Полимерные композиционные материалы и технологии в автомобилестроении (обзор)

Введение

Технические решения для сложных технических систем и конструкций изделий современного транспортного машиностроения являются ноу-хау компаний-производителей, для реализации которых может быть использован широкий спектр современных металлических и неметаллических материалов, выбираемых с учетом требуемых характеристик [1–8].

В автомобильной промышленности, особенно в спортивной индустрии, совместно с обеспечением необходимых прочностных и ресурсных показателей применяемых материалов актуальной является задача реализации весовой эффективности, что позволит обеспечить экономное расходование горючего и снижение негативного воздействия на окружающую среду, а в случае электромобилей – повышение запаса хода. В этой связи широкое распространение получило применение полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Ранее в работах [9, 10] был представлен аналитический обзор в области композиционных материалов в автомобильной промышленности, а также рассмотрены некоторые применяемые технологические процессы.

В данной статье эта тематика находит продолжение – представлен обзор российской и зарубежной научно-технической литературы, патентов на изобретения в области свойств, истории и современного состояния применения ПКМ и технологий их переработки для автомобильной отрасли.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Полимерные композиционные материалы в автомобилестроении

Согласно экспертной оценке, в 2021 г. объем мирового рынка ПКМ достигнет ~13 млн т, что в стоимостном выражении составит ~105 млрд долл., а к 2023 г. достигнет ~14 млн т, что в стоимостном выражении составит ~120 млрд долл. [11]. В структуре мирового рынка доля ПКМ в количестве ~(28–30) % приходится на транспортное машиностроение [11], в том числе перспективным является применение таких материалов в автомобилестроении.

Наиболее перспективными ПКМ применительно к конструкции автомобиля являются углепластики. По прогнозам, к 2022 г. годовая выручка от реализации углеродных композитов в мире достигнет 4,9 млрд долл. (4,21 млрд евро), что соответствует 20000 т углеродного волокна. В таблице сегментов рынка потребления углепластиковых материалов автомобильная промышленность выйдет на второе место, опередив ветряные турбины [12]. К 2023 г. потребление углеродных ПКМ в мире ожидается на уровне 197 тыс. т [13].

Одной из движущих сил развития мирового рынка является кооперация производителей исходных компонентов (композиционных материалов) с автопроизводителями – компаниями BASF и SGL Carbon, Toray и Nissan, Honda, GM и Teijin, JRL и Cytec, Ford и Dow Automotive, BMW и SGL Carbon, Daimler и Toray, SGL Group и Benteler Automotive и др. [12, 14].

История вопроса

Начало применения ПКМ в автомобильном секторе относится к 1940-м гг., когда был изготовлен прототип композитного автомобиля с корпусом из стекловолокна и с пневматической подвеской [12].

В 1950-х гг. в Англии несущую систему из стеклопластика использовали в конструкции компактных автомобилей (например, в автомобиле Rochdale Olympic со снаряженной массой 650 кг, в Lotus Elite со снаряженной массой 504 кг и в Mini Marcos со снаряженной массой 476 кг), имеющих, как правило, передний привод и двухместный кузов типа купе. Несущую систему каркасно-панельного типа с панелями из стеклопластика также использовали в конструкции автомобилей Chevrolet Corvette и Pontiac Firebird 1953 и 1967 гг. выпуска соответственно. В качестве примера может служить создание в тот же период отечественного экспериментального автомобиля, созданного специалистами лаборатории «Колесные машины» Московского высшего технического училища им. Н.Э. Баумана. Полученный при изготовлении этого автомобиля опыт был в последующем применен в автомобилях ЗИЛ-135Л. В настоящее время стеклопластик в автомобилестроении находит широкое применение при создании элементов обшивки легковых автомобилей, а также в производстве несущих систем автобусов, кабин грузовых автомобилей и автомобилей-амфибий [15]. Мировые поставщики стеклопластика для автомобильного рынка – компании Owens Corning, Millfield Group, Vetrotex, Lanxess и Ahlstrom [12].

Начиная с 1970-х гг. происходит широкое внедрение углеродных волокон в качестве наполнителя для производства ПКМ, в том числе и для создания изделий автомобильной промышленности. Например, в 1978 г. на гоночном автомобиле McLaren МР4 британской фирмы применена несущая система из углепластика, что позволило повысить жесткость корпуса [15].

В 1992 г. из углепластика изготовлена несущая система автомобиля McLaren F1 – первой серийной модели спортивного автомобиля в мире. В 1995 г. углепластик использован в конструкции автомобиля Ferrari F50 с несущим корпусом в виде трехслойных панелей со средним слоем из арамидных сот [15].

