VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Annotation: This article describes the properties of composite materials, the analysis of the general status and structure of the Russian market of composite materials and their competitive position in the market. Data calculations that prove the effectiveness of the organization of production parts made from composite materials.

Key words: composite material, economic efficiency, the Rosenberg’s model, competitiveness

Улучшение прочностных характеристик конструкционных материалов считается одной из основных проблем в машиностроении. Повышение прочности материалов ведет к резкому снижению их пластичности, склонности к хрупкому разрушению. Все это крайне ограничивает применение материалов, имеющих высокую прочность, в качестве конструкционного материала. Эта проблема решается путем использования композиционного материала.

Композиционными материалами называются материалы, состоящие из множества компонентов, керамической, пластичной полимерной, углеродной, металлической или другой базы (матрицы), которая армирована различными наполнителями. Изменяя их состав и соотношение, используя специальные дополнительные реагенты, получают множество материалов, обладающих требуемыми свойствами. [4, c. 3]

Объем годового мирового рынка композитов, по данным на 2015 г., составлял 12 млн. тонн и более чем 700 млрд. евро., прогноз до 2023 года предполагается рост на 4.6%. В России объемы производства композитов малы и составляют всего лишь десятки тысяч тонн, от мирового это 0,3-0,5%, выпуск композитных материалов на одного человека в год составляет менее 10 кг, для сравнения в Белоруссии этот показатель достигает 30 кг, в ЕС - 110 кг, в США - 140 кг. Применение в нашей стране полимерных композитных материалов пока не является распространенным, например, в морских судах доля КМ равна 0.1%, в свою очередь по всему миру данный показатель равняется 68%. В большинстве случаев полимерные композитные материалы в нашей стране применяют в объектах космоса, авиации, либо ядерной энергетики. Трубопроводный фонд, транспорт и строительство являются также достаточно перспективными отраслями.

На рынке преобладает доля стекловолокна, она достигает 130 тыс. т., 80% при этом продается за границу. Углеволокно занимает меньшую долю рынка, в пределах 250-300 т. Производство базальтового волокна в большем упадке, доля данного вида волокна не превышает 10 тыс. т. Все-таки прогноз достаточно оптимистичен – предполагается увеличение на 10-12% каждый год.

Министерство промышленности и торговли предоставило три сценария возможного развития рынка композитных материалов в РФ до 2020 г. [1] При первом сценарии (инерционном), когда объем рынка достигнет 30 млрд. руб., 64% займет авиа- и судостроение и космос. При втором варианте развития событий (базовом) предполагается, что объем рынка составит 120 млрд. руб., при этом, занимая 19%, будет преобладать транспортная инфраструктура. И последний сценарий – целевой, с долей 22% лидировать будет транспортная инфраструктура, второе место займет строительная индустрия (18%), транспортное машиностроение и автопром будет занимать 16% , при этом объем рынка оценивается в 223 млрд. руб. Для обеспечения плановых объемов к 2020 г. даже по второму сценарию настоящие производственные мощности следует обеспечить рост почти в четыре раза, по целевому же сценарию - в 12 раз. База реального роста – создание новых предприятий, так как в данное время насчитываются единицы предприятий, производящих подобную продукцию.

В связи с тем, что область применения композитных материалов очень обширна и спрос на рынке не удовлетворен, инвестирование в организацию производства композитных материалов стоит считать целесообразным, так как продукция востребована.

Композитные материалы одни из наиболее технологичных и эффективных материалов современности, соответственно и конкурентоспособных. Такой вывод можно сделать исходя из анализа конкурентной позиции отдельных материалов на рынке, которая осуществляется по двум показателям: качество-цена.

