Применение композиционных материалов в автомобилестроении.

Иринчеева Е.В.,

ОГОБУ СПО ИТТриС г. Иркутск

Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых композиционных материалов. В настоящее время композиционные материалы используются при создании практически любого узла автомобиля. Есть даже концепт-кары, корпус которых целиком состоит из композиционных материалов. На основе композитов разработано большое количество конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам композиты обеспечивают изделию и конструкции высокую прочность, износостойкость, жесткость и в то же время легкость и малый вес. В настоящее время в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. Компонентами композитов также являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители.

Что такое композиционные материалы?

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители).

Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементы внутренней отделки салона автомобиля: декоративные панели салона; элементы защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля.

Отдельно надо сказать о материалах из углеродного волокна. Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220° С, карбонизация - 1000-1500° С и графитизация - 1800-3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Такие материалы используются в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем их применения значительно растет. Наиболее важное достоинство углеволокна - необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Экономия горючего достигается путем снижения массы автомобиля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя.

Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требовалось уменьшить ее за 7 лет приблизительно на 660 кг. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

В 1977 году фирма "Форд" сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый экземпляр такого автомобиля был создан в1979 году. В опытной модели "Форд LTD" 1979г. из углепластиков и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т.е. примерно наь33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т.е. примерно на 35%.

Начало применению углеродных волокон в нашей стране было положено Министерством среднего машиностроения СССР в 70-х годах прошлого века, но в настоящее время это производство, по сравнению с мировым, выглядит скромно - мощность существующих заводов Росатома составляет только 500 тонн углеродного волокна в год. Новое предприятие сможет производить продукции, сопоставимой по качеству с зарубежными аналогами, в 3 раза больше. Россия намерена в ближайшие годы завоевать ведущие позиции на мировом рынке композиционных материалов. В первом квартале 2013-го будет пущен в эксплуатацию завод по переработке углеродного волокна «Алабуга-Волокно», который является совместным проектом ХК «Композит» и госкорпорации «Росатом».

Композиционные материалы - самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малый вес - эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы - дерево, металлы, камень. Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека, ведь из них создаются многие предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ. Также применяются композиционные материалы в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики. Автомобилестроение, наука и техника, современные космические технологии и авиастроение - далеко не полный список применения композиционных материалов. Благодаря своим улучшенным физическим свойствам, технологичности изготовления, а также универсальности в применении, композиты уже нашли свою нишу в производстве многих товаров народного потребления. Этот список постоянно расширяется, что определяет постоянное развитие и поиск новых решений в применении композиционных материалов.

Литература:

1. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) Текст: учебное пособие, серия начальное профессиональное образование / А.М.Адаскин, В.М.Зуев. - М.: Издательский центр Академия,2008. - 288 с

2. Богодухов, С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах Текст: учебное пособие/ С.И.Богодухов, А.В.Синюхин, В.Ф.Гребенюк. - М.: Издательство Машиностроение, 2006 г.- 256 с.

3. Давыдова, И.С. Материаловедение Текст: учебное пособие/ И.С. Давыдова, Е.Л. Максина - Издательство: РИОР, 2006 г., 240 с.

4. Заплатин, В.Н. Основы материаловедения (металлообработка) Текст: учебное пособие для НПО / В.Н. Заплатин, Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов - Издательство: Академия, 2010 г., 256 с.

5. Рогов, В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки Текст: Учебное пособие / В.А. Рогов, Г.Г. Позняк - ОИЦ «Академия», 2008. - 336 с.

6. Стуканов, В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы Текст: Учебное пособие. Лабораторный практикум / В.А. Стуканов - М.: ИД «ФОРУМ» ИНФРА-М, 2006.- 208 с.