Дальнейшее применение углепластиков в конструкции автомобилей только увеличивалось, о чем свидетельствует динамика выпуска автомобилей с несущей системой из ПКМ (рис. 1).

Рис. 1. Динамика выпуска автомобилей с несущей системой из полимерных композиционных материалов [15]

В настоящее время ПКМ являются неотъемлемой частью как спортивных автомобилей, так и массового сегмента автомобилестроения, включая электромобили. Так, благодаря применению ПКМ произошло снижение массы электромобиля BMW i3 (рис. 2) на 300 кг; снаряженная масса автомобиля составила 1195 кг. Несущая система из углепластика стала легче аналогичных систем – алюминиевой и стальной – на 30 и 50 % соответственно [15]. Масса алюминиевого и стального капотов автомобиля серийного производства составляет приблизительно 12 и 20 кг соответственно, углепластикового капота при обеспечении заданной жесткости и прочности конструкции – 8 кг [16]. При изготовлении капотов, дверей, крыш и деталей пола из ПКМ может быть обеспечено снижение массы изделия на 28–47 % [17, 18].

Рис. 2. Элементы автомобилей, изготовленные из углепластика [15, 20, 21]

В то же время полностью отказаться от использования металлических элементов несущей системы автомобиля не представляется возможным. Поэтому зачастую сочетают применение ПКМ и металлических материалов в конструкции. Так, совместное использование углепластика и алюминия в конструкции корпуса автомобиля Mercedes-Benz G 63 AMG позволило снизить массу изделия на 200 кг; масса автомобиля составила 2350 кг [19].

Существенное уменьшение массы автомобиля, обеспечиваемое применением ПКМ, приводит к значительной экономии горючего и, соответственно, снижению объема вредных выхлопов. Так, согласно расчетным данным, при уменьшении массы автомобиля на 7 кг повышение его экономичности может достигать 0,0042 км/л [22]. Устойчивость элементов из углепластика на высоких скоростях и способность поглощать энергию удара позволяют обеспечить необходимый уровень безопасности [23].

За рубежом одну из лидирующих позиций в производстве материалов для автомобильного сектора занимает компания Toray [13]. Карданные валы, изготовленные компанией Toray уже используются приблизительно в 1 млн автомобилей. Среди автомобильных применений – также шины с боковинами из углеродного волокна для улучшения устойчивости на поворотах, уже доступные для обычных легковых автомобилей [23].

Компанией Porsche разработаны колесные диски, полностью выполненные из углепластика на основе плетеного наполнителя (рис. 2 и 3). Масса одного полученного диска на 2,1 кг меньше стандартных легкосплавных колес при одновременном повышении прочности на 20 % [20, 21].

Рис. 3. Плетение углеволоконной основы колесного диска и его испытания [20, 21]

Вопросом повышения удельной мощности автомобиля за счет применения ПКМ занимаются также разработчики компании Automobili Lamborghini, при этом больше внимания уделяется ударопрочности и методам ремонта композиционных материалов. В автомобиле Aventador монокок спроектирован как цельная углеволоконная конструкция. В суперкаре Lamborghini Sesto Elemento («Шестой элемент») из углепластика изготовлены несущий кузов, передняя часть, наружные панели кузова, амортизаторы, основные компоненты подвески, колесные диски и вал коробки передач, благодаря чему автомобиль обладает высокими характеристиками разгона, управляемости и меньшим тормозным путем [24]. Благодаря сотрудничеству компаний Lamborghini и Boeing в автомобильной отрасли появляются авиакосмические технологии [24].

В автомобилях будущего салон будет представлять собой многофункциональное рабочее пространство с применением более тонких, легких, жестких и прочных материалов. Примером оснащения интерьера является столик модульной конструкции из термопластичных углепластиков – столик имеет массу 690 г и выдерживает нагрузку до 50 кг [25]; при этом к числу преимуществ применения термопластичных композитов относится возможность вторичной переработки [23]. Пример технического решения по использованию отходов углепластика после вторичной переработки при изготовлении автомобильного спойлера представлен в изобретении [26]. Процесс состоит из нагрева углепластикового сырья (отходов), смешанных с АБС-пластиком, поликарбонатом, полиглицидилметакрилатом, порошком слюды и изопреновым каучуком, и экструдирования полученной смеси из двухшнековой машины.

Технологии переработки ПКМ в автомобилестроении

На начальном этапе применения ПКМ в автомобилестроении производство было малотоннажным, неавтоматизированным, использовался, как правило, ручной труд, изготовление несущей системы занимало до 3000 ч. Несущие системы современных автомобилей, например BMW i3, могут быть произведены за 4 ч [15].