Анализ качества определяется путем сравнительной оценки свойств материалов. (табл. 1). Для проведения анализа из группы композитных материалов выбран стеклопластик, как один из самых распространенных композитов, пластик, а также такие металлы как сталь и дюралюминий, так как именно их наиболее часто используют в промышленных масштабах.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика материалов

Критерий	Металл (Сталь)	Пластик	Стеклопластик	Дюралюминий
Удельный вес, г/см3	7,8	1,3-1,4	1,1	2,8
Коррозийная стойкость	низкая	абсолютная	абсолютная	высокая
Предел прочности при растяжении, МПа	200-226	50	1700	150
Модуль упругости, ГПа	210	2,0-2,7	21-41	70
Коэффициент теплопроводности, Вт/К*м	17,5-58	0,13-1,6	0,3-0,5	140-190
Электропроводность	да	нет	нет	да
Диапазон рабочих температур, °C	от –60 до +300	от -50 до +80	от -18 до +600	от -70 до +210
Относительное удлинение при разрыве,%	25	6-100	2,2	3
Экологичность	экологичен	токсичен	малоопасен	экологичен
Долговечность, лет	около 50	около 15	более 80	около 50
Разрушающее напряжение при сжатии (растяжении), МПа	410-480	41-48	410-1180	80-430
Разрушающее напряжение на изгибе, МПа	400	80-110	690-1240	275
Коэффициент линейного расширения, 10-6/°С	11-14	75-80	9-12	21-24

По данным таблицы можно судить о превосходстве того или иного материала по свойствам, а также определить в каком соотношении относятся показатели по каждому критерию. Очевидно превосходство композитного материала, небольшой удельный вес сочетается с хорошими физико-механическими свойствами. В нем сочетаются лучшие качества пластика, стали и алюминия, при этом отсутствуют недостатки, присущие им.

Стеклопластик имеет многие ценные свойства, которые предоставляют ему возможность считаться одним из материалов будущего. Удельный вес композитных материалов в среднем в девять раз меньше, чем у металлов, и в три раза меньше, чем у дюралюминия. Это делает их особенно удобными для применения на транспорте. Снижение веса на транспорте приводит к экономии энергии; более того, благодаря уменьшению веса конструкций в транспорте (автомобилей, самолетов, судов и т.д.) можно увеличить их полезную нагрузку, а за счет сокращения потребности в топливе расширить радиус действия. Они являются электроизоляционными материалами, что обуславливает широкое применение изделий из КМ в электро- и радиотехнике. Стеклопластики, являясь диэлектриками, абсолютно не подвержены электрохимической коррозии. Существует несколько видов смол, которые позволяют добиться устойчивости изделий из композитных материалов к различным агрессивным средам, кроме этого изделия из композитов обладают высокой ремонтопригодностью – возможностью ремонта без снятия всей системы, так как требуется изготовление только оснастки. [2, 116 c.]

Таким образом, композиты можно назвать универсальными материалами, они могут использоваться в самолетостроении, оборонной промышленности, кораблестроении и прочих областях, в которых к материалу предъявляют повышенные требования по таким характеристикам как прочность, теплопроводность, устойчивость к агрессивной среде, экологичность, устойчивость свойств при резкой смене температуры, долговечность, словом, все требования, которые предъявляют к современным материалам.

Среднерыночные цены на композитные материалы практически на одном уровне с ценой стали, алюминиевый сплав при одинаковых условиях обойдется дешевле. Таким образом, дюралюминий более конкурентоспособен по цене, чем сталь и стеклопластик, в свою очередь конкурентоспособность композита выше стали.

При рассмотрении конкретно стеклопластика и стали, различия в затратах, которые формируют стоимость очевидны. Сталь обходится потребителю практически в два раза дороже, чем композит, так происходит из-за того, что для изготовления определенного изделия требуется меньшее количество композитного материала. К примеру, если необходимо 10 км материала, общая экономия при переходе с металлического материала на использование композитного составит 15 930 руб., или около 40 процентов. На рисунке 6 наглядно продемонстрированы данные расхождения. [5]

Оценка по показателям качество-цена позволяет провести анализ уровня конкурентоспособности композитного материала. Для этого на основе критериев, по которым производилась оценка качества и критерия стоимости материалов строится модель Розенберга (рис.1). [3, c. 265] По рисунку можно судить о преимуществах и недостатках того или иного вида материала. Из него видно, что композитный материал превосходит остальные по большинству критериев, он уступает только дюралюминию по цене и стали по значению модуля упругости.

