีกด้วย ในการออกแบบรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน นักวิจัยได้ใช้เทคโนโลยีต่างๆ เพื่อศึกษาข้อดีของวัสดุน้ำหนักเบาเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม ผลลัพธ์ของการบูรณาการรถยนต์ไฟฟ้าและการออกแบบน้ำหนักเบาคือการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของยานพาหนะ นอกจากนี้ การใช้วัสดุน้ำหนักเบาในรถยนต์ไฟฟ้าเป็นสิ่งที่คาดการณ์ได้ เนื่องจากสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการลดมวล เช่น ระยะการขับขี่และการควบคุมขนาดแบตเตอรี่ (ดังแสดงในรูปด้านล่าง)
องค์ประกอบส่วนประกอบโครงสร้างรถยนต์ไฟฟ้า
วัสดุคอมโพสิตถือเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบา และมีความพยายามในการลดน้ำหนักของยานพาหนะ ในขณะเดียวกันก็พัฒนาวิธีการที่คุ้มค่าในการผลิตวัสดุน้ำหนักเบา เช่น พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม CFRP มีความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา ทนต่อการสั่นสะเทือนได้ดี มีความแข็งสูง และทนต่อความล้าและการกัดกร่อนได้สูงกว่า
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แม้ว่าเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตสำหรับยานยนต์จะได้รับความสนใจและการวิจัยอย่างกว้างขวาง แต่การจ้างงานในอุตสาหกรรมยานยนต์ยังคงตามหลังอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาและความก้าวหน้าเพิ่มเติมเพื่อตอบสนองความต้องการยานยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น แผนภูมิต่อไปนี้แสดงการแบ่งประเภทของยานพาหนะประเภทต่างๆ เมื่อรวมสถิติปัจจุบันจากอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าและยานยนต์ มูลค่าโดยประมาณของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าโดยสารระหว่างประเทศในปี 2563 อยู่ที่ประมาณ 120.81 พันล้านดอลลาร์ โดยคาดว่าจะมีอัตราการเติบโตต่อปีประมาณ 32.5% ตั้งแต่ปี 2564 ถึง 2571
ประเภทยานพาหนะที่แตกต่างกัน
ในปี 2020 ยอดขายรถยนต์ทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 3 ล้านคัน เพิ่มขึ้นเกือบ 40% จากปี 2019 ในปีเดียวกันนั้น รถยนต์ไฟฟ้าในจีนคิดเป็นประมาณ 30% ของยอดขายทั่วโลก ตั้งแต่ปี 2021 สหรัฐอเมริกาได้จำหน่ายรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEV) มากกว่า 15 รุ่น เมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์ไฟฟ้าปลั๊กอินไฮบริด (PHEV) BEV คาดว่าจะมีการเติบโตที่สูงขึ้นเนื่องจากปัญหาด้านระยะทาง
ในกลุ่มรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ Tesla Model S เวอร์ชันอัปเกรดเป็นรุ่นที่พบบ่อยที่สุด โดยซัพพลายเออร์มียอดขายมากกว่า 70% ในโดเมนรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ในปี 2020 อัตราการเติบโตแบบทบต้นต่อปีที่สูงที่สุดในอุตสาหกรรม PHEV อาจเกิน 32% ภายในระยะเวลาคาดการณ์ ความก้าวหน้าเหล่านี้เป็นผลมาจากคำแนะนำที่เสนอโดยรัฐบาลของประเทศอุตสาหกรรมและประเทศกำลังพัฒนาเพื่อส่งเสริมการใช้ยานพาหนะไฟฟ้า