Нанотехнологии в автомобильной промышленности

Выполнил

Магистрант 1 г/о

Направления «Экономическая теория»

Ротко Максим

2011 

Нанотехнологии  в автомобильной  промышленности. 

Нанотехнологии – это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи. Название происходит от слова "нанометр" - миллионная часть метра. Нанотехнологии обеспечивают возможность создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, принципиально нового качества. Ценность таких систем состоит в том, что возможна их интеграция в полноценно функционирующие системы макромасштаба¹.

     Автомобильный сектор - это основной потребитель  материальных технологий - и нанотехнологии позволяют значительно повысить эффективность уже существующих наработок.

     Область их применения колеблется от уже существующих: качество краски, топливные элементы, аккумуляторы, износостойкие шины, легкие и более прочные материалы, ультра-тонкие антибликовые нанопокрытия для стекла и зеркал, до футуристических: сбор энергии кузова, саморемонт, меняющийся цвет и форма покрытий.

   Основные  области применения нанотехнологий в автоиндустрии²:

• Легковесные, но прочные материалы (для уменьшения топлива и повышенная безопасности).
• Повышение эффективности двигателя и расхода топлива для автомобилей с бензиновым двигателем (катализаторы, топливные добавки, нано присадки, смазочные материалы).
• Уменьшение вредного воздействия автомобилей на окружающую среду (водородные батареи).
• Улучшение и миниатюризация электронных систем.
• Значительная экономия (срок службы, низкий уровень поломок механизмов; "умные" материалы для самостоятельного ремонта)

   Компании, занимающиеся производством самых  разнообразных автомобильных узлов, агрегатов, устройств уже начали внедрение  нанотехнологий в массовое производство. К примеру, добавление наночастиц с  определенными свойствами в  резину придает шинам оптимальные  свойства, долговечность, уменьшает  шум и улучшает топливную экономичность. Также использование катализаторов  топлива нового поколения значительно  понизит его расход и количество токсичных выхлопных газов.

   Более 70 ведущих мировых автомобилестроителей  подключились к совместному исследованию возможностей применения нанотехнологий  в автомобилях. Данное исследование было запущено в 2002 и будет завершено  лишь в 2015 году³. 

Ранее только концерны BMW и Volkswagen проводили собственные исследования по модернизации своих моделей с помощью нанотехнологий. В будущем новые авто будут оснащены рядом встроенных диагностических и мониторинговых наносенсоров, а материалы салона будут антисептическими и самоочищающимися. В 2003 году Volkswagen заключил договор на совместные исследования в области наноматериалов с отделением нанонаук и наноматериаловедения при израильском институте Weizmann Institute. Цель исследований - создание поверхностей с низким коэффициентом трения. Эти материалы будут использоваться в подшипниках и редукторах автомобилей, причем трущиеся узлы не нужно будет смазывать. Эффект "сухой смазки" уже давно известен, а основные усилия исследователей направлены на прикладное применение наноматериалов в рабочих узлах автомобиля для его реализации⁴. 

В таблице 1 отображены основные направления применения нанотехнологий в автомобилестроении.

Таблица 1.

Источник http://www.nanostore.com.ua/nanotehnologii-v-avtomobilnoj-promyshlennosti-a-80.html 

Ходовая часть и лакокрасочные  поверхности автомобиля 

     Уменьшение  веса (как следствие - экономия топлива) автомобиля является одной из основных стратегии производителей автомобилей. Специалисты обратили внимание на структуру  литейных алюминиевых сплавов вблизи атомных уровней. Исследования в  данной области ("Детальный анализ структуры/процессов связи алюминиевых  сплавов блоков двигателя") позволили  уменьшить веса двигателя и, в  свою очередь, повысить эффективность  использования топлива. 

     Другая  область применения нанотехнологий - замена полимерами окон с минеральным  стеклом. Однако, до недавнего времени  некоторые основные технические  характеристики в данном вопросе  были невозможны (устойчивость к царапинам  и длительный срок сопротивление  ультрафиолетовым лучам). Последние  достижения в области нанотехнологий позволяют разработчикам поликарботных  оконных стекол решить эти проблемы.

     Термопластичные материалы на базе наноразработок позволяют  на 40% уменьшить вес узлов ходовой  части автомобиля. 

