Materials for Automotive Lightweighting

1. 개요:

• 제목: 자동차 경량화를 위한 재료 (Materials for Automotive Lightweighting)
• 저자: Alan Taub, Emmanuel De Moor, Alan Luo, David K. Matlock, John G. Speer, Uday Vaidya
• 발행 연도: 2019년
• 발행 학술지/학회: Annual Review of Materials Research
• Keywords:
  • advanced high-strength steel (고강도강)
  • aluminum (알루미늄)
  • magnesium (마그네슘)
  • polymer composites (고분자 복합재료)
  • lightweighting (경량화)
  • multimaterial joining (이종재료 접합)

2. 연구 배경:

• 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
  • 차량 무게 감소는 연비 향상에 크게 기여합니다.
  • 기존 차량 제작의 기본 재료인 저탄소강 및 주철은 더 높은 비강도 및 비강성을 가진 재료로 대체되고 있습니다.
  • 주요 과제는 이러한 새로운 경량 재료로 구조물을 제조하는 비용을 줄이는 것입니다.
  • 무게 감소를 극대화하려면 다양한 형태의 이종 재료를 활용하는 최적화된 설계가 필요합니다.
  • 혼합 재료의 사용은 접합 및 갈바닉 부식 방지에 추가적인 어려움을 제시합니다.
• 기존 연구의 한계점:
  • 기존의 경량 재료 제조 공정은 특정 응용 분야의 비용 요구 사항을 충족해야 합니다.
  • 이종 재료 구조에서 접합 및 갈바닉 부식 방지는 추가적인 과제입니다.
• 연구의 필요성:
  • 자동차 경량화를 위한 고강도강, 알루미늄, 마그네슘 및 고분자 복합재료와 같은 재료 시스템의 발전을 검토합니다.
  • 알루미늄과 마그네슘의 사용 증가를 가능하게 하는 제조 기술을 논의합니다.
  • 경량 재료의 광범위한 채택을 위한 재료 특성 개선 및 비용 절감 방안을 모색합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적:
  • 자동차 경량화를 위한 재료 및 제조 기술의 최신 기술 동향을 검토하고, 특히 고강도강, 알루미늄, 마그네슘 및 고분자 복합재료에 중점을 둡니다.
• 핵심 연구 질문:
  • 자동차 경량화를 위해 철강 합금, 특히 고강도강 및 연성 주철 분야에서 최근 발전은 무엇입니까?
  • 자동차 구조에서 알루미늄과 마그네슘의 사용 증가를 가능하게 하는 제조 기술은 무엇이며, 최근 합금 개발은 무엇입니까?
  • 자동차 경량화를 위한 고분자 복합재료의 현재 응용 분야와 발전은 무엇이며, 재료 개발 및 가공 기술을 포함하여 설명하십시오.
  • 자동차 경량 구조를 위한 이종 재료 접합의 과제와 발전은 무엇입니까?
• 연구 가설: (논문에 명시적으로 가설로 제시되지는 않았지만, 함축적으로 내포됨)
  • 재료 과학, 제조 공정 및 설계 최적화의 발전은 성능 및 안전성, 비용 효율성을 유지하면서 상당한 자동차 경량화를 달성하고 연비를 향상시키는 데 매우 중요합니다.

4. 연구 방법론:

• 연구 설계: 자동차 경량화 재료 및 제조 분야의 기존 문헌 및 연구 결과를 요약하는 리뷰 논문입니다.
• 데이터 수집 방법: 자동차 재료, 제조 및 경량화 기술과 관련된 출판된 연구 논문, 산업 보고서 및 기술 간행물에 대한 문헌 검토를 수행했습니다.
• 분석 방법: 검토된 문헌에서 얻은 정보를 질적으로 종합하고 요약하여, 해당 분야의 주요 동향, 발전, 과제 및 미래 방향을 파악하는 데 중점을 두었습니다.
• 연구 대상 및 범위: 자동차의 차체, 섀시 및 내부 부품에 사용되는 재료에 중점을 둡니다. 주로 고강도강, 알루미늄, 마그네슘 및 고분자 복합재료를 검토합니다. 범위는 경량화 재료 고려 사항을 넘어선 파워트레인 전동화 측면은 제외합니다.

