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用于飞机电池应用的智能复合材料外壳被开发

来源:JEC(复材网) 发布时间:2023-01-30 277
化工增强塑料工业金属加工
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利用热塑性复合材料加工和柔性印刷电子产品的最新发展,IPC及其合作伙伴开发了一种适用于飞机应用的轻质智能电池外壳。

利用热塑性复合材料加工和柔性印刷电子产品的最新发展,IPC及其合作伙伴开发了一种适用于飞机应用的轻质智能电池外壳。通过优化的材料选择、零件设计和传感器嵌入,复合外壳符合行业的功能和安全要求,包括抵抗电池热失控。这篇文章发表在JEC复合材料杂志N 149上。


为了在飞机中提供电力,有必要在下一代飞机中集成更高的能量存储容量,并且这种趋势适用于所有的飞机部分。有望克服这一挑战的电池技术目前使用锂离子电池,因为它们的功率密度更高。然而,由于需要添加金属外壳来容纳众所周知的锂离子技术相关的令人担忧的事件:热失控,电池的重量大大增加。为了克服这一缺点,开发了一种能够抵抗电池热失控的轻质复合材料包装,将传感器集成在外壳结构内,以检测潜在的热失控,并提供关于这种可能的飞行中临界情况的信息。本文介绍的开发是在的框架下进行的绿洲H2020项目(用于扩大创新智能轻质复合材料和组件规模的开放式单一入口点)。该项目的目标是开发纳米多功能轻质复合材料的市场潜力,特别是聚合物基复合材料和铝复合材料。作为该项目的一部分,泰雷兹正在领导一个特定的展示,以开发一种配备传感器的创新复合电池外壳。这项工作是以前专门研究复合材料套管的延续,应该使用OASIS项目中提出的纳米技术产品线对其进行改进。


一种高性能复合套管

这种新型复合套管有望表现出以下特性:

  • 与参考铝外壳相比,电池系统的重量能量密度(储存的能量与电池重量之比)高出10-20%。

  • 抵抗电池系统中一个电池的热失控,降低火灾蔓延风险。

  • 通过早期检测降低热失控风险。


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图1:组装好的智能复合材料外壳


泰雷兹的陈列柜受到几个直接影响复合材料外壳材料选择的限制。由于飞机所处的环境,外壳对火和化学物质应尽可能不敏感(DO-160标准)。还要求在U > 1300 V时绝缘,并且不受气体、液体、蒸汽和火焰的影响。该材料应能在-20°C至85°C的温度下长时间暴露10年。


用于飞机应用的锂电池必须符合DO-311标准,并且强度要求之一是证明能够抑制热失控效应。当电池单元热失控时,由于通过排气孔排出的气体有限,外壳中的压力会急剧增加。此外,火焰、烟雾和电解槽电解质蒸汽会迅速产生。最后,外壳内的空气温度在非常短的时间内上升到1300°C(对于这种电池格式,不到一秒钟)。因此,外壳必须耐高温并限制火焰传播。


智能热塑性复合材料外壳概念

为了满足这些苛刻的规格,开发了一种带有嵌入式传感器的全热塑性外壳,提供轻质和监控功能。外壳由两部分组成:通过短纤维增强的技术热塑性聚合物的注射成型生产的圆柱形主体,以及使用冲压/包覆成型工艺由热塑性复合预浸料和包覆成型聚合物生产的混合盖。


这个过程通常分为三个步骤:首先,将热塑性复合材料预浸料加热到其熔化温度以上;然后,将预浸料坯在模具中冲压成目标形状;最后,冲压的预浸料坯在特定区域被包覆成型以给部件带来额外的功能。


为智能外壳开发的工艺使得在包覆成型步骤中集成印刷传感器成为可能。这样,温度传感器完全集成在复合部件中,从而简化了安装,降低了布线要求,允许更可靠的温度测量,并提高了电池的安全性。


材料选择和验证

在工艺方面,一些聚合物基质需要较高的加工温度(370至400°C ),这使得集成传感器非常困难。必须考虑所有之前定义的规范,以确保套管能够抵抗热失控,从而降低火灾蔓延的风险。为了满足这些要求,我们对各种热塑性塑料基体进行了比较,以选择最适合该展示台的材料。表1总结了这些热塑性基体的特性,这些特性与用于设计外壳的材料规格有关。


微信截图_20230130093625.jpg表1总结了这些热塑性基体的特性,这些特性与用于设计外壳的材料规格有关。


除了表1中报告的特性之外,还进行了热模拟工业程序控制( industrial process control的缩写)表示在热失控的情况下,外壳材料保持在115°C以下。模拟还揭示了当材料达到40℃的温度时出现压力峰值。基于这些结果,为复合预浸料和包覆成型基体选择了PPS(聚苯硫醚)基体。使用相同的聚合物确保了复合材料和包覆成型材料之间的最佳相容性。为了优化外壳的机械性能,同时限制其重量,选择了PPS/碳预浸料。为了满足所需的介电性能,在PPS/C预浸料的两侧添加PPS/玻璃层。


通过拉伸、压缩、面内剪切应力和层间剪切强度(ILSS)测试来测量材料样品的机械性能。测试证实所选材料符合初始规格,实验结果随后用于模拟。通过DSC(差示扫描量热法)和TGA(热重分析法)分析材料的物理化学性质,以验证工艺窗口。在代表性试样上进行燃烧试验,以确认有限的火蔓延。还评估了介电性能,以满足NF EN 60243标准的电绝缘规范。最后,进行扫描电子显微镜(SEM)分析以检查材料的微观结构(空隙、分层等)。).在图2的SEM照片上,纤维取向清晰可见。在预浸料坯上没有发现孔隙。碳纤维(图片中间)和玻璃纤维(顶部和底部)可以清楚地识别出来。所有这些分析使得根据电池外壳的规格验证所选材料成为可能。因此,用于智能罩的复合预浸料由六层PPS/碳组成,以获得机械性能,在PPS/碳叠层的每一侧有一层PPS/玻璃,以获得介电电阻。包覆成型基体也是用65%的短玻璃纤维增强的PPS树脂。


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图2:聚苯硫醚/碳+聚苯硫醚/克的扫描电镜分析机械模拟和设计优化


基于最初的设计,尺寸和形状适应复合材料和工业程序控制( industrial process control的缩写)HCIM(水平复合注射成型)工艺。选择预浸复合材料以提供所需的机械性能。包覆成型使得集成附加功能成为可能,例如传感器、局部加固和装配特征。


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图3:ptistruct上的拓扑模拟


使用计算机辅助工程(CAE)在静态模式下进行机械和拓扑模拟(图3 );Altair Optistruct和Abaqus软件)产生了在覆盖物上具有几个肋和在预浸复合材料上具有曲线的设计,以提高机械性能。外壳模拟最大变形量在盖子中间为1.62 mm,符合要求。使用这种优化的套管设计,模拟显示复合结构中没有裂缝或断裂,并显示出对内部压力目标的抵抗力。


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