Применение материалов из базальтовых пород в автомобильной промышленности

На современном этапе развития автомобильной промышленности востребованы не подверженные коррозии прочные легкие конструкционные и композитные материалы, тепло- и звукоизоляционные материалы, защитные покрытия. В настоящее время в автомобилестроении используют в основном недорогие стеклянные волокна. Углеродные волокна применяют ограниченно там, где это экономически оправдано.

По своим техническим характеристикам и экономическим показателям материалы на основе базальтовых волокон (БВ) являются перспективными для их широкого применения в автомобильной промышленности. В настоящее время уже накоплен опыт применения материалов из базальтовых непрерывных волокон (БНВ) в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей: авиации, судостроении, вагоностроении.

БНВ и материалы БНВ обладают рядом достаточно высоких технических и эксплуатационных характеристик:

1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв, существенно превышающая эти показатели для металла (в 2–2,5 раза) и Е-стекловолокна (1,4–1,5 раза). В таблице 1 представлены данные по удельной прочности базальтовых непрерывных волокон на разрыв [1].

Таблица 1

2. Высокая стойкость к воздействию внешних природных факторов и агрессивных сред. Базальтовые волокна пригодны для конструкций, работающих под воздействием влаги, растворов солей, химических сред, не подвержены коррозии.

3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон (БВ). На основе БВ можно изготавливать негорючие и высокотемпературные материалы. Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон могут применяться при температурах от −200 до +600°С; андезитобазальтовые волокна — до +800°С.

4. Тепло- и звукоизоляционные характеристики. Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1–3 мкм представлены в таблице 2 [1].

Таблица 2

В таблице 3 представлены данные по звукоизоляционным характеристикам материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1–3 мкм [1].

Таблица 3

Тепло- и звукоизоляционные базальтовые материалы длительное время широко применяются в авиации и судостроении.

5. Гигроскопичность БВ в 6–8 раз ниже, чем у стекловолокон [1]. Поэтому только термо- и звукоизоляционные материалы из базальтов традиционно применяются в авиа и судостроении, где очень важна низкая гигроскопичность материалов.

6. Высокая стойкость и долговечность материалов на основе БВ к вибрациям и знакопеременным нагрузкам.

7. Совместимость БНВ с другими материалами: металлами, пластмассами. Это открывает широкую перспективу производства целого спектра новых композитных материалов: металлокомпозитных материалов, сотовых конструкций, армированных волокном пластмасс, защитных покрытий и других.

8. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из БВ: прочностные и весовые показатели, ударная стойкость, стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, красивый внешний вид, ремонтопригодность, долговечность.

9. Возможность производства материалов и изделий с применением различных технологий: формовки, холодной штамповки, напыления, вытяжки и других технологий, не требующих значительных затрат энергоресурсов, так называемых «холодных технологий».

10. Накоплен положительный опыт применения материалов из БНВ в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей: авиации, судостроении, вагоностроении.

Сравнительные характеристики непрерывных волокон, применяемых для производства композитов, представлены в таблице 4.

Таблица 4. ¹ — Образцы БНВ повышенной прочности, произведенные на оборудовании четвертого поколения. ² — При промышленном производстве БНВ на основе новых технологий их себестоимость ниже себестоимости производства стекловолокна.

Для автомобильной промышленности проработаны вопросы применения композитных, армирующих, термо- и звукоизоляционных материалов, материалов специального применения, защитных антикоррозионных покрытий.

Композитные материалы и изделия на основе БНВ

Основой композитов являются армирующие волокна, которые в составе материалов занимают от 70 до 80% объема. Армирующие волокна в виде ровингов, нетканых материалов (матов) из рубленого волокна и тканей в основном определяют прочностные характеристики композитов. Из композитных материалов производятся защитные элементы, детали интерьера и экстерьера автомобиля: бамперы, капот, обтекатели, спойлеры, крышки багажников и другие; для автомобилей с электроприводом — полностью кузов.

Примеры автодеталей из композитов на основе БНВ

БНВ имеет ряд преимуществ перед стекловолокном — низкую гигроскопичность и более высокие характеристики по химической стойкости, прочности на разрыв и ударной прочности. Это важно при изготовлении деталей автомобилей, обеспечивающих безопасность при столкновениях и авариях. Базальтокомпозиты выдерживают многолетнюю эксплуатацию при воздействии природных факторов: влаги, растворов солей, щелочей и кислот.

Формы для вакуумного формования композитных изделий сложной формы

Особую актуальность автомобильные кузова из базальтокомпозитов приобрели для производства электромобилей. Базальтокомпозитные кузова автомобилей более прочные, не подвержены коррозии, не проводят электрический ток, долговечны в эксплуатации, в 2,5–3 раза легче аналогов из металла. Облегченные композитные кузова позволяют устанавливать дополнительные аккумуляторные батареи и увеличить дальность пробега электромобилей.

