BASALT FIBER & COMPOSITE MATERIALS TECHNOLOGY DEVELOPMENT

Применение материалов из базальтовых пород в автомобильной промышленности

В статье представлены характеристики материалов на основе базальтов, возможности и перспективы их широкого применения в автомобильной промышленности, в том числе для производства автомобилей с электроприводом.

На современном этапе развития автомобильной промышленности востребованы не подверженные коррозии прочные легкие конструкционные и композитные материалы, тепло- и звукоизоляционные материалы, защитные покрытия. В настоящее время в автомобилестроении используют в основном недорогие стеклянные волокна. Углеродные волокна применяют ограниченно там, где это экономически оправдано.

По своим техническим характеристикам и экономическим показателям материалы на основе базальтовых волокон (БВ) являются перспективными для их широкого применения в автомобильной промышленности. В настоящее время уже накоплен опыт применения материалов из базальтовых непрерывных волокон (БНВ) в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей: авиации, судостроении, вагоностроении.

БНВ и материалы БНВ обладают рядом достаточно высоких технических и эксплуатационных характеристик:

1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв, существенно превышающая эти показатели для металла (в 2–2,5 раза) и Е-стекловолокна (1,4–1,5 раза). В таблице 1 представлены данные по удельной прочности базальтовых непрерывных волокон на разрыв [1].

2. Высокая стойкость к воздействию внешних природных факторов и агрессивных сред. Базальтовые волокна пригодны для конструкций, работающих под воздействием влаги, растворов солей, химических сред, не подвержены коррозии.

3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон (БВ). На основе БВ можно изготавливать негорючие и высокотемпературные материалы. Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон могут применяться при температурах от −200 до +600°С; андезитобазальтовые волокна — до +800°С.

4. Тепло- и звукоизоляционные характеристики. Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1–3 мкм представлены в таблице 2 [1].

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

Тепло- и звукоизоляционные базальтовые материалы длительное время широко применяются в авиации и судостроении.

5. Гигроскопичность БВ в 6–8 раз ниже, чем у стекловолокон [1]. Поэтому только термо- и звукоизоляционные материалы из базальтов традиционно применяются в авиа и судостроении, где очень важна низкая гигроскопичность материалов.

6. Высокая стойкость и долговечность материалов на основе БВ к вибрациям и знакопеременным нагрузкам.

7. Совместимость БНВ с другими материалами: металлами, пластмассами. Это открывает широкую перспективу производства целого спектра новых композитных материалов: металлокомпозитных материалов, сотовых конструкций, армированных волокном пластмасс, защитных покрытий и других.

8. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из БВ: прочностные и весовые показатели, ударная стойкость, стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, красивый внешний вид, ремонтопригодность, долговечность.

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. Накоплен положительный опыт применения материалов из БНВ в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей: авиации, судостроении, вагоностроении.

Сравнительные характеристики непрерывных волокон, применяемых для производства композитов, представлены в таблице 4.

Таблица 4. 1 — Образцы БНВ повышенной прочности, произведенные на оборудовании четвертого поколения. 2 — При промышленном производстве БНВ на основе новых технологий их себестоимость ниже себестоимости производства стекловолокна.

Для автомобильной промышленности проработаны вопросы применения композитных, армирующих, термо- и звукоизоляционных материалов, материалов специального применения, защитных антикоррозионных покрытий.

Композитные материалы и изделия на основе БНВ

Основой композитов являются армирующие волокна, которые в составе материалов занимают от 70 до 80% объема. Армирующие волокна в виде ровингов, нетканых материалов (матов) из рубленого волокна и тканей в основном определяют прочностные характеристики композитов. Из композитных материалов производятся защитные элементы, детали интерьера и экстерьера автомобиля: бамперы, капот, обтекатели, спойлеры, крышки багажников и другие; для автомобилей с электроприводом — полностью кузов.

