Interprétation complète des composites avancés pour les véhicules électriques et l'industrie automobile
Les matériaux composites font référence à des matériaux composés de deux ou plusieurs matériaux différents. Généralement, des métaux, des céramiques ou des matériaux polymères peuvent être utilisés comme matériaux de matrice principaux. Par rapport aux matériaux traditionnels, la plupart des matériaux composites sont conçus en mettant l’accent sur une résistance spécifique élevée, un poids réduit et une résistance à la corrosion relativement élevée. Une résistance plus élevée, une résistance à la fatigue plus élevée, de meilleures propriétés physiques, un poids plus léger et une meilleure finition de surface sont les principaux avantages des matériaux composites.
Dans l’industrie automobile, les matériaux composites sont plus légers que les métaux les plus couramment utilisés. Les composites à base de fibre de carbone sont les composites polymères les plus performants utilisés dans les automobiles, l'aérospatiale, la défense militaire et les équipements sportifs. Dans les voitures traditionnelles, le métal constitue la structure centrale, tandis que certaines pièces internes sont constituées de matériaux composites. Ces dernières années, les composites en fibre de carbone ont été considérés comme le matériau le plus approprié pour réduire le poids des véhicules, bien qu'ils puissent différer des métaux traditionnels et soient coûteux.
Par rapport aux alliages d'aluminium, les matériaux composites peuvent présenter davantage d'améliorations en termes de propriétés mécaniques, de microstructure et de morphologie de surface. Généralement, l'application de matériaux composites dans l'industrie automobile est classée parmi les matériaux spéciaux. Dans les véhicules électriques, l’acier et la fonte représentent environ la moitié des matériaux en poids ; les alliages d'aluminium représentent environ 9 % du total, les plastiques 11 % et le caoutchouc 3 %. De nos jours, les industries se concentrent sur l’utilisation de ressources renouvelables et utilisent davantage des matériaux recyclables, respectueux de l’environnement et moins dangereux, ayant un impact mondial.
La réduction des émissions et de la consommation de carburant sont des défis majeurs auxquels est confrontée l’industrie automobile. En raison de la production d’énergie reposant sur des combustibles fossiles à base de carbone, une grande quantité de gaz à effet de serre est émise dans l’environnement. Avec l’augmentation continue de la consommation mondiale d’électricité, la demande d’énergie a augmenté au cours des dernières décennies. En raison du coût élevé du carburant et de la dégradation de l’environnement, les consommateurs sont incités à choisir des véhicules électriques. La demande et la motivation pour l’utilisation de véhicules électriques ont augmenté dans de nombreux pays du monde. Les véhicules électriques sont des alternatives aux véhicules diesel, à essence et autres véhicules à combustibles fossiles, car ils utilisent des batteries lithium-ion, qui offrent la commodité d'une charge mixte et sont plus légères, car la plupart des composants sont fabriqués à partir de matériaux composites pour améliorer l'efficacité énergétique du véhicule. De plus, ils peuvent ne pas nécessiter la plupart des composants nécessaires aux véhicules traditionnels fonctionnant aux combustibles fossiles. Certaines entreprises de covoiturage se concentrent sur le remplacement de leur flotte de moteurs à combustion interne par des véhicules électriques.
Pour résoudre les problèmes d'efficacité énergétique, les chercheurs suggèrent d'utiliser des matériaux légers pour remplacer les pièces automobiles, ce qui peut réduire le poids du véhicule tout en améliorant l'économie de carburant. Pour chaque tranche de 10 kilogrammes de poids du véhicule réduit, les émissions de carbone diminueront de 1 gramme par kilomètre, réduisant ainsi la consommation de carburant. La solution légère devient progressivement une méthode importante car elle s'est avérée efficace pour réduire la demande de carburant et les émissions.
L'allégement automobile se concentre sur la réduction de la masse du véhicule grâce à des matériaux alternatifs et à la refonte des composants, tout en conservant la taille du véhicule et en répondant davantage aux besoins des consommateurs. Lors de la conception de véhicules à moteur à combustion interne, les chercheurs ont utilisé diverses technologies pour étudier les avantages des matériaux légers par rapport aux matériaux traditionnels. Le résultat de l’intégration des véhicules électriques et de la conception légère est une réduction de l’impact environnemental du véhicule. De plus, l'utilisation de matériaux légers dans les véhicules électriques est prévisible, car ils peuvent améliorer les performances en réduisant la masse, comme l'autonomie et le contrôle de la taille de la batterie (comme le montre la figure ci-dessous).
Composition des composants structurels du véhicule électrique
Les matériaux composites sont considérés comme des matériaux candidats potentiels pour la fabrication de composants légers, et des efforts ont été déployés pour réduire le poids des véhicules tout en développant des méthodes rentables de production de matériaux légers tels que les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP). Comparé aux matériaux traditionnels, le CFRP possède une résistance élevée, un faible poids, une bonne résistance aux vibrations, une rigidité élevée et une résistance plus élevée à la fatigue et à la corrosion.
Ces dernières années, même si la technologie des matériaux composites automobiles a fait l’objet d’une attention et d’une recherche généralisées, l’emploi dans l’industrie automobile est toujours à la traîne par rapport à l’industrie aérospatiale. Par conséquent, des développements et des progrès supplémentaires sont nécessaires pour répondre à la demande croissante de véhicules électriques. Le tableau suivant montre la classification des différents types de véhicules. En combinant les statistiques actuelles des secteurs des véhicules électriques et de l’automobile, la valeur estimée du marché international des véhicules électriques de tourisme en 2020 était d’environ 120,81 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel composé attendu d’environ 32,5 % de 2021 à 2028.
Différentes catégories de véhicules
En 2020, les ventes mondiales de voitures s'élevaient à environ 3 millions d'unités, soit une augmentation de près de 40 % par rapport à 2019. La même année, les véhicules électriques en Chine représentaient environ 30 % des ventes mondiales. Depuis 2021, les États-Unis proposent plus de 15 modèles différents de véhicules électriques à batterie (BEV). Par rapport aux véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV), les BEV devraient connaître une croissance plus élevée en raison de leurs problèmes d’autonomie.
Dans le créneau des véhicules électriques à batterie, la version améliorée de la Tesla Model S était la plus courante, le fournisseur réalisant plus de 70 % des ventes dans le domaine des véhicules électriques à batterie en 2020. Le taux de croissance annuel composé le plus élevé de l'industrie des PHEV pourrait dépasser 32 % au cours de la période de prévision. Ces progrès peuvent être attribués aux recommandations avancées par les gouvernements des économies industrialisées et en développement pour promouvoir l'utilisation des véhicules électriques.