Пастор секты свидетелей Xiaomi, любитель металла, футбола, рыбалки, истории. Почти инженер и историк по образованию, шут по призванию, чудак по жизни

Почему за авто из композитных материалов – будущее

Почему за авто из композитных материалов – будущее
© Auto Vercity

Компания BMW уже несколько лет производит компактный электромобиль i3, ставший первым массовым серийным авто, кузов которого сделан из композита. Пока что углепластиковый автомобиль – недешевое удовольствие, но в будущем именно композиты имеют все шансы стать главным материалом в автомобильной промышленности.

Низкая плотность

Одним из главных козырей композитных материалов является их низкая плотность. Кубический сантиметр углепластика или стеклопластика весит до 2 грамм. Это примерно в 4 раза меньше, чем у стали, в 2,5 раза – титана, и на 35% - алюминия. При равной толщине стенок, деталь из композитного материала будет намного легче металлической.

Кузов BMW i3 можно поднять голыми руками © Fadhillahxnd
Кузов BMW i3 можно поднять голыми руками © Fadhillahxnd

Снижение веса конструкций особо актуально для покоряющих рынок электромобилей. Чем больше лишней массы смогут убрать конструкторы – тем больше груз батарей можно разместить на борту. Даже экономия 100 кг веса уже сейчас позволяет добавить 25 кВтч полезной емкости аккумулятора, обеспечивающих примерно +100 км пробега.

Высокая устойчивость к нагрузкам

Обладая малой массой, композитные материалы, при этом, отличаются высокой прочностью. Их удельная прочность превышает таковую у стали и алюминия. Благодаря этому автомобиль, сделанный из композитов, получится значительно легче стального, при схожем уровне надежности.

Тест карбоновой ткани на растяжение (1 Н = 0,102 кгс)

Детали, не имеющие несущих или защитных функций, такие как крылья, капот, бамперы, плоскость крыши уже сейчас можно смело делать из композитов. С элементами, теоретически подверженными ударным нагрузкам, есть определенные нюансы, но они не выглядят неразрешимой проблемой и в будущем устранимы.

Гибкость подхода к конструированию

Современные технологии уже позволяют наладить серийный выпуск деталей сложной формы из композиционных материалов. При этом, свойства используемого материала (углепластик, стеклопластик, иные композиты) можно задавать, отталкиваясь от требований к производимому изделию. Конечно, многие металлы позволяют то же самое, но с композитами пространства для маневра больше.

Параллельно используя композиты разного рода и металлы, инженеры могут экономить в одном месте, но без ущерба другому. Облегчив неответственный узел путем его изготовления из недорогого материала, можно усилить другой, сохранив при этом баланс между весом конструкции и ее надежностью.

Композит с металлическим наполнением © PEGE.org
Композит с металлическим наполнением © PEGE.org

Так как композит – это не обязательно стеклоткань или ткань из углеволокна, покрытая пластиком, инженерам есть где развернуться. Никто не запрещает производить металлосодержащие композитные материалы, сочетающие нужные свойства и металлов, и полимеров. Используя компьютерное моделирование при создании несущих узлов, можно сохранить практическую прочность детали, аналогичную металлической, но сделать ее легче.

Электронейтральность

Хоть и небольшим, но преимуществом для электромобилей является электрическая нейтральность множества композитов. Отсек для аккумуляторов, выполненный из полимерного материала, не требует дополнительной изоляции с целью предотвращения замыканий. Это также способствует снижению массы ответственных элементов в угоду повышению емкости аккумуляторов.

Коррозионная стойкость

Детали из композитов не ржавеют под воздействием воды и кислорода. Современные полимеры, используемые при их создании, обладают высокой устойчивостью к химическим и физическим воздействиям. А что может быть лучше, чем кузов, который не пойдет «рыжиками» и не начнет гнить за 5 или 10 лет эксплуатации в суровых условиях.

Карбоновый кузов Lamborghini © WhichCar
Карбоновый кузов Lamborghini © WhichCar

Недостатки композитных материалов

Помимо преимуществ, имеются у композитов и минусы. Применение таких материалов в автопроме ограничивают, главным образом, два фактора. Во-первых, многие армированные полимеры боятся ударных нагрузок. Карбоновая труба, выдерживающая огромные усилия на сжатие или растяжение, может треснуть от удара обычным молотком. Второй недостаток – дороговизна, детали из стали и алюминия пока что обходятся существенно дешевле.

Вопрос цены является временной проблемой, так как он характерен для многих новых и развивающихся технологий. Когда-то и алюминий был, в прямом смысле, на вес золота, а сейчас это один из самых доступных металлов. Со временем, по мере развития технологий, стоимость производства высококачественных деталей из композитов неминуемо снизится, сделав их конкурентоспособными.

Устойчивость к ударным нагрузкам – главная проблема для авто из композитов, так как от нее сильно зависит и надежность, и безопасность. Никому не нужна машина, кузов которой пойдет трещинами при въезде в выбоину, а в серьезном ДТП расколется на части. Именно это и сдерживает выпуск карбоновых авто.


Но не все композиты одинаковы, и если использовать для каждого узла самый подходящий вариант, прибегать к модульным решениям (чтобы при разрушении одной части другая уцелела) – значимость проблемы существенно снизится. Ведь если большинство металлических авто, при лобовом столкновении, требует очень трудоемкого восстановления (не всегда возможного и целесообразного), то с композитами можно сделать, чтобы передок ломался, поглощая энергию удара, но «капсула» салона оставалась целой. Учитывая, что современные машины не очень-то хорошо поддаются ремонту после больших ДТП, разница в ремонтопригодности может оказаться в пользу модульного композитного автомобиля.

Локальное усиление тоже позволяет бороться с негативными свойствами композитов. Как уже упоминалось, переход на них вовсе не означает отказ от металлов. Напротив, у инженеров появляется больше возможностей для комбинирования материалов. Так что даже тот факт, что элементы «внешки» из легких и дешевых материалов останутся хрупкими (бамперы или крылья уже сейчас мнутся и трескаются только так), не означает, что то же самое будет и с кузовом.

Бесспорно, в ближайшие десятилетие-два нас ждет преобладание металлических авто над композитными. Но так как старт процессу уже дан, освоение новых композиционных материалов ведется все активнее, а технологии движутся вперед – в будущем инновационные подходы к конструированию гарантируют транспорту в неметаллических кузовах много места под солнцем.