Примеры автодеталей из композитов на основе БНВ

БНВ имеет ряд преимуществ перед стекловолокном — низкую гигроскопичность и более высокие характеристики по химической стойкости, прочности на разрыв и ударной прочности. Это важно при изготовлении деталей автомобилей, обеспечивающих безопасность при столкновениях и авариях. Базальтокомпозиты выдерживают многолетнюю эксплуатацию при воздействии природных факторов: влаги, растворов солей, щелочей и кислот.

Формы для вакуумного формования композитных изделий сложной формы

Особую актуальность автомобильные кузова из базальтокомпозитов приобрели для производства электромобилей. Базальтокомпозитные кузова автомобилей более прочные, не подвержены коррозии, не проводят электрический ток, долговечны в эксплуатации, в 2,5–3 раза легче аналогов из металла. Облегченные композитные кузова позволяют устанавливать дополнительные аккумуляторные батареи и увеличить дальность пробега электромобилей.

Полностью базальтокомпозитный кузов автомобиля.(Инженерное бюро EDAG, Германия)

На основе БНВ крупные автомобилестроительные компании Volkswagen и BMW разработали композитные кузова автомобилей.

Производство баллонов высокого давления для сжатого природного газа

Перевод автомобильных двигателей с бензина на природный сжатый газ потребовал создания новых производств баллонов высокого давления на 250 бар (кг/см²). Давление при испытании баллонов 500 бар. По своим характеристикам БНВ (высокой прочности на разрыв и стойкость к знакопеременным нагрузкам) наиболее пригодно для производства автомобильных баллонов для сжатого природного газа.

Композитные баллоны для сжатого природного газа (Компания Реал-Шторм, г. Ижевск)

Базальтокомпозитные баллоны для сжатого природного газа (Производство ЕС, Австрия)

Широкое применение базальтокомпозитных баллонов в автомобильной промышленности позволит применять природный газ вместо бензина, снизить вредные выбросы в атмосферу от работы ДВС.

Материалы на основе базальтовых волокон для термо- и звукоизоляции салона автомобиля, двигателей и глушителей

Материалы из БВ сочетают в себе высокие термо- и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность, стойкость к воздействию вибрации, негорючесть и долговечность. Базальтовые волокнистые материалы также соответствуют требованиям применения негорючих материалов для автомобилей.

Прошивной мат из базальтового супертонкого волокна

Иглопробивной холст из рубленого БНВ

Иглопробивные холсты из рубленого БНВ с 2000 года применяются для термо- и звукоизоляции горячей части глушителей автомобилей «TOYOTA». Необходимость использования термостойких БНВ в глушителях связана с применением двигателей новых модификаций, с высокой температурой отходящих газов. В глушителях проявляются другие положительные качества БВ: вибростойкость, термостойкость при частых теплосменах, что позволяет производить глушители высокого качества с длительными сроками эксплуатации.

Рубленые базальтовые волокна для тормозных колодок и дисков сцепления

Рубленые базальтовые волокна

Тормозные колодки, армированные рублеными базальтовыми волокнами

Диски сцепления, армированные рублеными базальтовыми волокнами

Рубленные базальтовые волокна являются лучшим материалом для армирования тормозных и фрикционных накладок, имеют хороший фрикционный контакт с металлом.

Материалы из БВ для изготовления уплотняющих термостойких прокладок двигателя и глушителей

Прокладки для автомобильного двигателя на основе базальтовых волокон

Базальтовые волокна являются заменителями канцерогенных материалов из асбестовых волокон, из которых изготавливали термостойкие прокладки для автомобилей.

Корд для автомобильных покрышек

Автопокрышки с кордом из БНВ

Базальтовые ровинги, крученые нити, ленты являются отличными материалами для корда автомобильных покрышек, так как обладают высокой прочностью на разрыв, не вытягиваются под действием нагрузок, выдерживают долговременные знакопеременные нагрузки.

Антикоррозионные покрытия на основе базальтовой чешуи

Перспективно применение базальтовой чешуи для антикоррозионных и защитных покрытий днищ автомобилей.

