電動(dòng)運(yùn)輸: 21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)之一

在過(guò)去的幾十年里，人類(lèi)為滿(mǎn)足能源和運(yùn)輸需求而開(kāi)采大量化石燃料資源對(duì)環(huán)境造成的破壞已經(jīng)變得越來(lái)越明顯。

電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)增長(zhǎng)的行業(yè)，在過(guò)去的十年里，一些汽車(chē)公司推出了全電動(dòng)的車(chē)型。此外，目前將碳排放減少到零的承諾，使各國(guó)政府的目標(biāo)是在未來(lái)十年或二十年內(nèi)逐步淘汰新的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)銷(xiāo)售，而改用電動(dòng)車(chē)型。

電力推進(jìn)已經(jīng)被廣泛地探索用于多種類(lèi)型的車(chē)輛，包括家庭轎車(chē)、重型貨車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)。然而，要使電力推進(jìn)系統(tǒng)提供與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相同的性能和效率，必須應(yīng)對(duì)一些技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是重型車(chē)輛、火車(chē)和飛機(jī)需要能夠提供卓越動(dòng)力總成性能的系統(tǒng)。

使用多功能材料優(yōu)化電力推進(jìn)系統(tǒng)

優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于確保其能夠滿(mǎn)足新一代運(yùn)輸?shù)碾娏π枨蟮母咝阅苤陵P(guān)重要。優(yōu)化組件是科學(xué)家和制造商廣泛采用的技術(shù)方法。除了這種成分優(yōu)化之外，高效多功能材料的設(shè)計(jì)已成為近年來(lái)的主要研究趨勢(shì)。

在多功能材料中，儲(chǔ)能復(fù)合材料在最近的研究中得到了探索。這些材料有助于實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的飛機(jī)和道路車(chē)輛。與這些材料及其在組件中使用相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)它們以提供高電能以滿(mǎn)足車(chē)輛系統(tǒng)的需求并減少組件重量。

為了減少電纜重量，主要策略是提高工作電壓。如果電壓增加到 2000 V，則只需要 200 kg 的電纜。這種方法適用于主要的電力傳輸線(xiàn)，但最先進(jìn)的客機(jī)也有大量用于多個(gè)系統(tǒng)的電纜，這種策略可能不足以用于這些類(lèi)型的電纜。在擁有 300 個(gè)座位的全電動(dòng)客機(jī)中，布線(xiàn)可占電氣系統(tǒng)總質(zhì)量的 30%。

目前已提出包含金屬相的多功能導(dǎo)電混合材料作為解決全電動(dòng)交通關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)的潛在解決方案。由于碳的高電阻率和聚合物基體的絕緣性能，包含碳基納米材料和聚合物的混合復(fù)合材料的電導(dǎo)率低。

當(dāng)前研究中的一種方法是整合微型連續(xù)金屬纖維。這些纖維的直徑小于100 μm。然而，高體積分?jǐn)?shù)是必要的，這會(huì)導(dǎo)致重量增加的問(wèn)題。需要一種更高效、更輕質(zhì)的材料策略來(lái)幫助這些多功能材料在未來(lái)的電動(dòng)交通中具有商業(yè)可行性。

擬解決方案

為了克服這一關(guān)鍵問(wèn)題，來(lái)自德國(guó)和加拿大的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)并評(píng)估了一種新型輕質(zhì)高效的多功能混合復(fù)合材料，其中包含玻璃纖維和鋁纖維。

該復(fù)合材料結(jié)合了單向鋁纖維預(yù)浸料和單向玻璃纖維編織織物。復(fù)合材料是用纏繞技術(shù)制備。對(duì)不含鋁的參考樣品和以三種不同比例含鋁的樣品的材料性能進(jìn)行了評(píng)估。

性能是根據(jù)不同的機(jī)械和電氣負(fù)載來(lái)測(cè)量的。采用了各種技術(shù)來(lái)評(píng)估樣品，包括電位儀、熱成像和顯微鏡。該團(tuán)隊(duì)表征了多功能復(fù)合材料的機(jī)械性能。首先，評(píng)估了材料在疲勞和靜態(tài)負(fù)載方面的機(jī)械性能；其次，研究旨在證明該復(fù)合材料可以在不影響其機(jī)械性能的情況下攜帶技術(shù)上相關(guān)電荷；第三，更深入地了解機(jī)械和電荷下的損傷機(jī)制。最后，研究討論了所提出的多功能混合材料的能力和它的技術(shù)潛力。因此，該研究為電力推進(jìn)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展提供了有價(jià)值的信息，并為實(shí)現(xiàn)新一代電導(dǎo)體提供了途徑。

研究結(jié)果

該研究得出了幾點(diǎn)重要的結(jié)論。首先，平行方向上的疲勞和拉伸強(qiáng)度沒(méi)有受到10%的鋁集成體積的負(fù)面影響。然而，橫向強(qiáng)度卻明顯降低。改進(jìn)的表面處理可以改善這一點(diǎn)。電導(dǎo)率在靜態(tài)載荷下一直保持到試樣破裂，但在循環(huán)載荷下會(huì)下降。

復(fù)合材料可以承載320 mA/mm2的電流。然而，在低負(fù)荷水平下對(duì)疲勞壽命有負(fù)面影響。需要解決的一個(gè)基本問(wèn)題是薄鋁纖維接觸。這在整合更細(xì)纖維的方法中尤其重要。

該團(tuán)對(duì)研究的另一個(gè)問(wèn)題是所使用的低電壓?，F(xiàn)實(shí)世界的電動(dòng)汽車(chē)需要更高的能量傳輸，因此需要對(duì)高電壓和高電流進(jìn)行進(jìn)一步研究。此外，未來(lái)還需要對(duì)工業(yè)制造、可靠和耐用的接觸器設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)集成以及可修復(fù)性和安全性問(wèn)題進(jìn)行研究。