     Крупнейший в мире производитель стали компания ArcelorMittal объявила о разработке совершенно нового вида стали с применением нанотехнологий. Используя её в автомобилестроении, можно выпускать машины, сопоставимые по весу с алюминиевыми, но стоящие притом в производстве намного меньше⁵. 

     Использование инновационной стали в конструкции автомобильных кузовов (силовой каркас, пол, крыша, двери и капот) позволит уменьшить массу неокрашенной и не покрытой грунтовкой машины примерно на 85 кг, уверяют создатели материала. А если из него делать компоненты двигателей, трансмиссии, элементы подвески и тормозные системы, то можно добиться ещё более впечатляющего «похудания».

     Детали  из сверхпрочной современной наностали изготавливаются методом горячей штамповки: в пресс-формы листовой металл попадает раскалённым докрасна. Так как этот способ в более общем виде уже используется в современной промышленности, переоснащение производственных мощностей не потребует от автопроизводителей огромных инвестиций.

     Сама  по себе новая сталь не легче обычной, да и не дешевле. Зато она гораздо прочнее, что позволит автопроизводителям выпускать детали из неё существенно меньшей толщины, не используя в их конструкции дополнительных усиливающих элементов, за счёт чего, собственно, и будут достигнуты снижение общей массы машины и экономия. К примеру, изготавливаемые порой довольно толстыми стойки кузова, часто загораживающие обзор, могут стать намного тоньше без вреда безопасности и прочности машины.

     В настоящее время ArcelorMittal уже демонстрирует  новый вид стали автопроизводителям. Пока неизвестно, на каком автомобиле технология может быть применена  впервые, однако, по неофициальной информации, возможностями новой технологии всерьез заинтересовался Ford⁶.

     Если  говорить о лакокрасочной покрытии автомобиля, то уже есть современные нанопокрытия, которые улучшают адгезию⁷ краски, защищают и увеличивают "срок службы" лакокрасочных поверхностей авто. В скором времени самоочистка лобового стекла станет стандартной опцией в автомобиле. Устойчивость к царапинам, загрязнениям, ультрафиолету, самоочиcтка поверхностей авто - это то, что уже реально существует или находятся в стадии разработки или внедрения на потребительский рынок.  

Автомобильные шины  

     Шины  одни из первых узлов авто в которых  стали применяться наноструктурированные  материалы. Технический углерод  начали использовать в качестве пигмента и укрепляющего элемента автомобильных  покрышек.

     Основным  материалом в шинном производстве является смесь каучука, но требования по ее оптимизации достаточно противоречивы (в виду довольно сложных химических и физических взаимодействия между  резиной и материалом-наполнителем). В наше время потребности в  хорошем сцеплении и увеличении срока службы шин постоянно возрастают и без нанотехнологий здесь уже  не обойтись.  

     Где-то 30% покрышки составляет армирующий наполнитель, который влияет на такие свойства, как сцепление, износостойкость, устойчивость к начальному износа и т.д. Существуют три продукта (сажа, диоксид кремния  и органосилан) которые значительно  улучшают свойства натурального каучука. Сейчас ведется производство этих продуктов  в наноразмерных формах, а также  обеспечивается их кросс-связь с  природной молекулой резины, что  в сумме очень сильно улучшает характеристики автомобильных шин.

     В Европе начались продажи шин Hankook Ventus Prime нового поколения с использованием нанотехнологий⁸.

     Первое  поколение Hankook Ventus Prime было разработано  для легковых автомобилей среднего и верхнего ценового сегментов. После  продолжительных тестов эта новинка  заслужила одобрительные оценки в автомобильных изданиях. К открытию нового сезона компания Hankook подготовила  к серийному выпуску модифицированную шину Ventus Prime 2.

     Состав  резины, из которой изготавливается  протектор, был существенно переработан, благодаря чему на мокром асфальте тормозной путь новой шины стал на 20% короче, чем у ее предшественницы. Ассиметричный профиль с ярко выраженным ребристым краем способствует лучшей управляемости и стабильному  прохождению поворотов. А расположение блоков на покрышке позволяет существенно  снизить уровень шума во время  движения.

     Современные технологии позволили Hankook разработать  многополосный радиальный контур для  рабочей поверхности шины. На ней  расположены шесть различных  по ширине радиальных канавок, которые  эффективно распределяют поверхностное  давление и обеспечивают максимальное сцепление колес с дорожным покрытием.

