Почему за авто из композитных материалов – будущее

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.

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.

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.

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.

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.