5. 주요 연구 결과:

• 핵심 연구 결과:
  • 고강도강 (AHSS) 및 연성 주철:
    • 향상된 강도 및 성형성을 위해 복잡한 미세 구조 (마르텐사이트, 베이나이트, 초미세 결정립 페라이트, 잔류 오스테나이트) 를 가진 3세대 AHSS 개발.
    • 3세대 AHSS를 위한 새로운 가공 경로로서 Q&P (Quenching and Partitioning, 담금질 및 분배) 및 TBF (TRIP-aided bainitic ferrite, TRIP 보조 베이나이트 페라이트) 강 개발.
    • 높은 강도 대 밀도 비율과 비용 효율성을 제공하는 박벽 오스템퍼드 연성 주철 (ADI) 주조.
  • 알루미늄 및 마그네슘:
    • 연비 요구 및 제조 혁신에 의해 알루미늄 및 마그네슘 사용 증가.
    • 알루미늄 및 마그네슘 합금의 성형성을 향상시키기 위한 열간 성형과 같은 판재 성형 기술.
    • 최소 기공률과 향상된 연성을 가진 부품을 생산하기 위한 알루미늄 및 마그네슘용 고진공 다이캐스팅 공정 (SVDC).
    • CALPHAD 접근 방식을 사용한 고온 마그네슘 합금 (예: AE44) 개발.
  • 고분자 복합재료:
    • 높은 강도 대 중량비 및 설계 유연성으로 인해 경량화를 위한 핵심 가능 요소로서 섬유 강화 고분자 복합재료.
    • 차체 외장, 내장, 안전, 섀시, 파워트레인, 연료 시스템 및 엔진 부품의 다양한 응용 분야.
    • 비용 효율적인 복합재료 제조를 위한 탄소 섬유 기술 및 가공 방법 (HP-RTM, 습식 압축, IOM, 프리프레그 스탬핑, 압출-압축) 의 발전.
    • 비용 절감 및 지속 가능성 향상을 위해 중요성이 커지고 있는 고분자 복합재료 재활용 기술.
  • 이종 재료 접합:
    • 자동차 설계에서 다양한 경량 재료를 통합하는 데 필수적인 이종 재료 접합.
    • 견고한 설계 도구, 신뢰할 수 있는 시험 방법 및 비용 효율적인 접합 기술의 필요성.
    • 접합 접근 방식의 규모 확장, 가속 노화 시험 개발 및 제3자 데이터 평가에 중점을 둔 연구.
• 통계적/정성적 분석 결과:
  • 중량 감소 효과: 경차: 중량 감소 가치 "$4.50/kg". 대형 트럭: 중량 감소 가치 "$5-11/kg 건식 밴 전용 경로" 및 "$13-24/kg 벌크 운반선" (표 1).
  • 재료 대체 효과: 경강/주철 대비 다양한 경량 재료의 질량 감소 및 상대적 부품당 비용 (표 2). 예를 들어, 마그네슘: 질량 감소 "60-75%", 상대적 부품당 비용 "1.5 ~ 2.5". 탄소 섬유 복합재료: 질량 감소 "50-60%", 상대적 부품당 비용 "2 ~ 10+".
  • AHSS 연신율: 그림 5는 기존 강종 및 AHSS 강종의 인장 강도 및 총 연신율 조합의 속성 맵을 보여줍니다. 3세대 AHSS는 이 맵에서 특정 대역 내의 속성을 목표로 합니다.
  • Q&P 강 응력-변형률 곡선: 그림 6과 그림 8은 다양한 가공 조건에서 Q&P 강의 응력-변형률 곡선을 보여주며, 인장 특성의 변화를 나타냅니다.
  • 중간 Mn 강에서 오스테나이트 변태: 그림 10은 다양한 어닐링 온도에서 중간 Mn 강의 변형률 및 해당 응력-변형률 곡선에 따른 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태 진화를 보여줍니다.
  • 피로 수명 및 개재물 함량: 그림 11은 강철의 개재물 함량과 피로 응력/수명 간의 관계를 보여줍니다. 개선된 제강 기술은 1980년 이후 "피로 수명이 2배 증가"하는 결과를 가져왔습니다.
  • 연성 주철의 구상 흑연 밀도: 그림 12는 박벽 대 후벽 연성 주철 주물의 구상 흑연 밀도를 비교합니다.
  • 탄소 섬유 복합재료 특성: 표 3은 직물 탄소 섬유 (TCF) 에폭시 복합재료의 대표적인 특성을 보여줍니다. 예: 인장 강도: "548 MPa (79.48 ksi)", 인장 탄성률: "84 GPa (12.18 Msi)".
  • 오버몰딩 복합재료의 하중 지지 용량: 그림 24는 PA6-C LFT와 비교하여 오버몰딩된 PA6-C LFT의 "하중 지지 및 변형률 용량이 275% 향상"되었음을 보여줍니다.
• 데이터 해석:
  • 재료 대체 및 최적화된 설계는 자동차 경량화를 위한 핵심 전략입니다.
  • 첨단 재료 및 제조 공정은 더 가볍고, 더 강하고, 더 비용 효율적인 자동차 구조에 대한 요구를 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.
