自動車産業で使用される先進材料 – レビュー

この論文の紹介は、['Advanced materials used in automotive industry-a review']（['AIP Publishing']発行）に基づいて作成されました。

1. 概要:

  • タイトル: 自動車産業で使用される先進材料 - レビュー
  • 著者: Karthik Sivanur, K. V. Umananda, Dayanand Pai
  • 出版年: 2021年
  • 発行ジャーナル/学会: AIP Conference Proceedings
  • キーワード: 軽量、経済的妥当性、炭素繊維、人間工学、機械的特性
FIGURE 1. Structure of graphitic crystals[3]
FIGURE 1. Structure of graphitic crystals[3]
FIGURE 2. Light Vehicle Metallic Material Trends, North America [12, 13]
FIGURE 2. Light Vehicle Metallic Material Trends, North America [12, 13]
FIGURE 3. Pie chart of Al consumption for automotive Industry in European countries. [23]
FIGURE 3. Pie chart of Al consumption for automotive Industry in European countries. [23]

2. 抄録または序論

抄録:
本レビュー論文は、自動車の経済性、効率性、および性能に影響を与える軽量材料について明らかにすることを目的としています。炭素繊維とアルミニウムは、鋼のような他の金属と比較して軽量である傾向があり、自動車分野での利用範囲がより広いです。高品質鋼材はリサイクル可能であり、材料を経済的に生産的にします。炭素繊維は、自動車産業で使用されている既存の材料と比較して、破壊に対する高い抵抗性を持っています。高品質鋼材は費用対効果が高いです。車両における炭素繊維への関心の高まりは、その独特な特性の配置に関連しています。車両の構造における炭素繊維の利用は、具体的には繊維材料の費用、言い換えれば自動車業界で使用されている他の鋼よりも高価であること、および現代の大規模生産の状態下での車体の組み立ての困難さという2つの要因によって妨げられています。それにもかかわらず、構造の効率は、この生産性をもたらすさまざまな手段、すなわち、階層的、運用的、組み立て的、および計画的なものを考慮せずに、材料の費用のみに関して評価されるべきではありません。

序論
より環境に配慮した車両への関心の高まりは、自動車業界にとって重要な課題です。炭素繊維のトレードマークである特性、すなわち重量比に対する最高の堅牢性、優れた成形性、並外れた腐食防止性、および再利用の可能性は、自動車業界において、重量を減らすという要求に応えるために、より重い材料（鋼または銅）を置き換える理想的な可能性となります。資金的および通常の必要性を満たすのに役立つ炭素繊維を使用した自動車改良の材料保証と創造的な思考の部分、およびさらに改良された運転快適性の要求が検討されています[3]。軽量化と衝突価値のエッジに対するより高品質でより優れた成形性の拡大する要求のために作られた炭素繊維アマルガム、および財政的および共通の必要性を満たすのに役立つ炭素繊維を使用した材料選択と革新的な自動車改良の鋳造部品としての炭素繊維半製品の特定の進歩、および同様に強化された運転快適性の要求が検討されています。より高品質でより優れた成形性の成長する要求のために作られた炭素繊維アマルガム、軽量化と衝突価値の観点、および炭素繊維半製品の特定の進歩は鋳造品として検討されています。炭素繊維は、このように自動車業界で最も一般的に使用される金属であり、さまざまな衝撃スタックを受け、試みることができます[38]。大規模な取り組みだけでなく、小規模な組織でも使用されています[2,3]。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

自動車産業は、本質的な使用量を削減し、経済性を向上させる、より環境に配慮した車両を開発するというプレッシャーにますます直面しています。 これにより、軽量材料の探求と採用が必要になっています。

既存の研究の現状:

既存の研究では、資金的および通常のニーズを満たし、運転の快適性を向上させるために、炭素繊維を使用した材料保証と創造的な自動車改良が検討されています[3]。研究はまた、より高品質、より優れた成形性、軽量化、および衝突価値のエッジのための炭素繊維アマルガムに焦点を当てています。財政的および共通のニーズを満たし、運転の快適性を向上させることを目的として、材料選択と革新的な自動車改良のための鋳造部品としての炭素繊維半製品の特定の進歩が検討されています。

研究の必要性:

この研究は、鋼や銅のようなより重い材料を置き換えることができる適切な軽量材料を特定し、レビューすることにより、自動車業界における重量を減らすという要求に対処するために必要です。 この移行は、より環境に配慮した車両を作成し、進化する業界の要求を満たすために不可欠です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本レビュー論文は、軽量材料と、自動車の経済性、効率性、および全体的な性能への影響に関する洞察を明らかにすることを目的としています。

主な研究:

主な研究分野には、以下の調査が含まれます。

  • 鋼のような従来の材料よりも軽量な代替材料としての炭素繊維とアルミニウム。
  • リサイクル可能性と費用対効果に焦点を当てた高品質鋼材。
  • 自動車産業で潜在力を持つ別の軽量材料としてのマグネシウム。

研究仮説:

仮説として明示的に述べられていませんが、この研究は、炭素繊維、アルミニウム、高品質鋼、マグネシウムなどの軽量材料を利用することで、以下に大きく貢献できるという前提を暗黙のうちに探求しています。

  • 車両の経済性と効率性の向上。
  • 車両性能の向上。
  • 車両全体の重量の削減。
  • 安全性と構造的完全性の維持または向上。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、既存の文献を統合して自動車産業における先進材料の包括的な概要を提供するレビュー論文デザインを採用しています。

データ収集方法:

データ収集方法は、自動車用途における軽量材料に関連する既存の研究論文、記事、および出版物の徹底的なレビューを含みます。

分析方法:

分析方法は、レビューされた文献から収集された情報を要約、統合、および批判的に評価することに基づいており、軽量自動車材料の分野における主要な傾向、用途、および研究ギャップを特定します。

研究対象と範囲:

研究は、自動車産業に関連する軽量材料に焦点を当てています。 範囲は以下を含みます。

  • 材料の種類: 炭素繊維、アルミニウム、マグネシウム、および高強度鋼（AHSS）。
  • 用途: さまざまな自動車部品および構造におけるこれらの材料の利用。
  • 性能パラメータ: 車両重量、経済性、効率性、安全性、および性能に対する軽量材料の影響。

6. 主な研究結果:

主な研究結果:

  • 炭素繊維とアルミニウム: これらの材料は、鋼よりも軽量である傾向があり、自動車分野での利用範囲がより広いです。
  • 高品質鋼材: これらの材料はリサイクル可能であることが注目されており、経済的に生産的で費用対効果が高くなっています。
  • 炭素繊維の特性: 炭素繊維は、自動車産業における既存の材料と比較して、破壊に対する高い抵抗性を示し、車両製造において一貫して関心が高まっている独自の特性配置を備えています。
  • AHSSの利点: 先進高強度鋼（AHSS）は、セキュリティ部分や自動車のボディとスケルトンの基本的な部分に使用する場合に最も有利であり、大幅な軽量化を実現します。
  • マグネシウムの貢献: マグネシウムは、車両の軽量化と質量減少の遅延進行に貢献する主要な材料として認識されています。
  • アルミニウム利用の成長: 自動車用途におけるアルミニウムの利用は、過去5年間で80％以上増加しており、業界での重要性が高まっていることを示しています。

提示されたデータの分析:

  • 表 1: 「グローバル炭素繊維消費量 [4-6,10]」 - この表は、2000年から2011年までの炭素繊維のグローバル消費量の傾向を示しており、航空宇宙、産業、スポーツ用品部門での採用が増加していることを示しています。
  • 表 2: 「自動車産業における炭素繊維とその用途に関する考察 [1-10]」 - この表は、炭素繊維の特性、CRP用途、製造、強化プラスチック/複合材料などの自動車部品への用途を詳細に示し、結果と影響について議論し、その可能性とコストなどの課題を強調しています。
  • 表 3: 「自動車産業における高強度鋼とその用途に関する考察 [13-20]」 - この表は、進化、設計、強度、成形性などの特性に焦点を当てた高強度鋼と、自動車構造におけるその用途を検討しています。 結果は、セキュリティに対する関心の高まりと、将来の戦闘材料としての役割を強調しています。
  • 表 4: 「自動車産業におけるマグネシウムとその用途に関する考察 [21-24]」 - この表は、マグネシウム合金、その設計、製造、重量、および安全性の側面、およびシャーシ、内装パネル、およびシートにおける用途について議論しています。 結果は、ビジネス上の課題と、集合、ケア、インアドバンテージ実行、およびコストにおける努力の必要性を示しています。
  • 表 5: 「自動車産業におけるアルミニウムとその用途に関する考察 [23-33]」 - この表は、アルミニウムとその合金、成形性、ろう付け性、強度、および腐食、ならびに自動車産業におけるその傾向と実験的試験に焦点を当てて探求しています。 結果は、アルミニウムがシート鋼に対する長期的な危険性を持つ可能性と、さまざまな自動車用途への適合性を示しています。
  • 図 1: 「グラファイト結晶の構造[3]」 - この図は、炭素繊維のグラファイト結晶の構造を視覚的に表しています。
  • 図 2: 「軽自動車の金属材料トレンド、北米 [12, 13]」 - この図は、北米における軽自動車の金属材料の使用傾向を示す円グラフであり、アルミニウムとマグネシウム、軟鋼、ベーク硬化および中HSS、従来型HSS、および先進HSSの割合を示しています。
  • 図 3: 「欧州諸国における自動車産業におけるアルミニウム消費量の円グラフ [23]」 - この図は、1994年と2005年の欧州諸国における自動車産業におけるアルミニウム消費量を比較した円グラフを示しており、シート、押出成形品、鋳造品、および鍛造品の内訳を示しています。

図の名前リスト:

  • 図 1. グラファイト結晶の構造[3]
  • 図 2. 軽自動車の金属材料トレンド、北米 [12, 13]
  • 図 3. 欧州諸国における自動車産業におけるアルミニウム消費量の円グラフ [23]

7. 結論:

主な調査結果の要約:

レビューの結論は、自動車の安全性の向上の要求の高まりは、より高品質の材料を必要とし、先進高強度鋼（AHSS）を自動車産業における重要な材料として位置づけているということです。 AHSS、炭素繊維、マグネシウム、およびアルミニウムは、自動車の安全性、効率性を向上させ、車両重量を削減するための主要な材料として特定されています。 炭素繊維は最も関与している材料として強調されており、AHSSは材料量の削減を通じてコストの懸念に迅速に対応しています。 鋼はグリーン経済の中心であり続け、マグネシウムは軽量化と性能向上のための戦略を提供します。 二相鋼とマルテンサイト鋼は、価値、成形性、および溶接性の絶対的な組み合わせを提供し、ボディインホワイト構造部品、およびゲートウェイ影響バー、保護システム、シート構造などのセキュリティ部品に最適です。

研究の学術的意義:

本研究は、自動車産業における先進材料とその用途に関する包括的なレビューを提供し、自動車設計における材料科学と工学の学術的理解に貢献しています。 さまざまな研究からの調査結果を統合し、この分野の研究者や専門家にとって貴重なリソースを提供します。

実際的な意味合い:

調査結果は、自動車設計および製造における材料選択に関する実際的なガイダンスを提供します。 AHSS、炭素繊維、マグネシウム、アルミニウムなどの軽量材料の利点と用途を強調することにより、このレビューは、エンジニアや製造業者が軽量化、車両性能の向上、安全性の向上、および燃費効率を実現するための情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。

研究の限界と今後の研究分野:

この論文では、限界を明示的に詳述していません。 ただし、今後の研究分野は、言及されている将来の範囲から推測できます。

  • 大量自動車生産における炭素繊維とマグネシウムの費用対効果と拡張性のさらなる調査。
  • AHSSの用途を拡大し、成形性と溶接性を向上させるための継続的な研究開発。
  • 自動車構造における性能を向上させるための新しいアルミニウム合金と加工技術の探求。
  • 環境に責任のある自動車製造を保証するための、これらの先進材料のライフサイクル評価と持続可能性分析。

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9. 著作権:

  • この資料は、"[Karthik Sivanur, K. V. Umananda, and Dayanand Pai]"氏の論文：「"Advanced materials used in automotive industry-a review"」に基づいています。
  • 論文ソース: https://doi.org/10.1063/5.0036149

この資料は上記の論文に基づいて要約されたものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
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