Будущее автомобилестроения немыслимо без полимерных композитов
В конструкции гоночных машин полимерные композиционные материалы, армированные углеродным волокном, используются уже давно. Похоже, вскоре они найдут применение и в серийном производстве обычных автомобилей.
Тем, что пилоты, участвующие в гонках «Формулы-1», умудряются на своих болидах развивать скорость, превышающую 300, а порой и 350 километров в час, они обязаны не только высокоэффективным двигателям и отличной аэродинамике машин, но и их малой массе. Согласно техническому регламенту, конструкционная основа болида «Формулы-1» – углепластиковый монокок. Монокок – это бескаркасный несущий кузов, а углепластик – это композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы и углеродного волокна в качестве упрочняющего наполнителя. Такие композиты прочнее и легче, например, стали, поэтому болиды «Формулы-1» весят менее 600 килограммов.
И тут, естественно, встает вопрос: а почему углепластик почти не используется при производстве обычных серийных автомобилей? Ведь снижение массы означает экономию горючего, будь то бензин, дизельное топливо или природный газ, а в случае электромобиля – увеличение пробега без подзарядки аккумулятора. Так вот, похоже, что эра углепластика в автомобилестроении начнется уже в самом ближайшем будущем.
Цена – не главный недостаток
Правда, пока такие композиты еще слишком дороги для применения в автомобилях повседневного пользования, однако инженеры и технологи лихорадочно работают над созданием более дешевых и доступных разновидностей этих высокотехнологичных композиционных материалов. К тому же переход от уникальных спорткаров, собираемых по индивидуальным разовым заказам, к массовым моделям дорожных автомобилей, производимым серийно, неминуемо приведет к значительному падению цен на углепластики.
Правда, у композитов, армированных углеродным волокном, есть, помимо цены, и еще одна характеристика, от которой зависит их пригодность к применению в массовом производстве автомобилей. Речь идет о том, как поведут себя эти материалы при столкновении автомобиля с препятствием. Ведь если кузовные элементы изготовлены из стального листа, то в таком кузове имеются участки, именуемые зонами контролируемой деформации. Сминаясь при аварии, они весьма эффективно поглощают значительную часть энергии удара и тем самым предохраняют пассажиров от тяжелых травм или даже спасают им жизнь. Проблема в том, что композиционные материалы – гораздо менее пластичные и более хрупкие, чем сталь, а потому опасения, что при аварии они не смогут в должной мере погасить силу удара, не лишены оснований.
Грузы с парашютной вышки
Это и побудило инженеров Научно-исследовательского автомобильного института при Рейнско-Вестфальской высшей технической школе в Ахене провести серию экспериментов. Руководитель проекта Ральф Матайс (Ralf Matheis) поясняет: «Чтобы проверить, как элементы кузова из композита поглощают энергию, мы провели их испытания, сбрасывая на них с парашютной вышки грузы нормированной массы и формы».
А то, во что превратились кузовные элементы из углепластика после таких краш-тестов, Ральф Матайс и его коллеги тщательнейшим образом изучили. И остались довольны: «Мы пришли к заключению, что такие структуры очень неплохо поглощают энергию, – говорит инженер. – Причем тут нужно отметить сразу два положительных фактора: во-первых, это поглощение происходит равномерно, а во-вторых, на высоком для столь низкой массы уровне». Правда, под воздействием сильного удара углепластик не деформируется, как сталь, а дробится. Но изделие не разлетается на куски. Изменения претерпевает лишь его внутренняя структура: она перестает быть монолитной, связи между наполнителем и матрицей разрушаются, полимер и нити углеродных волокон расслаиваются.
Дело – за «настоящими» краш-тестами
Поскольку процессы разрушения внутренней структуры композита требуют довольно много энергии, изделие вполне может служить такой же зоной контролируемой деформации, какой сегодня являются стальные элементы кузова. Углепластик годится даже для изготовления трубчатых кронштейнов крепления бампера, которые должны обладать чрезвычайно высокой способностью гасить удар.
Результаты экспериментов, выполненных ахенскими инженерами, призваны прежде всего усовершенствовать компьютерные модели, которыми сегодня пользуются при проектировании автомобилей, сделать их пригодными для расчета пассивной безопасности машин с кузовами из углепластика. Однако ясно, что такие испытания отдельных кузовных элементов не могут заменить настоящих краш-тестов, в ходе которых целый автомобиль с манекенами в салоне разгоняется и направляется на бетонный блок. Это очень суровое испытание, но без него ни о каком кузове из полимерного композита не может быть и речи. Впрочем, по мнению Ральфа Матайса, ждать появления первого серийного автомобиля с кузовом из углепластика осталось недолго: «Компания BMW планирует выпуск небольшого автомобиля, весь кузов которого будет изготовлен из полимера, армированного углеродным волокном. Модель именуется i3, это электромобиль. Он должен появиться на рынке уже в 2013 году».
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта Deutsche Welle.