Базальтовый чешуйчатый материал представляет собой элементарные чешуйки толщиной до 3 микрон и площадью 1–3 мм².

Базальтовая чешуя в составе лакокрасочных покрытий (ЛКП) обеспечивает их армирование, существенное (в разы) повышение прочности и химической стойкости.

Уже накоплен многолетний опыт применения лакокрасочных покрытий, армированных базальтовой чешуей, в судостроении для покраски подводной и надводной частей судов и в химической промышленности. При этом базальтовая чешуя обеспечивает высокие механические характеристики покрытий: прочность и износостойкость, а также надежную защиту металла от воздействия солей, кислот, щелочей и других агрессивных сред.

Заключение

К настоящему времени накоплен опыт применения материалов из базальтовых непрерывных волокон в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей — авиации, судостроении, вагоностроении, химической промышленности. Возможности широкого применения БНВ в автомобилестроении в последние годы существенно расширились, что связано с рядом факторов:

• БНВ и материалы из БНВ обладают рядом достаточно высоких эксплуатационных характеристик;
• технологические разработки последних лет позволили обеспечить себестоимость производства БНВ ниже себестоимости производства стекловолокна [2];
• созданы крупные заводы — производители БНВ. При этом объемы промышленного производства БНВ увеличиваются с каждым годом по законам
• арифметической прогрессии;
• БНВ имеют наилучшее соотношение показателя «цена и качество»
• по сравнению с другими типами непрерывных волокон (таблица 4).

Список литературы

1. Волокнистые материалы из базальтов Украины: сб. статей. — Киев: Техника, 1971. — 88 с.
2. Оснос М.С., Оснос С.П. Базальтовые непрерывные волокна — основа создания промышленных производств и широкого применения армирующих и композитных материалов // Композитный мир. — 2019. — №1 (82). — С. 58–65.

Статья была опубликована в журнале «Композитный мир», номер 1 (88) 2020

BASALT FIBER & COMPOSITE MATERIALS TECHNOLOGY DEVELOPMENT

BASTECH has been specifically set up to develop Continuous Basalt Fibre technology worldwide and will provide full EPC services for latest generation CBF and downstream composites plants and will support them throughout the operation including raw materials supply and product off take. BASTECH has a technological team with CBF manufacturing experience of more than 20 years and owns and operates Basalt downstream plant in the UK.

Technology

Continuous Basalt Fibre (CBF) is a relatively young, but very promising material

At the present time, just a handful of countries in the world, including Russia, Ukraine and China produce around 15k tons of CBF per year. Market demand by 2025 is calculated to be 200,000 tons per year. Basalt fibre is superior to glass fibre, in terms of thermal stability, heat, sound and electrical insulation, resistance to fire, corrosive chemicals, radiative quality, anti vibration and overall durability while at the same time being environmentally friendly. Continuous Basalt Fibre (CBF) — a product produced by a single step extraction from molten basaltic rock without the use of any chemicals. Basalt Rock is a single-component resource of natural origin; it is an ecologically clean raw material ideal for the production of CBF. World reserves of basaltic rock are endless and cheap, adding less than 5% to the cost of production.

Basalt fibre, because of its technical and economic characteristics, will replace the market share now occupied by both expensive carbon fibre products and those of ecologically harmful glass fibre.
Stronger | Cheaper | Environmentally friendlier

Manufacturing

The process requires the conversion of volcanic rock using extremely high temperature into finely extruded continuous fibre — a highly complex process that has been developed, tested and matured over several decades.

Sustainable

The fibre is manufactured directly from basalt rock in a single-melt process, and comprises only a single raw material.

Environmentally Friendly

There are no hazardous chemical additives unlike the production of high quality fibreglass which requires the addition of oxide boron (B2O3).

Energy Efficient

The production process is completely sustainable, with a low energy requirement – only 5kWh/kg of electricity – and low fabrication costs.

