電気自動車および自動車産業向けの先進複合材料の包括的な解釈
複合材料とは、2 つ以上の異なる材料から構成される材料を指します。 通常、金属、セラミック、またはポリマー材料を主要なマトリックス材料として使用できます。 従来の材料と比較して、ほとんどの複合材料は、高い比強度、軽量、比較的高い耐食性を重視して設計されています。 複合材料の主な利点は、より高い強度、より高い疲労強度、より優れた物理的特性、軽量、より優れた表面仕上げです。
自動車産業では、複合材料は最も一般的に使用されている金属よりも軽量です。 炭素繊維ベースの複合材は、自動車、航空宇宙、軍事防衛、スポーツ用品に使用される最高性能のポリマー複合材です。 従来の自動車では、中心構造は金属で構成されていますが、一部の内部部品は複合材料で作られています。 近年、炭素繊維複合材料は車両の軽量化に最も適した材料と考えられていますが、従来の金属とは異なり、高価である可能性があります。
アルミニウム合金と比較して、複合材料は機械的特性、微細構造、表面形態がさらに向上しています。 一般に、自動車産業における複合材料の応用は特殊材料として分類されます。 電気自動車では、重量で鋼鉄と鋳鉄が材料の約半分を占めます。 アルミニウム合金が全体の約9％、プラスチックが11％、ゴムが3％を占めています。 現在、産業界は再生可能資源の利用に重点を置き、リサイクル可能で環境に優しく、地球規模に影響を与える危険性の低い材料をさらに活用しています。
排出ガスと燃料消費量の削減は、自動車産業が直面する大きな課題です。 炭素ベースの化石燃料に依存したエネルギー生産により、大量の温室効果ガスが環境中に排出されます。 世界的な電力消費量の継続的な増加に伴い、過去数十年にわたってエネルギー需要も増加しています。 燃料費が高く、環境悪化も考慮されているため、消費者は電気自動車を選択する傾向にあります。 電気自動車を使用する需要と動機は、世界中の多くの国で高まっています。 電気自動車は、車両の燃料効率を向上させるためにほとんどのコンポーネントが複合材料で作られているため、混合充電が便利で軽量なリチウムイオン電池を使用しているため、ディーゼル、ガソリン、その他の化石燃料自動車の代替品です。 さらに、化石燃料で駆動する従来の車両に必要なコンポーネントのほとんどを必要としない可能性があります。 一部の配車会社は、内燃機関車両を電気自動車に置き換えることに注力しています。
エネルギー効率の問題に対処するために、研究者らは、自動車部品の代替として軽量素材を使用することを提案しています。これにより、燃費を向上させながら車両重量を削減できます。 車両重量が 10 キログラム減少するごとに、二酸化炭素排出量は 1 キロメートルあたり 1 グラム減少し、燃料消費量が削減されます。 軽量ソリューションは、燃料需要と排出量の削減に効果的であることが証明されているため、徐々に重要な方法になりつつあります。
自動車の軽量化は、車両のサイズを維持し、消費者のニーズをさらに確保しながら、代替材料やコンポーネントの再設計によって車両質量を削減することに重点を置いています。 内燃機関車両の設計において、研究者はさまざまな技術を利用して、従来の材料と比較した軽量材料の利点を研究してきました。 電気自動車と軽量設計の統合の結果、自動車の環境への影響が軽減されます。 さらに、電気自動車での軽量材料の使用は、走行距離やバッテリーサイズの制御など、質量を削減することで性能を向上させることができるため、予測可能です（下図を参照）。
電気自動車の構造部品構成
複合材料は、軽量コンポーネントを製造するための潜在的な候補材料と考えられており、炭素繊維強化プラスチック (CFRP) などの軽量材料を製造するコスト効率の高い方法を開発しながら、車両の重量を削減するための努力がなされてきました。 従来の材料と比較して、CFRP は高強度、軽量、優れた耐振動性、高剛性、高い疲労耐性と耐食性を備えています。
近年、自動車用複合材料技術が広く注目され、研究が進んでいますが、自動車産業での雇用は依然として航空宇宙産業に比べて遅れています。 したがって、電気自動車に対する需要の高まりに応えるためには、さらなる開発と進歩が必要です。 次の表は、さまざまな車両タイプの分類を示しています。 電気自動車業界と自動車業界の現在の統計を総合すると、2020 年の国際乗用電気自動車市場の推定価値は約 1,208 億 1,000 万ドルとなり、2021 年から 2028 年までの年間平均成長率は約 32.5% になると予想されます。
さまざまな車両カテゴリー
2020年の世界の自動車販売台数は約300万台で、2019年から40％近く増加した。同年の中国の電気自動車は世界販売の約30％を占めた。 2021年以来、米国は15を超える異なるモデルのバッテリー電気自動車（BEV）を提供している。 プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）と比較して、BEV は航続距離の問題により、より高い成長が見込まれています。
バッテリー電気自動車のニッチ分野では、テスラ モデル S のアップグレード版が最も一般的であり、サプライヤーは 2020 年にバッテリー電気自動車分野で売上高の 70% 以上を達成しました。PHEV 業界で最も高い複合年間成長率予測期間内に 32% を超える可能性があります。 これらの進歩は、電気自動車の使用を促進するために先進国および発展途上国の政府によって提案された推奨事項に起因すると考えられます。