Карбон и его применение в автомобилестроении и автоспорте

Развитие автомобильной промышленности и автомобилестроения является следствием реагирования предприятий на объективные вызовы современности и новые потребности населения, с учетом экономических возможностей, перспектив и текущих рыночных условий. Применение карбона в автомобилестроении становится все более объективным трендом современности, вызванным уникальностью данного материала, высоким уровнем экологичности и стремлениями производящих компаний воссоздавать наиболее эффективные транспортные средства под определенные нужды. Так, одним из перспективных с точки зрения производства новых моделей автомобилей направлений становится организация производственной деятельности и предложение новых конструкторских решений под потребность автогонщиков, в целях апробации новых комбинаций материалов и конструкционных конфигураций в экстремальных условиях.

Актуальность темы исследования места и роли карбона в автомобильной промышленности определена тем, что сегодня производители накладывают на карбон метку будущего, как высокопрочного, легкого и эффективного материала, применение которого уже находит значительный отклик со стороны производителей. В связи с этим высокое ролевое значение приобретают исследования, нацеленные на исследование карбона и перспектив его применения в автомобилестроении, и, в частности, при изготовлении автомобилей под нужды применения в автоспорте.

Цель исследования – описать особенности применения и роль карбона в автомобильной промышленности.

Карбон является углеродным композитом, применение которого сегодня все чаще находит свой отклик в современных автомобилях ввиду высоких значений ударопрочности, растяжимости, термостойкости и многих других. Разработка углеродных композитов, в том числе и карбона, во многом сопряжена с использованием специальных углеродов, которые при нагреве приобретают необходимые свойства.

Специфические особенности углеродного композита (рис. 1) определены его специализированной структурой, представленной в виде матрицы, в которой путем армирования углеродными или графитовыми волокнами формируется структура материала. Причем углеродный композит может быть как простым однонаправленным, так и иметь сложную структуру.

Рис. 1. Углеродный композит

Заметим, что углеродное волокно – очень прочный материал с небольшим весом, обладающий высокой прочностью. Как отмечает Patil S., прочность карбона примерно в пять раз выше стали [6]. Углеродные композиты образуются путем взаимодействия смолы и пластика, армированного углеродным волокном, который обладает высокой прочностью относительно общей массы. В числе главных качеств карбона можно выделить: высокую жесткость, прочность при растяжении, легкость, неподверженность агрессивным химическим воздействиям, устойчивость при высоких температурах, низкое тепловое расширение.

Тем не менее, несмотря многие достоинства, карбон обладает также и определенными недостатками – часто ломается или рассыпается при сжатии сверх предела его прочности или в результате сильного удара. Композиты, как правило, экологически чистые; таким образом, они не наносят серьезного ущерба окружающей среде. На данный факт также указывает Н.В. Серов, считающий, что карбон позволит автомобильной промышленности идти в ногу с трендом на контроль за выбросами [4]. Вес материала из углеродного волокна эквивалентен весу пластика и обладает большим количеством свойств, чем обычные металлические материалы. Это делает карбон наиболее востребованным в процессе производства аэрокосмической техники, морской техники, а также в таких сферах, как гражданское строительство, автомобилестроение.

Наглядным примером применения карбона можно назвать снижение массы автомобилей, как главное условие при работе с тяжеловесным транспортом, или теми видами транспорта, которые должны обладать повышенной легкостью, например гоночные автомобили. А.В. Мурашков и А.В. Попов в своем исследовании прямо указывают на факт того, что использование карбона и подобных ему композитных материалов способно значительно сократить массу кузова транспортных средств, определяя рост плавности хода; при этом авторы указывают на ключевой недостаток материала – его хрупкость. В связи с этим карбон не может применяться в критических компонентах автомобиля [1]. О.М. Разина считает, что главный и первичный недостаток карбона – это его стоимость, значительно по уровню превосходящая металлы, а также материалы из стекловолокна. Подобное обстоятельство определяет снижение скорости распространения и популяризации углеродных материалов, что требует развития инноваций в сфере производства при сохранении установленной планки качества [2].

