Как это работает: Композитные материалы в Формуле 1

28/09/2013, по материалам F1 Racing

От металлических сплавов до полимеров с фантастическими характеристиками - об использовании различных материалов в конструкции машин Формулы 1 на страницах британского F1 Racing расуждал глава технического департамента Williams Пэт Симондс...

Когда всё только начиналось, инженеры считали металл единственным материалом, способным обеспечить необходимую прочность и жесткость. Сейчас в производстве по-прежнему используются различные металлы – каждый для определенных целей – в машине Формулы 1 можно найти более двадцати сплавов алюминия, тридцати видов стали, титан, магний и инконель – жаропрочный никель-хромовый сплав.

Изобретение пластика в начале ХХ века открыло возможность создания легких деталей произвольной формы, но они не обладали нужной прочностью и жесткостью. Композитные материалы и усиленные карбоном полимеры удовлетворяют этим критериям – они в пять раз прочнее стали и на 70% легче, что и определяет столь широкое использование в конструкции машин.

Некоторые композитные материалы были доступны до изобретения карбона, к примеру – стекловолокно, но сейчас, говоря о композитах, инженеры обычно подразумевают именно карбон. Карбоновое волокно было изобретено в Фарнборо в 1963 году. Тогда его производство обходилось в 300 фунтов за килограмм, что эквивалентно 5000 фунтам в наше время. Сегодня цена составляет около 14 фунтов за килограмм, причём в ближайшие пять лет она упадёт, ведь авиационная и автомобильная промышленность всё шире используют фиброкарбон.

Создав первое в мире промышленное производство карбонового волокна, Великобритания быстро потеряла лидерство в этой сфере. Япония инвестировала огромные средства в изучение разнообразных аспектов производства карбона, а затем эти изыскания получили развитие в США – когда стала очевидной возможность применения этих материалов в космической и оборонной отрасли.

Композитные материалы - разные. В конструкции машины Формулы 1 используется более 50 металлов и примерно столько же видов композитных материалов. В частности, инженеры применяют около 30 видов усиленных карбоновым волокном композитов, кроме этого есть сотни вариантов, когда вместо карбона в качестве базового материала используются кевлар или зайлон.

Собственно, под карбоновым композитом чаще всего понимают усиленный карбоновым волокном пластик. Притом карбоновое волокно производится различными способами в зависимости от того, какие цели преследуются: максимальная прочность или предельная жесткость. Нити карбона толщиной в 0,1 толщины человеческого волоса переплетаются в пучки, каждый из которых может содержать от 1000 до 12000 нитей. Эти пучки могут быть переплетены различным образом в зависимости от того, каких свойств необходимо добиться.

Самым простым вариантом является волокно «единого направления». Как следует из названия, все пучки в волокне лежат в одном направлении, что обеспечивает максимальную прочность именно в данном направлении, но крайне низкую прочность при нагрузке, перпендикулярной направлению залегания нитей. В большей степени распространены материалы, где пучки переплетены между собой, что обеспечивает прочность при разнообразном направлении нагрузки.

Однако требуемые качества обеспечиваются не только самим карбоновым волокном и характером плетения нитей. Карбон заключен в пластик, различные варианты которого используются для достижения заданных параметров стоимости и жаропрочности – именно такое карбоновое волокно используется в конструкции машин Формулы 1.

Процесс создания волокна может быть весьма сложным, но, как правило, слои материала постепенно наносятся на специальный шаблон, который, кстати, зачастую тоже сделан из карбонового волокна. Для точного позиционирования наносимых слоев используется лазер или иное сверхточное оборудование. Впоследствии слои покрываются специальным похожим на шелк материалом – тем самым устраняются излишки пластика – после чего наносится специальный слой непроницаемого пластика. Заготовка помещается в вакуумную среду, чтобы слои прочно примкнули к шаблону, а затем – в автоклав: громадную печку высокого давления.

Основная сложность при сборке – удостовериться в том, что деталь не получила повреждений. Когда металлические детали подвергаются какому-либо механическому воздействию, выявить это достаточно просто – элемент будет либо погнут, либо сломан. Существует несколько способов выявления дефектов в металле, однако большинство из них опирается на тот факт, что повреждения видны на поверхности. Карбоновая деталь имеет многослойную структуру, а для выявления повреждений используется специальный ультразвуковой сканер. Если подобную проверку не проводить, деталь, которая внешне выглядит идеальной, может разрушиться в момент как раз из-за внутреннего дефекта.

Каким может быть дальнейший прогресс в области применения композитных материалов? Помимо постоянной борьбы за повышение жесткости и прочности, инженеры стараются оптимизировать характеристики пластика. Процесс все время совершенствуется, а за счет
техники быстрого создания прототиповдетали даже самых сложных форм производятся в предельно сжатые сроки. Следующим шагом должно стать применение карбоновых нанотрубок, что станет настоящим инженерным прорывом в данной сфере.

Возможен ли такой же технологический прорыв в области металлических материалов? Конечно, и в Формуле 1 уже сейчас используется множество алюминиевых сплавов, усиленных, скажем, кремнием и углеродом. Это лишь один из примеров применения нанотехнологий, и даже стальные сплавы постоянно модифицируются с целью придания им оптимальных качеств.