Рис. 1. Модель Розенберга

Основные преимущества композита перед нержавеющей сталью: противостоит коррозии, устойчив к царапинам, противостоит деформации, устойчив к агрессивной среде, обладает меньшим весом и ценой; перед пластиком: долговечнее и прочнее, не имеет необходимости армирования металлом, наиболее устойчив к механическим воздействиям, не выделяет ядовитых веществ при нагревании, более устойчив к агрессивным средам, не деформируется; по сравнению с полипропиленом и полиэтиленом: обладают большим температурным диапазоном, значительно меньшей горючестью, самозатухают после прекращения воздействия огня, имеют стабильные физико-механические характеристики.

Технико-экономическое обоснование организации производства деталей из композитных материалов целесообразно провести на базе Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий Пермского политехнического университета, который производит комплектующие для двигателя ПД-14.

В рамках проекта планируется увеличение объема производства до пятидесяти комплектов деталей в год, состав каждого комплекта определен и включает двенадцать деталей сборочных единиц (ДСЕ).

Для обеспечения выпуска планового объема продукции необходима покупка дополнительного оборудования и помещений для его размещения, хранения материалов и готовой продукции, помимо этого требуется включение в штат научно-образовательного центра инженерно-технических работников и рабочих. Далее проводится подготовка и наладка производства, к затратам на данной стадии относятся затраты на проектирование, разработку 3D модели и изготовление мастер модели.

Текущие расходы на производство и сбыт продукции включают стоимость материалов, размер заработной платы основных рабочих и страховых взносов, сумма амортизационных отчислений и прочих расходов. Также на себестоимость продукции относятся затраты на изготовление оснастки, так они повторяются ежегодно, исходя из того, что 1 оснастки хватает на изготовление только 30 деталей. Они составят 116,9 млн. руб.

Осуществление проекта предполагается за счет средств ПНИПУ. Горизонт планирования проекта составляет десять лет. По результатам расчетов проект окупиться через восемь лет и шесть месяцев, при довольно большом объеме инвестиций (85 млн. руб.) данный период окупаемости можно считать небольшим, доходность вложений составит 5,7 коп. прибыли на один рубль инвестиций, чистый дисконтированный доход проекта 4 874,2 тыс. руб., следовательно, проект эффективен.

Исходя из этого, изделия из композитных материалов могут стать достойным конкурентом для импортных деталей и материалов. Изделия из композитных материалов имеют высокую конкурентоспособность по качеству и обладают относительно невысокой ценой. Одним из основных преимуществ композитов является уникальное сочетание деформационных, теплопроводных, прочностных, ударных, температурных, упругостных, электрических, фрикционных и прочих свойств, не присущее традиционным материалам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Воронина Ю. Рынок композиционных материалов к 2020 году может вырасти в 10 раз// Российская Бизнес-газета - Промышленное обозрение. 2012. № 864 (35). [Электронный ресурс]. URL: http://www.rg.ru/2012/09/18/materiali.html (дата обращения: 25.05.2015).

2. Гуменюк Н.С. , Грушин С.С. Применение композитных материалов в судостроении. −М.: Современные наукоемкие технологии. – 2013. №8 (1). – 116-117 с.

3. Лифиц И.М. Конкурентоспособность товаров и услуг : учеб. пособие. М.: изд-во Юрайт-Издат, 2009. 460 с Конкурентоспособность товаров и услуг : учеб. пособие /И. М. Лифиц. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшее образование; Юрайт-Издат, 2009. − 460 с.

4. Тялина, Л.Н. Новые композиционные материалы: учебное пособие/ Л.Н. Тялина, А.М. Минаев, В.А. Пручкин.– Тамбов:ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 80 с.

5. Сравнение стоимости композитной и металлической арматуры [Электронный ресурс]. URL: http://komposit-nn.ru/sravnenie.html (Дата обращен ия: 05.06.2015).

Код для цитирования: Скопировать