При изготовлении эксклюзивных и дорогостоящих спортивных автомобилей может быть использован трудоемкий процесс отверждения пакета препрега углепластика в автоклаве при температуре до 100 °С и давлении 8 ат (0,8 МПа) [15]. На серийное производство дисков автомобилей из препрегов ориентированы компании Ford и BAC [21].

При изготовлении автомобилей массового сегмента, включая BMW i3, применяется RTM-технология при нагреве оснастки до температуры 100 °С [15].

Высокая стоимость производства деталей из ПКМ в настоящее время продолжает оставаться ограничивающим фактором их применения в автомобилестроении. Перспективными решениями являются автоматизация производства, а также применение новых технологий и материалов [27]. Так, возможна реализация автоматизированной технологии изготовления деталей из углепластиков для серийного производства, например листовых капотов двигателей автомобилей, за 15 мин [28]. Однако использование ПКМ для изготовления внешних обшивок транспортных средств должно производиться с учетом упруго-прочностных характеристик конструкции. Так, при описании способа реализации автоматизированного производства крыши автомобиля в патенте [29] предложено в качестве основных считать характеристики при изгибе и применительно к конструкции производить расчет с использованием метода конечных элементов. Выполнять математические расчеты при проектировании углепластиковых элементов конструкций автомобиля целесообразно при помощи метода компьютерного моделирования, как это показано в изобретении [30].

В патенте [31] описан процесс формования пола автомобиля в автоклаве, включающий отверждение при температуре 120 °С в течение 30 мин. Технология, используемая компаниями Volkswagen, Renault и Volvo, позволяет производить до 50 ед. панелей пола из углепластика в день [32].

Применение высокоскоростного впрыскивания и сверхвысокоскоростных технологий термоотверждения значительно сокращает время, необходимое для производства комплектующих из углепластика [16]. Например, продолжительность отверждения препрега Hexcel HexPly^® M77, используемого в автомобилях BMW 7 серии, составляет <2 мин (при температуре 150 °С), что позволяет изготавливать до 500 деталей в день [33].

В научно-технической литературе в области материалов и технологий для автомобилестроения наиболее часто встречается описание применения эпоксидных связующих [34], но также рассматриваются связующие других классов, например бензоксазиновые [35]. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ имеется опыт разработки быстроотверждаемых связующих для препреговой технологии формования ПКМ на основе фенолформальдегидных смол – например, фенолформальдегидное связующее ВСФ-16М, которое является модификацией связующего РС-Н. Оптимальный режим отверждения разработанного фенолформальдегидного связующего: выдержка в течение 20 мин при температуре 140 °C [36].

Патенты на изобретения в области автомобилестроения касаются как непосредственно материалов и технологий их переработки, так и технологий механической обработки деталей автомобилей из углеродных композиционных материалов. Например, в патенте [37] представлена технология обработки для крышки-кожуха двигателя переменной толщины.

В изобретении [38] показан способ изготовления конструкции автомобильного топливного бака с применением армирования стекловолоконной ровницей. Данное изобретение предполагает укрепление металлического корпуса топливного бака стеклянными волокнами, при этом сам металлический корпус используется в качестве оснастки для изготовления конструкций и служит прежде всего для герметизации топливного бака. Подобные системы перспективны также и для хранения сжиженного газообразного топлива, в том числе водородного, с целью замены применяемых в настоящее время цельнометаллических резервуаров на резервуары из ПКМ.

Изобретение, представленное в патенте [39], относится к способу защиты внутреннего пространства пассажирского салона от резервуара с водородом. Основной корпус изготовлен из волокнистого композиционного материала с покрытием, содержащим пигменты Cu и/или Al и препятствующим проникновению водорода, и выполнен в виде стенки или части стенки пассажирского салона. Изобретение может быть использовано для транспортных средств, применяющих альтернативные источники энергии.

Примером изобретения в области материалов для конструкций электромобилей является патент [40], посвященный высокопрочному легкому корпусу автомобильного аккумулятора и процессу его производства. Для создания корпуса используется сочетание металлического и углекомпозитного материалов, что позволяет создать легкую конструкцию. Сквозное отверстие, расположенное в корпусе углепластикового сердечника, может применяться в качестве отверстия для сброса давления, а при слишком высоких температуре или внутреннем давлении аккумуляторной батареи ‒ для снижения риска взрыва в результате расплавления алюминия. Изобретение, представленное в патенте [41], направлено на создание нижней защитной пластины днища аккумуляторной батареи из углеродного ПКМ, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к эксплуатационным характеристикам, и обеспечивающей весовую эффективность.