Углеродное волокно и композиты, пластмассы, армированные углеродным волокном, открывают перед автомобильными компаниями всесторонние возможности для адаптации структурной инженерии к тренду устойчивого развития и формированию наряду с этим доступности. Сталь и другие металлы широко используются в автомобильной промышленности. Тем не менее металлы и сплавы по-прежнему имеют решающее значение для автомобильного дизайна и каркаса автомобиля. На рисунке 2 представлены варианты исполнения отдельных частей автомобиля с применением карбона:

Рис. 2. Применение карбона в автомобилестроении

Рисунок 2 демонстрирует, как карбон может использоваться в различных элементах автомобиля: от двигателя и коробки передач, до шасси автомобиля. Более того, карбон также применяется в целях декорирования, снижения веса кузова, в дверях автомобиля и т.д. В целом применение карбона в зависимости от конфигурации автомобиля позволяет снизить вес на 25-60% при сравнении с металлическим исполнением. Разработка карбона и его внедрение в автомобили способствуют повышению ударопрочности автомобилей и способствует защите внутренних компонентов, более дорогостоящих относительно кузова и других частей. Например, в случае использования углеродных композитов для капотов автомобилей удается повысить ударопрочность при лобовом столкновении, что способно защитить внутренние компоненты: двигатель, аккумулятор, компьютерные системы и др., за счет принятия удара на карбоновую часть автомобиля.

Общая структура производства карбона имеет ряд включающих в себя этапов (рисунок 3):

Рис. 3. Этапы производства карбона

Обращаясь к рис. 3, заметим, что после производства углеродной ткани из нее формируется углеродное волокно и карбон. При производстве наблюдаются значительные затраты энергии для нагрева и поддержания температуры.

Учитывая высокие перспективы использования карбона в автомобилестроении, в том числе при производстве спортивных автомобилей, наблюдается значительный тренд роста рынка углеродного волокна. По данным mordorintelligence рынок углеродного волокна в 2021 г. составил 2,6 млрд. долл. США; на перспективу до 2027 года прогнозируется непрерывный рост рынка с ежегодным среднегодовым темпом в 6% [3]. Именно производители становятся ключевыми игроками, обуславливающими развития карбоновой промышленности, поскольку способствуют повышению внутриотраслевых стандартов, определяют ценовые предложения и управляют поставками для обеспечения непрерывности производственных процессов и покрытия постоянно растущего спроса.

На наш взгляд, значительное развитие карбоновая промышленность может приобрести в том случае, если будут осуществляться многосторонние и эффективные пиар компании, которые могут воспроизводиться на базе автогонок и автоспорта в целом. Карбон, как материал, имеет не только высокую практичность, но и зрелищность, приковывая к себе внимание зрителей. Исполнение автомобилей для автоспорта из карбона, внедрение карбоновых вставок таким образом обладает высокой практичностью и отличительным дизайном. В общей структуре можно выделить следующие преимущества карбона и пресс-форм из него в спортивных автомобилях [5]:

• высокие механические характеристики;
• размерная стабильность;
• устойчивость к высоким температурам;
• возможность производить больше деталей с одной и той же пресс-формой;
• простота ремонта (замены);
• относительно низкая стоимость с учетом индивидуального изготовления;
• гибкость применения материалов;
• возможность создавать сложные формы под потребности конкретного автомобиля и его задачи.

Использование углеродных композитов положительно влияет на эксплуатацию автомобиля. Углеродные композиты обладают высокой ударопрочностью и могут выдерживать значительно высокие температуры, что способствует их использованию в автомобилях и автомобилях. Другие материалы, такие как сталь и подобные металлы, являются хорошими проводниками электричества и тепла, что может привести к серьезному повреждению других компонентов автомобиля. Поэтому использование углеродных композитов в этом отношении высокоэффективно. Точно так же использование углеродных композитов для капотов автомобилей или держателя аккумулятора может быть очень эффективным, поскольку его противоударные свойства могут помочь предотвратить повреждение внутренних компонентов автомобиля в случае крупных аварий. В таком случае карбон примет большую часть ударной силы в себя, и если она превысит пределы запаса прочности, то он разрушится, миновав повреждение других компонентов. Это полезно для спасения жизней, а также для обеспечения непрерывного функционирования автомобиля в целом, его ремонтопригодности.

Таким образом, применение карбона в автомобилестроении и автоспорте является объективным трендом устойчивого (зеленого) экономического развития и поиска наиболее пригодных и обладающих огромным числом достоинств материалов, конкурентоспособных на фоне традиционных металлов. С учетом темпов роста рынка углеродного волокна и высоких перспектив применения карбона в автомобилестроении, можно ожидать все более высокое проникновения карбона в автомобильную промышленность, а как итог, появление новых автомобилей, снижение стоимости производства карбона и др.