Полностью базальтокомпозитный кузов автомобиля.(Инженерное бюро EDAG, Германия)

На основе БНВ крупные автомобилестроительные компании Volkswagen и BMW разработали композитные кузова автомобилей.

Производство баллонов высокого давления для сжатого природного газа

Перевод автомобильных двигателей с бензина на природный сжатый газ потребовал создания новых производств баллонов высокого давления на 250 бар (кг/см²). Давление при испытании баллонов 500 бар. По своим характеристикам БНВ (высокой прочности на разрыв и стойкость к знакопеременным нагрузкам) наиболее пригодно для производства автомобильных баллонов для сжатого природного газа.

Композитные баллоны для сжатого природного газа (Компания Реал-Шторм, г. Ижевск)

Базальтокомпозитные баллоны для сжатого природного газа (Производство ЕС, Австрия)

Широкое применение базальтокомпозитных баллонов в автомобильной промышленности позволит применять природный газ вместо бензина, снизить вредные выбросы в атмосферу от работы ДВС.

Материалы на основе базальтовых волокон для термо- и звукоизоляции салона автомобиля, двигателей и глушителей

Материалы из БВ сочетают в себе высокие термо- и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность, стойкость к воздействию вибрации, негорючесть и долговечность. Базальтовые волокнистые материалы также соответствуют требованиям применения негорючих материалов для автомобилей.

Прошивной мат из базальтового супертонкого волокна

Иглопробивной холст из рубленого БНВ

Иглопробивные холсты из рубленого БНВ с 2000 года применяются для термо- и звукоизоляции горячей части глушителей автомобилей «TOYOTA». Необходимость использования термостойких БНВ в глушителях связана с применением двигателей новых модификаций, с высокой температурой отходящих газов. В глушителях проявляются другие положительные качества БВ: вибростойкость, термостойкость при частых теплосменах, что позволяет производить глушители высокого качества с длительными сроками эксплуатации.

Рубленые базальтовые волокна для тормозных колодок и дисков сцепления

Рубленые базальтовые волокна

Тормозные колодки, армированные рублеными базальтовыми волокнами

Диски сцепления, армированные рублеными базальтовыми волокнами

Рубленные базальтовые волокна являются лучшим материалом для армирования тормозных и фрикционных накладок, имеют хороший фрикционный контакт с металлом.

Материалы из БВ для изготовления уплотняющих термостойких прокладок двигателя и глушителей

Прокладки для автомобильного двигателя на основе базальтовых волокон

Базальтовые волокна являются заменителями канцерогенных материалов из асбестовых волокон, из которых изготавливали термостойкие прокладки для автомобилей.

Корд для автомобильных покрышек

Автопокрышки с кордом из БНВ

Базальтовые ровинги, крученые нити, ленты являются отличными материалами для корда автомобильных покрышек, так как обладают высокой прочностью на разрыв, не вытягиваются под действием нагрузок, выдерживают долговременные знакопеременные нагрузки.

Антикоррозионные покрытия на основе базальтовой чешуи

Перспективно применение базальтовой чешуи для антикоррозионных и защитных покрытий днищ автомобилей.

Базальтовый чешуйчатый материал представляет собой элементарные чешуйки толщиной до 3 микрон и площадью 1–3 мм².

Базальтовая чешуя в составе лакокрасочных покрытий (ЛКП) обеспечивает их армирование, существенное (в разы) повышение прочности и химической стойкости.

Уже накоплен многолетний опыт применения лакокрасочных покрытий, армированных базальтовой чешуей, в судостроении для покраски подводной и надводной частей судов и в химической промышленности. При этом базальтовая чешуя обеспечивает высокие механические характеристики покрытий: прочность и износостойкость, а также надежную защиту металла от воздействия солей, кислот, щелочей и других агрессивных сред.

Заключение

К настоящему времени накоплен опыт применения материалов из базальтовых непрерывных волокон в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей — авиации, судостроении, вагоностроении, химической промышленности. Возможности широкого применения БНВ в автомобилестроении в последние годы существенно расширились, что связано с рядом факторов:

• БНВ и материалы из БНВ обладают рядом достаточно высоких эксплуатационных характеристик;
  
• технологические разработки последних лет позволили обеспечить себестоимость производства БНВ ниже себестоимости производства стекловолокна [2];
  
• созданы крупные заводы — производители БНВ. При этом объемы промышленного производства БНВ увеличиваются с каждым годом по законам
  
• арифметической прогрессии;
  
• БНВ имеют наилучшее соотношение показателя «цена и качество»
  
• по сравнению с другими типами непрерывных волокон (таблица 4).
  

Список литературы

1. Волокнистые материалы из базальтов Украины: сб. статей. — Киев: Техника, 1971. — 88 с.
   
2. Оснос М.С., Оснос С.П. Базальтовые непрерывные волокна — основа создания промышленных производств и широкого применения армирующих и композитных материалов // Композитный мир. — 2019. — №1 (82). — С. 58–65.
   

Статья была опубликована в журнале "Композитный мир", номер 1 (88) 2020