BASALT FIBER & COMPOSITE MATERIALS TECHNOLOGY DEVELOPMENT

Basalt yarn textile

Machines for the Production of Rebars and Reinforcing Meshes

• About us
• Production
  • BASALT ROVING
  • BASALT FIBER
  • Filament Winding
  • Basalt rebar
  • REINFORCING MESH
  • Basalt FRP Stirrups
  • Machines for the Production of Rebars and Reinforcing Meshes
  • Continuous basalt fiber production
• Application
• News
• Partners
• Contact us

• ENG
• RUS
• ARM

Basalt Fiber/Chopped Strands — short extracts of basalt fiber, applied in the reinforcement of binding mixtures. Chopped strands are produced from roving, which is chopped at special choppers.

Basalt fiber is resistant to chemicals. In comparison with metallic fiber, basalt fiber is resistant to corrosion, it increases the ductility of concrete structures and eliminates micro cracks.

Parameters of Chopped Strands:

_ Color — dark-olive;

_ Odor — inodorous;

_ Monofilament diameter — 13-22 µ;

_ Chop length — 5-90 mm;

_ Operation temperature — from -200 to +900 ° C;

_ Humidity- not more than 0.1- 8.0%;

_ Type of sizing – different, depending on the further processing;

_ Packing — polypropylene bags;

_ Packing weight — 10, 20, 500 kg as customer requested

Characteristics of Basalt Fiber:

. High strength and durability;

BASALT FIBER & COMPOSITE MATERIALS TECHNOLOGY DEVELOPMENT

Condensed info from Composites Technology/Composites World, August 2006
Original article written/compiled by Anne Ross.

As it’s possible that many readers have heard little of BASALT fibers, I thought it worth editing down this article to underline its highlites

. mike waters 2012, updated 2017

Basalt Fibers: a new alternative to Glass?

As a high-temperature performer with superior strength properties, this late-comer may be a better choice in some composite applications.

Basalt is a dense rock produced under intense volcanic heat, and it can be found in most countries across the globe. For many years, basalt has been used in casting processes to make tiles and slabs for architectural applications. Cast basalt liners for steel tubing already exhibit very high abrasion resistance in industrial applications. In crushed form, basalt also finds use as aggregate in concrete.

But more recently, continuous fibers extruded from naturally fire-resistant basalt have been investigated as a replacement for asbestos fibers in almost all of its applications. Since about 2000, basalt has also emerged as a contender in the fiber reinforcement of composites. Proponents of this late-comer claim their products offer performance similar to S-2 glass fibers at a price between S-2 glass and E-glass, and in some applications, offer manufacturers a less-expensive alternative to carbon fiber for products in which the latter might be ‘over-engineered’.

EARLY BASALT FIBERS

Paul Dhé from Paris, France, was the first with the idea to extrude fibers from basalt. He was granted a U.S. patent in 1923. Around 1960, both the U.S. and the former Soviet Union (USSR) also began to investigate basalt fiber applications, particularly for military hardware, such as missiles.

Extrudability of basalt was later investigated in the northwestern U.S., where large basalt formations are concentrated. Owens Corning and several other glass companies conducted independent research programs which resulted in several U.S. patents. But around 1970, the U.S. glass companies abandoned basalt fiber research for strategies that favored their core product. The result was a better glass fiber, including successful development of S-2 glass fiber by Owens Corning.

During the same period, research in Eastern Europe was nationalized by the USSR’s Defense Ministry and concentrated in Kyiv, Ukraine, where technology was subsequently developed in some secret. After the breakup of the Soviet Union in 1991, the results of Soviet research were declassified and finally made available for civilian applications.