  • 고분자 복합재료 및 이종 재료 설계는 미래 경량화 노력에 점점 더 중요해지고 있습니다.
• Figure Name List:
  • 그림 1: 1975-2016년 모델 연도의 조정된 연비, 무게 및 마력 변화.
  • 그림 2: (a) 기존 성형 기술 대비 저용량 생산에서 점진적 성형 및 비용 효율성. (b) 다양한 성형 공정에 대한 부품 복잡성과 생산량의 균형.
  • 그림 3: 이종 재료 경량 차량 Mach-II 차체 백색 차체 재료 분포.
  • 그림 4: 미국 자동차 금속 시장 역사 및 전망.
  • 그림 5: 다양한 종류의 기존 강종 및 AHSS 강종에 대한 인장 강도 및 총 연신율 조합의 속성 맵.
  • 그림 6: 300°C ~ 500°C 범위의 다양한 온도에서 200초 동안 오스템퍼링된 0.2 wt% C–1.5 wt% Mn–1.0 wt% Si-0.5 wt% Al 강철의 공학적 응력-변형률 곡선.
  • 그림 7: 완전 오스테나이트 미세 구조로 시작하는 2단계 담금질 및 분배 열처리 공정을 보여주는 개략도.
  • 그림 8: 0.2 ~ 0.4 wt%의 다양한 탄소 함량을 가진 x wt% C-1.5 wt% Mn–1.6 wt% Si 강철에서 담금질 및 분배 처리 후, 400°C에서 10초 및 300초의 분배 시간 (Pt) 으로 수행된 공학적 응력-변형률 곡선.
  • 그림 9: 40 vol% 오스테나이트를 생성하기 위해 620°C에서 24시간 동안 어닐링된 7 wt% Mn 강철에 대한 전자 후방 산란 회절 이미지 품질 맵.
  • 그림 10: (a) 다양한 어닐링 온도에서 인장 변형에 따른 마르텐사이트로 변형된 오스테나이트 분율의 진화. (b) 0.1 wt% C–7.1 wt% Mn–0.1 wt% Si 샘플에 대한 해당 인장 응력-변형률 곡선.
  • 그림 11: (a) 허용 가능한 피로 응력 및 (b) 베어링 피로 수명에 대한 개재물 함량의 영향.
  • 그림 12: 단면 두께가 구상 흑연 수에 미치는 영향을 보여주는 에칭되지 않은 시편의 광학 현미경 사진.
  • 그림 13: 주요 알루미늄 및 마그네슘 자동차 응용 분야의 타임라인.
  • 그림 14: 성형 직후의 Corvette Z06용 수압 성형 알루미늄 레일.
  • 그림 15: (a) Al-8 wt% Si-0.35 wt% Mg-0.6 wt% Fe-x% Mn에 대해 계산된 등압 단면도. (b) Al-Si-Mg-Fe-Mn 합금 시스템에서 β-Al5FeSi 금속간 화합물 상의 형성에 대한 Fe 및 Mn 함량의 영향.
  • 그림 16: 합금 최적화 및 공정 시뮬레이션을 통한 박벽 알루미늄 및 마그네슘 다이캐스팅 달성.
  • 그림 17: (a) 계산된 Mg-Al 상 다이어그램. (b) 실험적 Mg-Al-Ce 합금의 계산된 Mg-Al-Ce 액상선 투영 및 응고 경로.
  • 그림 18: 차량 경량화를 위한 관련 제조 공정을 갖춘 고분자 및 고분자 복합재료에 대한 포괄적인 기회.
  • 그림 19: 미국 및 캐나다 경차의 다양한 플라스틱 및 복합재료의 역사적 평균 재료 사용량.
  • 그림 20: 미국/캐나다 경차에 사용되는 평균 플라스틱 및 고분자 복합재료.
  • 그림 21: Oak Ridge 국립 연구소의 탄소 섬유 기술 시설에서 생산된 광폭 토우 직물 등급 탄소 섬유.
  • 그림 22: (a) 고압 수지 이송 성형 (RTM). (b) 습식 압축 가공.
  • 그림 23: 자동차 부품의 오버몰딩 단계.
  • 그림 24: 탄소 PA6와 오버몰딩된 탄소 PA6의 비교.
  • 그림 25: 장섬유 열가소성 압출-압축 성형 공정의 재료 단계.
  • 그림 26: (a) 45초의 사이클 시간에서 성형된 시트 몰딩 컴파운드 (SMC) 시트백. (b) SMC 몰딩 플라크 및 오버몰딩된 SMC 플라크.
  • 그림 27: 스탬핑/압축 성형하여 네트 셰이프에 가깝게 만들 수 있는 재활용 탄소 섬유 폴리아미드 6 (PA6) 매트의 예.
  • 그림 28: Oak Ridge 국립 연구소의 제조 시연 시설에서 BAAM (대면적 적층 제조) 프린터로 제작된 Strati 자동차의 육각형 기하학적 단면.
  • 그림 29: (a) 프리프레그 스탬핑, 사출 성형, 압축 및 적층 제조를 위한 포괄적인 기능을 갖춘 IACMI Purdue University의 모델링 및 시뮬레이션 허브. (b) 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 재료의 층별 적층 압출 증착에서 개발된 국부 열 응력 모델.

