Крепкий, как пух

Пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), давно пользуется спросом среди машиностроителей. Производителей больше всего привлекает возможность сделать транспортное средство легче, а значит, экономить топливо. Считается, что в 2000-х Boeing и Airbus даже спровоцировали дефицит и последующий рост цен на материал. По оценкам компании Umatex, его использование позволяет снизить вес летательных аппаратов в среднем на 30%, сохранив прочность конструкции. Углеводородное волокно используется в частности для изготовления крыльев и других элементов фюзеляжа Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 и ряда других моделей.

В автопроме углеродно-­усиленный пластик применяют для замены металлических элементов в моделях премиумного сегмента. Как правило, такие детали небольшие, но встречаются исключения. Например, конструкторы BMW при создании электромобиля i3 предложили нестандартное решение. Архитектура кузова модели, которую назвали LifeDrive, состоит из двух отдельных функциональных блоков. Верхний модуль Life — пассажирский отсек, изготовлен в основном из армированного углепластика. Нижний модуль Drive включает алюминиевую раму, батарею, электропривод, подвеску и элементы безопасности и создан из традиционных материалов. Решение помогло уменьшить вес блока батарей и снизить центр тяжести.

В железнодорожном машиностроении с углеводородным пластиком также знакомы. Несколько лет назад производитель вакуумных поездов Hyperloop Transportation Technologies удивил будущих пассажиров необычным маркетинговым ходом. В компании сообщили, что будут использовать «вибраниум» при производстве капсул пассажиров. Этот вымышленный материал получил славу благодаря комиксам Marvel. Объявление наделало шуму, но вскоре выяснилось, что на самом деле в Hyperloop представили материал, созданный с использованием углеродного волокна.

Спрос на «углеводородный» пластик устойчиво растет по мере усиления зеленых тенденций в машиностроении. Переход на безопасные возобновляемые источники энергии требует новых решений. Электрические двигатели — одни из самых экологичных. Но мощности батарей оказывается недостаточно, чтобы перемещать тяжелые автомобили или поезда на большие расстояния. Ученые постепенно повышают емкость аккумуляторов. Но одновременно нужно понижать и вес крупных транспортных средств.

Какое-то время широкое применение углеводородного пластика сдерживала его и потенциально опасная для экологии утилизация. Но ученые решили и эту проблему (см. справку). После этого производители начали применять армированный углеводородным волокном пластик для более крупных компонентов.

Этим летом в китайской компании CRRC Qingdao Sifang завершили тестирование шестивагонного состава метрополитена нового поколения. Поезд оснащен электродвигателем на магнитах. В нем презентовано множество передовых digital-­технологий по энергосбережению, сенсорному оснащению окон, погашению вибрации, звукоизоляции и прочие. Но главной изюминкой проекта стало использование при создании корпуса углеводородного волокна, которое позволит сделать составы легче на 13%. Композитный пластик применили в основной несущей конструкции поезда. Среди них — кузов, рама вагонной тележки и кабина. Последняя на 90% создана из материала на базе углеродного волокна. Она легче обычной более чем на 30%. Рама вагонной тележки также потеряла в весе по отношению к конкурентам 40%.

Производитель надеется, что, хотя представленная модель и стоит дороже традиционных электропоездов, сэкономить удастся на последующем техническом обслуживании. Новый материал более устойчив к атмосферным явлениям и коррозии. Ему не страшны перепады температур и влажность.

Вагонная тележка из углеводородного пластика, в свою очередь, улучшает проходимость поездов, позволяет лучше адаптироваться к поворотам. Кроме того, значительно снижаются износ колес и затраты на техническое обслуживание. Предельная заявленная скорость поезда — 140 км/ч. У конкурирующих моделей метро она составляет порядка 80 км/ч.

Весьма вероятно, что примеру CRRC Qingdao Sifang скоро начнут следовать и другие производители. В этом году в Великобритании на завершающую стадию вышел проект создания вагонной тележки из углеводородного волокна CaFiBo, финансируемый RSSB (Советом по стандартам безопасности железнодорожных перевозок). Прототип уже создан и прошел испытания в Институте железнодорожных исследований (IRR) Хаддерсфилда.

Тесты подтвердили высокую маневренность образца. Другой плюс конструкции — снижение нагрузки на железнодорожное полотно при эксплуатации таких тележек до 40%, что ведет к снижению затрат на ремонт как самого поезда, так и инфраструктуры.

Вскоре может быть принято решение о начале серийного производства данных вагонных тележек. Для оптимизации стоимости изделий будет использоваться переработанное углеводородное волокно.

Более того, нельзя исключать, что еще через несколько лет получит признание и углепластик с более широким функционалом. Так, шведские ученые из Технического университета Чалмерса изучили микроструктуру различных типов углеродных волокон и обнаружили, что некоторые из них — с маленькими и плохо ориентированными кристаллами — обладают хорошими электрохимическими свой­ствами, но относительно низкой жесткостью. На их базе удалось создать материал, который обладает высокой аккумулирующей способностью. То есть он работает как электроды батареи, напрямую накапливая кинетическую энергию.

Правда, такие углепластики уступают обычным по техническим характеристикам: они менее жесткие. Производителям для сохранения надежности придется увеличивать толщину материала, а значит, и вес детали. Впрочем, этим углепластиком уже заинтересовались инженеры Lamborghini, отвечающие за разработку электрокара Terzo Millennio.