В состав новой  автомобильной «обуви» входят силикатные компоненты в сочетании с нано-частицами, благодаря которым минимизируется уровень сопротивления качению, сокращается расход топлива и  улучшаются тормозные свойства. 

Движущая  сила 

     В строительстве электрических автомобилей  берутся во внимание четыре основные момента:

1. объемный и безопасный способ хранения энергии, чтобы машина могла ехать довольно долго без дозаправки;
2. двигатели и связанные с ними электронные компоненты, которые наилучшим используют "бортовую" энергию;
3. легковесные компоненты для компенсации дополнительного веса батарей;
4. и прочие моменты, которые по цене могут конкурировать с бензиновыми автомобилями.

   В наше время во всех электрических  транспортных средствах по всему  миру применяются ионно-литиевые батареи. Консенсус среди исследователей состоит в том, что основным источником энергии для электромобиля будут  ионно-литиевые батареи, но пока точно  не известно какую из литий-ионных технологий производства взять за основу. 

   Нанотехнологии  открывают большие перспективы  для увеличения производительности и времени жизни литий-ионных батарей. Их применение также рассматривается  в вопросах увеличения энергии, мощности, сокращения времени перезарядки, уменьшения размера и веса при одновременном  повышении безопасности и стабильности батарей. Большое количество компаний по всему миру активно занимается разработкой нано-батарей в то время как некоторые уже запустили  их в производство.

   Автомобильная промышленность возлагает большие  надежды на литий-ионные батареи. “Инженеры SB LiMotive активно работают и уверенно движутся к поставленным целям", - заявляет Йоахим Фетцер, вице-президент SB LiMotive, совместного предприятия концернов Bosch и Samsung SDI⁹. 


     Рис.1. Литий-ионная батарея 

     Первым  клиентом компании среди автопроизводителей стал концерн BMW, планирующий устанавливать  батареи SB LiMotive на свой электромобиль Megacity Vehicle, а также на концепт ActiveE. Испытательный парк электромобилей BMW будет создан в 2011 г.

     Также нанотехнологии являются ключом к улучшению  производительности топливных элементов  будущих поколений водородных автомобилей. 

Под капотом  

     Для автомобилей на топливных элементах, водородные датчики будут основным компонентом для обеспечения  безопасности. Они смогут выявлять утечки газа задолго до того, как  он станет взрывоопасным. Исследователи  уже разработали тонкие, гибкие датчики  водорода с использованием наноструктурированных  материалов (одностенные углеродные нанотрубоки с наночастицами  палладия). 

     Конечно же, переход с нынешних видов топлива, на водород будет происходить  постепенно и в будущем повышение  эффективности использования топлива, а так же сокращение вредных выбросов выхлопных газов - это две ключевые области в которые нанотехнологии внесут свой весомый вклад.

     В современных автомобилях 10-15% расхода  топлива приходится на трение в двигателе (потери при трении движущихся механических частей: поршень, коленчатый привод, привод клапана). Нанопокрытия для механических узлов и агрегатов, и наноструктурные смазочные материалы уменьшают трение и износ, тем самым уменьшая расход топлива.

     Технология  пьезо-впрыска топлива в настоящее  время используется не только в дизельных, а и в бензиновых двигателях. В  случае прямого впрыска, насос перед  тем, как впрыскивать через форсунку топливо в камеру сгорания цилиндра, сперва создает высокое давление. Точность, с которой все происходит непосредственно влияет на процесс  горения. Давление, объем топлива  и время впрыска можно контролировать, что существенно отражается на эффективности  сгорания топлива. Нанокристаллические  пьезоэлектрических материалы значительно  улучшают уже существующие пьезоэлектрические наработки.

     Система очистки выхлопных газов в  бензиновых автомобилях основана на использовании трех катализаторов. Эти материалы могут преобразовывать  основные загрязняющих вещества (окись  углерода, окислы азота, углеводороды) и тем самым устранять их из выхлопных газов. Нанотехнологии играют основную роль в процессе преобразования токсичных газов в нетоксичные. Действие катализаторов в основном зависит от размера поверхности.

     Если  используемый для каталитической функций  материал масштабируется в нанометровом диапазоне, то это значительно увеличивает  площадь поверхности. Состав и структура  выбраны так, что выхлопные газы оптимально взаимодействуют с каталитически  активными покрытиями и быстро очищаются  от вредных веществ. 