6. 결론 및 논의:

• 주요 결과 요약:
  • 자동차 산업은 AHSS, 알루미늄, 마그네슘 및 고분자 복합재료와 같은 첨단 재료를 채택하여 경량화로 적극적으로 전환하고 있습니다.
  • 최적화된 설계 및 첨단 제조 기술은 비용 효율적인 경량 재료 구현에 매우 중요합니다.
  • 성능을 향상시키고 무게를 줄이기 위해 각 재료 범주에 대한 새로운 합금 및 가공 경로 개발에 상당한 진전이 있었습니다.
  • 이종 재료 설계 및 접합 기술은 무게 감소를 극대화하고 원하는 성능 특성을 달성하는 데 필수적입니다.
• 연구의 학술적 의의:
  • 자동차 경량화를 위한 재료 및 제조 분야의 최신 발전에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
  • 설계 최적화 및 재료 선택에 있어 ICME (Integrated Computational Materials Engineering, 통합 전산 재료 공학) 의 중요성을 강조합니다.
  • 이종 재료 설계로의 전환과 관련된 과제와 기회를 강조합니다.
• 실무적 시사점:
  • 자동차 엔지니어 및 재료 과학자가 경량 재료 및 제조 공정을 선택하고 구현하는 데 유용한 통찰력을 제공합니다.
  • 자동차 경량화의 추가 발전에 필요한 주요 연구 분야 및 기술 발전을 식별합니다.
  • 새로운 경량화 기술 채택에 있어 비용 효율성 및 재활용성의 중요성을 강조합니다.
• 연구의 한계점:
  • 본 리뷰는 주로 재료 측면과 제조 기술에 초점을 맞추고 있으며, 전체 수명 주기 분석 또는 상세한 비용 모델링과 같은 더 넓은 시스템 수준의 영향에 대한 논의는 제한적입니다.
  • 범위는 차체, 섀시 및 내부 부품으로 제한되며, 재료 고려 사항을 넘어선 파워트레인 전동화가 경량화에 미치는 영향에 대한 심층 분석은 제외합니다.

7. 향후 후속 연구:

• 후속 연구 방향:
  • 저비용 탄소 섬유 및 효율적인 복합재료 제조 공정의 추가 개발.
  • 이종 재료 접합 기술 및 갈바닉 부식 방지 방법의 발전.
  • 가속화된 재료 설계 및 공정 최적화를 위한 ICME 도구의 개발 및 개선.
  • 지속 가능성을 향상시키기 위한 복합재료 재활용 기술 연구.
  • 향상된 특성 및 비용 절감을 통해 AHSS, 알루미늄 및 마그네슘을 위한 새로운 합금 설계 및 가공 기술 탐구.
• 추가 탐구가 필요한 영역:
  • 다양한 경량화 전략 및 재료 선택에 대한 기술 경제 분석.
  • 복합재료 충돌 시뮬레이션 모델의 검증 및 견고한 설계 지침 개발.
  • 이종 재료 접합부에 대한 표준화된 시험 방법 및 데이터베이스 개발.
  • 경량화 전략과 차량 전동화 및 자율 주행 기술의 통합.

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9. Copyright:

본 자료는 [Alan Taub 외] 저자의 논문: [Materials for Automotive Lightweighting]을 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: [https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070218-010134]

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용은 금지됩니다.
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