С.П.Оснос. Применение материалов из базальтовых волокон в автомобильной промышленности

Введение

Настоящая статья посвящена вопросам применения материалов из базальтовых волокон в автомобильной промышленности.

В настоящее время автомобильная промышленность активно развивается и испытывает потребность в новых материалах, особенно, композиционных материалах. Материалы на основе базальтовых волокон являются одними из наиболее перспективных материалов для применения в автомобильной промышленности. К числу таких материалов относятся непрерывные базальтовые волокна, композиционные материалы, армированные БВ, теплозвукоизоляционные материалы, антикоррозионные и защитные покрытия.

Базальтовые волокна (БВ) производятся из базальтовых пород вулканического происхождения, обладающих высокими природными термическими свойствами, химической стойкостью, являются природным экологически чистым сырьем. Поэтому БВ обладают высокой исходной прочностью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, имеют высокие термостойкость, тепло- и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность. Это определяет высокие эксплуатационные качества материалов из БВ: высокое качество, долговечность и стойкость при воздействии природных факторов, высоких температур, агрессивных сред, стойкость к воздействию вибраций, абсолютную негорючесть, что выгодно отличает эти материалы от стекло и минеральных волокон. Кроме того, сырьевая база для производства материалов и изделий из базальта доступна и практически не ограничена. Благодаря сочетанию этих свойств и характеристик, материалы из БВ имеют необычайно широкую перспективу применения в различных отраслях промышленности.

К настоящему времени накоплен довольно большой опыт применения материалов из БВ в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей авиации, судостроении, вагоностроении. Возможности применения БВ в автомобилестроении в последние годы существенно расширились, что связано с рядом факторов.

• Проведены комплексные испытания БВ и материалов на их основе. БВ обладают рядом характеристик, которые в сочетании со свойствами БВ позволяют создавать материалы с новыми характеристиками.
• Анализ показывает, что БВ имеют наилучшее соотношение показателя «цены и качества» для неорганических волокон (стеклянных, углеродных).
• Технологические разработки по производству БВ, выполненные в последние годы, позволили обеспечить стоимость производства непрерывных базальтовых волокон (НБВ) сравнимую по стоимости с производством стекловолокна.
• Освоением технологий и организацией промышленного производства непрерывных и супертонких БВ.
  К настоящему времени на Украине и в России освоены технологии производства и запущены промышленные производства супертонких и непрерывных БВ, которые находят применение в автомобильной промышленности, авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности.
  Комплексные исследования характеристик БВ и материалов на их основе позволили выявить следующие основные преимущества базальтовых волокон пред другими типами волокон и материалов.

1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв, существенно превышающая эти показатели для металла (в 2 – 2.5 раза) и стекловолокна из Е-стекла (1.4 – 1.5 раза). В таблице 1 представлены данные по удельной прочности непрерывных базальтовых волокон на разрыв.

Таблица 1.

Диаметр элементарных волокон, µm	5.0	6.0	8.0	9.0	11.0
Удельная прочность элементар-ных волокон на разрыв, kg/mm².	215	210	208	214	205

В таблице 2 представлены данные по разрывным нагрузкам ровингов марки RB 10 из базальтового непрерывного волокна.

Таблица 2.

Диаметр элементарных волокон, µm	Количество ТЭКС	Разрывная нагрузка: (Н)
10	600	400
10	1200	700

2. Высокая коррозионная и химическая стойкость к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей.

В таблице 3 представлены данные по химической стойкости базальтовых волокон.

Таблица 3.

Тип образца НБВ	Н2О	0.5 н Na OН	2 н Na OН	2 н HCl
№ 1	99.63	98.3	92.8	76.9
№ 2	99.7	98.9	90.7	49.9
№ 3	99.6	94.6	83.3	38.8

Как видно из таблицы базальтовые волокна обладают уникальной химической стойкостью в растворах щелочей. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для конструкций работающих при воздействии влаги, растворов солей, химических и щелочных сред. Это позволяет базальтопластиками заменять металлические конструкции и детали, которые под воздействием химически активных сред подвержены коррозии.

3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон. В таблице 4. представлены данные по термической стойкости базальтовых волокон.

Таблица 4.

Температура °С	300	400	500	600	700
Исходная удельная прочность (кg/mm²), 100%
№ 1 234	98.7	88.7	58,9	38,4	25,0
№ 2 240	99.0	89.0	61.0	39.0	27.0
№ 3 254	100	90,0	65,0	38,8	28,6

Таким образом, на основе БВ можно изготавливать материалы, которые могут работать под воздействием высоких температур.

Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон на основе неорганических связок могут применяться при температурах от – 200 °С до 700 °С.

4. Высокие термо- и звукоизоляционные характеристики.

Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Удельная плотность материала, кg/m³	20	30	60	80	100	120	140
Коэффициент теплопроводности			ккаl/mh °K
Перепад температуры, 50 °С	0.0405	0.0375	0.0345	0.0340	0.0360	0.0380	0.041

В таблице 6 представлены данные по звукоизоляционным характеристикам материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм.

Таблица 6.

Плотность материала р=15 кg/m³. Толщина материала 30 мм. Величина зазора между материалом и изолируемой стенкой 0.0 мм.
Диапазон частот, Гц	100 - 300	400 - 900	1200 - 7000
Нормальный коэффициент звукопоглощения	0.05 – 0.15	0.22 – 0.75	0.85 – 0.93
Плотность материала р=15кg/m³. Толщина материала 30 мм. Величина зазора между материалом и изолируемой стенкой 100 мм.
Диапазон частот, Гц	100 - 200	300 - 900	1200 - 7000
Нормальный коэффициент звукопоглощения	0.15	0.86 – 0.99	0.74 – 0.99

Звукоизоляционные базальтовые материалы широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении. Кроме того, представляется возможным создание широкого спектра композиционных материалов, совмещающих конструкционные и термо-звукоизоляционные свойства. При этом эти материалы абсолютно не горючи, при нагреве не выделяют вредных выделений и могут быть применены на температуры до 600-700 °С.

6. Низкая гигроскопичность в 6-8 раз ниже, чем у стекловолокон. Поэтому только термо- и звукоизоляционные материалы из базальтовых волокон традиционно применяются в самолето и ракетостроении, в судостроении, где очень важны низкие удельная масса и гигроскопичность таких материалов.

5. Высокая стойкость и долговечность к знакопеременным нагрузкам. Профильные пластики – прутки на основе непрерывных базальтовых волокон после многих лет эксплуатации (более 9 лет) под воздействием знакопеременных нагрузок практически не имеют следов усталостных разрушений – трещин и других признаков разрушения.

7. Высокая совместимость с другими материалами: металлами, пластмассами, пластиками. Это открывает широкую перспективу производства целого спектра новых композиционных материалов: металлокомпозитных материалов, сотовых конструкций, армированных волокном пластмасс, защитных покрытий и др.

8. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из базальтовых волокон: высокая стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, долговечность, удельные прочностные и весовые показатели, красивый внешний вид (без применения лакокрасочных покрытий), ремонтопригодность.

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. При промышленном производстве базальтовых волокон на основе новых технологий их стоимость равна и даже менее стоимости стекловолокна. При этом соотношение качества, эксплуатационных характеристик и цены у базальтовых волокон самое высокое по сравнению со стекло и углеродными волокнами. Стекловолокно не обладает теми характеристиками, что БВ, а углеродные волокна во много раз более дорогие.

В автомобильной промышленности находят применение несколько типов волокнистых материалов.

1. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей. Из этих материалов производятся: внешние детали автомобиля бамперы, обтекатели, спойлеры; элементы внутренней отделки салона автомобиля торпеда, декоративные панели салона, элементы защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля, защита элементов конструкции автомобиля над колесами.

Накоплен опыт производства крыльев автомобилей из волокнистых композиционных материалов. Кроме того, производились автомобили с кузовом полностью из волокнистых композиционных материалов.

2. Термо и звукоизоляционные материалы. Материалы для термо и звукоизоляции салона автомобиля, двигателя и глушителя выхлопных газов.

3. Материалы специального применения. Армирующие материалы для изготовления тормозных колодок и фрикционных дисков (дисков сцепления). Материалы для изготовления уплотняющих прокладок двигателя и глушителя.

4. Армирование непрерывными базальтовыми волокнами и лентами покрышек (скатов) автомобильных колес.

При разработке и изготовлении материалов из базальтовых волокон используются сочетания их характеристик и свойств. При этом необходимо использовать так сочетание этих свойств, чтобы добиться преимущества в применении именно БВ.

1. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных базальтовых волокон и армирующих тканей. Базальтовые волокна по сравнению со стекловолокном имеют более высокие показатели по удельной прочности, что позволяет изготавливать внешние детали автомобиля (бамперы, обтекатели, спойлеры) более прочными и легкими.

Материалы из базальтовых волокон имеют высокие ударные прочность и вязкость, демпфирующие возможности. Эти показатели материалов БВ настолько высоки, что из базальтовых изготавливают бронежилеты. Это очень важно при изготовлении деталей автомобилей, обеспечивающих их безопасность при столкновениях.

Кроме того, внешние детали из базальтовых волокон выдерживают многолетнюю эксплуатацию при воздействии природных факторов: влаги, растворов солей, щелочи и кислот.