Today, basalt fiber research, production and most marketing efforts are based in countries once aligned with the Soviet bloc. Companies currently involved in production and marketing include:

Kamenny Vek (Dubna, Russia)

Technobasalt (Kyiv, Ukraine)

Hengdian Group Shanghai Russia

Gold Basalt Fibre Co. (Shanghai, China)

OJSC Research Institute Glassplastics

Fiber (Bucha, Ukraine)

Basaltex, a division of Masureel Holding (Wevelgem, Belgium)

Sudaglass Fiber Technology Inc. (Houston, Texas)

GLASS vs. BASALT

Basalt fiber is produced in a continuous process similar in many respects to that used to make glass fibers. In one way, the process is simpler because the basalt fiber has a less complex composition. Glass is typically 50 percent silica sand in combination with oxides of boron, aluminum and/or several other minerals—materials that must be fed independently into a metering system before entering the furnace. Unlike glass, basalt fibers feature no secondary materials so the process requires only a single feed line to carry crushed basalt rock into the melt furnace.

But negatively, basalt fiber manufacturers have less direct control over the purity and consistency of the raw basalt rock. While basalt and glass are both silicates, molten glass when cooled forms a noncrystalline solid. However, Basalt has a crystalline structure that varies based on the specific conditions during the lava flow at each geographical location. Moreover, the rate of cooling at the earth’s surface, also influenced the crystal structure.

So although potentially available from mines and open-air quarries around the world, only a few dozen locations contain basalt that has been analyzed and qualified as suitable for manufacture of continuous thin filaments. It’s largely recognized that basalt formations in the Ukraine are particularly well suited to fiber processing, with a nearby backup supply from Russia. But manufacturers prefer to use material from a single source to avoid most of the uncontrollable variables.

ROCK TO FIBER

The crushed basalt is furnace liquefied at a temperature of 1500°C/2732°F (glass melt point varies between 1400°C and 1600°C). But with basalt absorbing rather than transmitting infrared energy, it is more difficult to uniformly heat the entire basalt mix so basalt producers have employed several strategies to promote uniform heating.

Like glass filaments, basalt filaments are formed by platinum-rhodium bushings. As they cool, a sizing agent is applied and the filaments are moved to speed-controlled fiber stretching equipment and then on to winding equipment, where the fiber is spooled.

Because the basalt filament is more abrasive than glass, special bushings had to be developed to avoid frequent refurbishing.

GLASS FIBER vs. BASALT FIBER

On balance, the above differences lead to operating costs that exceed those for processing E-glass fiber, but it’s claimed that the product clearly outperforms E-glass in most composites. In chopped mat, roving and unidirectional fabric forms, basalt fibers exhibit a higher breaking load and higher Young’s modulus (a measure of the stiffness of a given material) than E-glass. In a study of basalt fibers and E-glass fibers conducted at the Composites Dept. of the University of Leuven in Belgium, unidirectional (prepreg) samples were produced, and the study reports that although each sample had a similar fiber volume fraction of 40 percent, the basalt/epoxy sample’s strength tested 13.7 percent higher than that of the E-glass and exhibited 17.5 percent greater stiffness, although the basalt sample was 3.6 percent heavier. [Ed: Other tests have shown basalt fibers to be about 2-3% heavier than E-glass and 5-6% heavier than S-glass so this needs to be factored in.]

Additionally though, basalt fibers are naturally resistant to ultraviolet (UV) and high-energy electromagnetic radiation, they maintain their properties in cold temperatures, and provides better acid resistance. Reportedly, since basalt is the product of volcanic activity, the fiberization process is more environmentally safe than that of glass fiber. (The «greenhouse» gases that might otherwise be released during fiber processing, were vented millions of years ago during the magma eruption). Further, basalt is 100 percent inert, so it has no toxic reaction with air or water, and is noncombustible and explosion proof.

FIBER TO FABRIC

Once producers mastered fiber manufacture, they faced additional challenges as the product was converted to useful reinforcement forms. Early on, it was found that woven basalt fabrics straight from a weaver’s loom were fragile and easily damaged when sharply folded or bent, and were irritating to the skin. To make the product more stable, a combination of sizing and refined production techniques minimizes damage and enables basalt fiber manufacturers to produce strong fibers that can be braided and woven without inhibiting performance.