Следует также отметить, что патенты на изобретения на создание автомобилей с применением ПКМ подаются как крупными компаниями-производителями, так и индивидуальными изобретателями. Например, в изобретении [42] представлено техническое решение по созданию автомобиля, копирующего спорткар Lotus Seven. Основой разработки стала сварная трубчатая рама с наружными панелями из углепластика, а силовой установкой послужил 1,7-литровый бензиновый двигатель с пятиступенчатой механической коробкой передач от вазовской «Нивы».

Для обеспечения требуемого уровня свойств (необходимых прочности и жесткости) находит распространение изготовление элементов конструкции в виде трехслойных панелей, внешние из которых работают преимущественно на растяжение и сжатие [15].

В работе [43] показано, что при использовании для облегченных опорных узлов и систем автомобилей ПКМ на основе различных армирующих наполнителей (например, на основе угле- и стекловолокна) максимальную прочность при сжатии отмечают при чередовании слоев, а максимальную прочность при изгибе – при содержании углеволокна в количестве 50 % (по массе) и при его расположении во внешних слоях.

Современные технологии восстановления элементов конструкций позволяют уменьшить износ, а также повысить послеремонтный технический ресурс деталей. В рамках работ по оценке методов восстановления изношенных корпусных деталей автомобилей за счет применения полимерных покрытий в статье [44] представлены данные по исследованию терморадиационного нагрева корпусных деталей агрегатов трансмиссий автомобилей с применением математического моделирования. Показано, что в результате подобной обработки может быть уменьшена площадь разрушенного покрытия [45]. Исследования [44, 45] проведены для металлических материалов, однако представляет интерес выполнение подобных исследований и для конструкций из ПКМ.

Согласно данным, указанным в «Стратегии развития автомобильной промышленности Российской Федерации на период до 2025 года» [46], импортозависимость в производстве легковых автомобилей в России оценивается на уровне ˃60 %, в сегменте грузовых автомобилей – на уровне ˃25 %, а в области автокомпонентов – на уровне 26 %, в связи с чем необходимо целевое развитие исследований и разработок для автомобильной промышленности, включая конструкторско-технологические компетенции по разработке продуктов и компонентов, а также достижение конкурентоспособности результатов интеллектуальной деятельности. В области материаловедения следует расширить применение новых конструкционных и эксплуатационных материалов, включая ПКМ, для снижения массы транспортных средств [46]. Возможно также и использование ПКМ, разработанных для иных отраслей промышленности, в частности для авиации.

Материалы и технологии, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [47–50] в интересах авиационно-космической отрасли, позволяют создавать конструкции, обладающие требуемым уровнем эксплуатационных характеристик и отвечающие требованиям по пожаробезопасности, являются перспективными для применения и в автомобильном секторе – например, разработанные в институте обрезиненные натяжные подвесные изоляторы из стеклопластика для контактных сетей троллейбусов и трамваев [51, 52].

Важным элементом автомобильной инфраструктуры, непосредственно влияющим на износ и сохранение целостности конструкции автомобиля, являются в том числе автомобильные дороги. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана технология получения ПКМ и несущих строительных конструкций из них на основе углеродных (углепластик ВКУ-51) и стеклянных (стеклопластик ВПС-58) армирующих волокнистых наполнителей для применения при строительстве быстровозводимых арочных мостов. Такие материалы нашли практическую реализацию при возведении автомобильного моста в Ульяновской области [53, 54].

С целью снижения рисков возникновения негативных последствий, связанных с санкционными ограничениями на импорт на территорию РФ сырьевых компонентов для производства ПКМ, в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ налажено собственное производство полимерных связующих и углеродных армирующих наполнителей, клеев и лакокрасочных покрытий, а также имеется комплекс технологического оборудования для получения и переработки ПКМ.

Заключения

Вопрос снижения массы изделия и обеспечения его эксплуатационной надежности в настоящее время является актуальным для автомобилей, работающих на всех видах энергоносителей, как эксклюзивного, так и массового сегмента.

Наиболее широкое применение в автомобилестроении из числа ПКМ нашли угле- и стеклопластики; используются как автоклавная, так и безавтоклавные технологии переработки в изделия, различные текстильные формы армирующих наполнителей.

Благодаря применению ПКМ масса отдельных деталей автомобиля может быть уменьшена на 80 %, что в целом позволяет на 8 % повысить топливную эффективность, снизить на 0,3–0,6 л расход топлива на 100 км пути при уменьшении массы на каждые 100 кг, сократить время разгона и тормозной путь, понизить уровни шума и вибрации, а также повысить управляемость автомобилем [55].