Салон автомобиля 

     Средства  по уходу за салоном авто в основном затрагивают вопросы комфорта: грязеотталкивающие и антимикробные текстильные  изделия и поверхностей, воздушные  нано-фильтры, антибликовые покрытия зеркал и инструментов. А как на счет климат-контроля сидений на основе термоэлектрики? Также это и материалы, преобразующие электроэнергию непосредственно на нагрев или охлаждение.

Электрические системы и электроника 

     Электроника - это "двигатель инноваций" в  автомобильном секторе, поскольку  в настоящее время все больше компонентов  управляется электроникой с помощью электромеханики или электромагнитов. Введение наноразмерных магнитных материалов позволит воплотить в реальность производство приборов с гораздо меньшими расходами энергии (энергонезависимая электроника).

Основные  направления  применения нанотехнологий в электронике  автомобиля представлены на рис. 2. 
 

Рис. 2.

Источник http://www.nanostore.com.ua/nanotehnologii-v-avtomobilnoj-promyshlennosti-a-80.html 

Про камазы 

     Как сообщает пресс-служба Камского автозавода, возможно сотрудничество "Роснанотеха" и ОАО "КАМАЗ" по вопросам применения нанотехнологий в производстве автомобилей и автокомпонентов и финансирования соответствующих производств со стороны ГК "Роснанотех".

     Нанотехнологии  особенно актуальны в литейном производстве "КАМАЗа". Путём дозированного ввода в состав расплавленного металла многокомпонентных ультра- и мелкодисперсных порошков на основе композиций различных металлов и неметаллов можно получить новые материалы с заранее заданными свойствами. Новые материалы заменяют применяющиеся в традиционных технологиях виды металлов и сплавов. Принцип действия наноматериалов основан на создании дополнительных центров кристаллизации уже на молекулярном уровне. Это позволяет достичь самых разнообразных качественных характеристик создаваемых композиционных материалов.

     Естественно, переход на нанотехнологии требует  больших инвестиций в производство, приобретения нового современного и  специального оборудования: например, растровых электронных и «туннельных» микроскопов с yвеличением до 70 млн. крат. Однако, эффективность применения нанотехнологичных модификаторов  нового поколения в разы выше, чем  при перемешивании прежних добавок  с основным металлом. Это, в конечном счёте, благотворно отражается на долговечности  деталей, узлов и агрегатов, следовательно, и на качестве и потребительских  свойствах автомобилей¹¹. 

«Роснано» может инвестировать в металлургическое производство «КамАЗа» около $300 млн.

Полученные от возможной сделки средства пойдут на создание комплекса порошковой металлургии с использованием нанотехнологий. Обсуждалось несколько вариантов схемы инвестирования, но в качестве основного рассматривается возможность вклада в капитал «КамАЗа» в обмен на пакет его акций.

Представитель «КамАЗа» подтвердил, что «Роснано»  рассматривает заявку компании на получение  инвестиций.

По его  словам, «КамАЗ» давно собирался  модернизировать металлургическое производство, которое было выведено в специальную «дочку» «КамАЗ-металлургия», и воспользовался возможностью получить деньги «Роснано».

Сейчас предполагается, что «Роснано» вложит около $300 млн именно в «КамАЗ-металлургию» в обмен на ее акции, но через 6–7 лет, когда инвестор будет выходить из проекта, он хочет получить возможность обменять свои акции в «дочке» на допэмиссию акций «КамАЗа»¹². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Cписок источников. 

1. Ипанов Д.А., Красавин П.А. Нанотехнологии в автомобилестроении стр. 137-140 Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА КАДРОВ", посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ". Книга 1, Москва, МГТУ «МАМИ», 2010 г., 575 с.
2. http://autooboz.info/alt-fuel.info/home/677-news.html
3. Современные нанотехнологии позволят сделать автомобили легче http://www.drive.ru/world/2011/02/03/3888020.html
4. http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/nanotekhnologii-snizyat-ves-avtomobilei
5. http://www.nanostore.com.ua/nanotehnologii-v-avtomobilnoj-promyshlennosti-a-80.html
6. http://www.nanonewsnet.ru
7. http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/kamaz-perekhodit-na-nanotekhnologii
8. http://www.gazeta.ru/news/lenta/2011/07/11/n_1918565.shtml
9. http://www.volkswagen.ru/ru/ru.html
10. различные интернет источники