While basalt fiber is still not widely used, it is slowly making its way into the hand of consumers. At price points that vary between S-glass ($5/lb to $7/lb) and E-glass ($0.75/lb to $1.25/lb), basalt fibers have properties more akin to S-glass. A common use is in the fire protection sector because of its high melt-point. Fire-blocking tests show results more similar to a metal fabric … merely turning red to a hot torch that would pierce glass in a matter of seconds.

This burn resistance has earned basalt fiber a role as an asbestos replacement in friction applications such as composite brake pads, because it does not soften at elevated temperatures nor deposit on the brake disc or drum.

Continuous basalt fibers are now in use as reinforcement in more conventional composite structures. Basalt fibers reportedly wet out easily and therefore enable fast resin impregnation, making them suitable for resin transfer molding, infusion molding and pultrusion. So the overall claim is that «All products made with glass fiber can be made using basalt.»

PROTOTYPE TO PRODUCTION

Here are some of the activities and use of basalt as per 2006.

Ahlstrom (Finland), has supplied biaxial basalt fabrics for testing in wind turbine blade laminates as basalt fiber laminates have a 15 percent higher modulus and 25 percent higher tensile strength over E-glass.
Original equipment manufacturers (OEMs) are beginning to investigate basalt fiber products for consumer goods as well. Gitzo SA (France), sells professional carbon fiber tripods and heads, but now has basalt tripods and monopods. Basalt tripod legs are roughly 20 percent lighter than aluminum legs and better at damping vibration.

Mervin Manu (Seattle. WA) currently makes two different snowboard models that incorporate a basalt fabric instead of the traditional fiberglass commonly used. The boards contain a proprietary wooden core with a basalt fiber lining on each side that results in lighter, stiffer snowboards. Such a board was first on exhibit at the 2005 JEC Composites Show.

In the automotive industry, Azdel Inc., GE Advanced Materials and glass-fiber producer PPG Industries, developed VolcaLite, a thermoformable composite that combines polypropylene (PP) and long chopped basalt fiber. The company claims that the basalt/PP system offers acoustic absorption properties, low coefficient of thermal expansion (CTE), and a high strength-to-weight ratio, providing good ductility. Although initially targeted for auto headliners, (made 50 percent thinner than conventional systems), there are clearly many other applications for this.

Technical Fibre Products Ltd. has taken chopped basalt fibers and made fine gauze nonwoven veils. as well as laminated and thermoformed automotive components. Johns Manville Europe has also produced wet-layed basalt veils.

Basalt fiber is becoming a contender in infrastructure applications as well. Sudaglass (Texas) produces several products from basalt fiber, including concrete reinforcement rods. Pultruded from unidirectional basalt fiber, the rods are reportedly 89 percent lighter than steel reinforcement rods, have the same coefficient of thermal expansion as concrete and are less susceptible to degradation in an alkaline environment. The company claims that 1 ton of basalt rods can provide reinforcement equal to 4 tons of steel rods.

As commercialization continues, consistent fiber supply looks more promising. For example, Kamenny Vek in Russia, was looking to turn out 30,000 metric tonnes (66 million lb) per annum by 2009.

See also: en.wikipedia.org/wiki/Basalt_fiber Gives interesting comparison table with better known materials

[Ed: looks like samples could be better shaped (more waisted) to suit limited holding power of clamps]

2017 UPDATE

A 2016 Conference was held in Portugal on Material Fractures, and included some interesting papers on the Mechanical Properties and Behavior of Basalt which is still very much of interest for future composite construction, as when combined with new ‘green’ resins, can open up a future using composite materials that can be less contaminating. Here is the link: https://www.sciencedirect.com/science/article

«New articles, comments and references will be added periodically as new questions are answered and other info comes in relative to this subject, so you’re invited to revisit and participate.» —webmaster

«See the Copyright Information & Legal Disclaimer page for copyright info and use of ANY part of this text or article»

Источники:

http://compositeworld.ru/articles/app/id602f754847add2001217dfdd

http://basalt.tech/

http://armbas.com/eng/products/BASALT-FIBER

http://smalltridesign.com/Trimaran-Articles/Materials/basalt-fiber.html