Базальтовые волокна химически стойкие, что позволяет из них изготавливать композиционные материалы на основе неорганических связующих, имеющих, как правило, щелочную реакцию. Применение неорганических связующих позволяет изготавливать негорючие композиционные материалы на основе БВ. Применение таких материалов из БВ становится особенно актуально в связи с введением США новых стандартов на применение в автомобилестроении негорючих и нетоксичных материалов. Аналогичные стандарты будут приняты также и в странах Европы.

Сочетание характеристик и свойств базальтовых волокон открывают перспективу создания нового класса материалов для автомобильной промышленности – сотовых и объемных пластиковых конструкций. Это особо прочные материалы, которые при минимуме массы, обеспечивают высокую конструктивную прочность и имеют дополнительные тепло и звукоизоляционные свойства. Такие сотовые и объемные композиционные материалы и конструкции с высокими удельными прочностными показателями широко применяются в авиации. Даже обычные материалы из пластмасс армированные 1.5 - 2% рубленным базальтовым волокном увеличивают свою прочность на излом и на разрыв на 17 – 30%.

Поэтому применение БВ для изготовления конструктивных композиционных материалов в автомобилестроении имеет большие перспективы.

2. Термо и звукоизоляционные материалы.

Материалы из БВ для термо и звукоизоляции двигателя сочетают в себе хорошие термо и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность, стойкость к воздействию вибрации, негорючесть и долговечность. При этом, эти материалы также соответствуют требованиям новых американских стандартов на применение негорючих материалов для автомобилей.

Иглопробивные холсты из непрерывных базальтовых волокон применяются сейчас для термо и звукомзоляции глушителей пяти типов автомобилей «Тоyоtа». Необходимость использования именно БВ в глушителях связана с применения на новых моделях автомобилей «Тоyоtа» двигателей новых модификаций с дожигом отходящих газов. При этом температура газов, поступающих в глушитель возрастает. Стекловолокно, которое применялось ранее в глушителях, не выдерживает этих температур и разрушается. Кроме того, в глушителях проявляются другие положительные качества базальтовых волокон вибростойкость, термостойкость при частых теплосменах, что позволяет производить долговечные изделия высокого качества.

3. Материалы специального применения.

Армирующие материалы для изготовления тормозных колодок и фрикционных дисков (дисков сцепления). Рубленные базальтовые волокна являются лучшим материалом для армирования тормозных и фрикционных накладок. Так как выдерживают большие температуры без изменения своих физических характеристик, имеют хороший фрикционный контакт с металлом, но при этом не вырабатывая его.

В материалах для изготовления уплотняющих термостойких прокладок двигателя и глушителя традиционно применяются БВ, которые являются заменителями концерогенных материалов из асбестовых волокон..

4. Непрерывное базальтовое волокно является отличным материалом для корда автомобильных покрышек, так как обладает высокой прочностью на разрыв, не вытягиваются под действием нагрузок, выдерживает долговременные знакопеременные нагрузки. Кроме того автопокрышки с базальтовым кордом достаточно просто утилизировать – измельчение и повторное использование резины.

Антикоррозионные покрытия на основе базальтовой чешуи.

Весьма перспективно применение базальтовой чешуи для антикоррозионных покрытий днищ автомобилей.

Базальтовый чешуйчатый материал представляет собой элементарные чешуйки толщиной до 3 микрон площадью 1 – 3 mm². При нанесении лакокрасочных покрытий армированных базальтовыми чешуйками на металлические поверхности их прочность и химическая стойкость многократно возрастает. Имеется многолетний опыт применения лакокрасочных покрытий армированных базальтовой и стекло чешуей в химической промышленности и в судостроении, в том числе и для покраски судов ледокольного типа. При этом базальтовая чешуя обеспечивает высокие механические характеристики покрытий прочность и износостойкость, а также надежную защиту металла от воздействия солей и кислот.

Заключение.

Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых композиционных материалов сочетающих в себе ряд характеристик. Материалы из базальтовых волокон наиболее полно отвечают этим требованиям, так как обладают рядом уникальных характеристик и свойств и имеют наилучшее соотношение «цены и качества».

Проведены комплексные испытания базальтовых волокон и материалов на их основе, накоплен многолетний опыт применения этих материалов в автомобилестроении, авиации, судостроении, других отраслях промышленности.

Промышленное освоение производства базальтовых волокон и материалов на их основе позволяет широко применять их в автомобилестроении. Фирма «Toyota» уже широко применяет материалы из базальтовых волокон в глушителях своих автомобилей. Проработаны вопросы применения в автомобилях композиционных, термо и звукоизоляционных материалов, материалов специального применения, защитных антикоррозионных покрытий из базальтов.

Применение материалов и изделий на основе базальтовых волокон в автомобилестроении является перспективным направлением.