Николай Жаворонков - Создано человеком
Эту зависимость еще в 1926 году А. П. Александров и С. Н. Журков установили для стеклянных нитей: оказалось, что нить диаметром 22 микрона имеет прочность 22 кг/мм2, а диаметром 2,5 микрона уже 560 кг/мм2.
Уменьшение диаметра стеклянных нитей с 22 до 2,5 микрона давало 25-кратное увеличение прочности! Результаты исследований были опубликованы в 1933 году в монографии А. П. Александрова и С. Н. Журкова "Явление хрупкого разрыва". И уже в наши дни была разработана и экспериментально подтверждена теория прочности и пластичности кристаллических тел, связывающих их с движением линейных дефектов - дислокаций.
Дислокации очень подвижны. Собственно, пластическое течение кристаллических структур и осуществляется в результате скольжения дислокаций. При этом движение дислокаций (и соответственно деформация пластичных кристаллов) происходит при значительно меньших напряжениях, чем их теоретическая прочность.
Именно поэтому проблема упрочения металлов и сводится к созданию условий, затрудняющих движение дислокаций и повышающих предельные напряжения, при которых дислокации начинают скользить. Такого эффекта можно достичь в термически упрочненных сплавах, когда после закалки образуется огромное количество мельчайших частичек. Они взаимодействуют с дислокациями и повышают напряжение, при котором дислокации приходит в движение.
В высокопрочных алюминиевых сплавах с цинком и магнием упрочнение вызывается образованиями, представляющими собой начальную стадию образования соединения алюмптыя, магния, цинка. Эти мелкие частички тормозят движение дислокаций, и прочность сплава повышается.
Аналогичная картина наблюдается и в сталях, магниевых и медных сплавах, когда прочность обусловлена мерой торможения движения дислокаций. Однако все эти способы не могут обеспечить заметного приближения к теоретической прочности. Оно может быть достигнуто лишь принципиально другим путем - не торможением движения дислокаций, а их устранением, созданием бездислокационной структуры.
Как показали еще опыты А. П. Александрова и С. Н. Журкова, при уменьшении диаметра испытываемых нитей (вплоть до самого малого диаметра) прочность существенно повышается. Следовательно, реальное появление бездислокацпонной структуры и соответствующее повышение прочности может быть получено только п случае очень малого поперечного сечения -- волокон, нитей, игл.
Современная техника сумела создать волокна, объединившие в себе высокие прочность, модуль упругости п сравнительно небольшой удельный вес. Это волокна бора, углерода, окиси алюминия и карбида кремния. Конечно, такие волокна получить трудно, но вполне реально. Например, осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора на нагретую вольфрамовую проволоку диаметром 12,5 микрона.
Для повышения термостойкости и лучшей связи с материалом матрицы тем же способом на поверхность борного волокна наносят тонкий слой (2-6 микронов) карбида кремния или карбида бора.
Однако не стоит предвосхищать события: ожидаемый эффект может и не состояться, "смазаться" различного рода включениями, трещинами, пустотами в крупных кристаллах, устранение которых чрезвычайно сложная задача. Есть у борных волокон, с точки зрения специалистов, и еще один серьезный недостаток: при их создании используют в качестве подложки (или, как говорят, керна) вольфрамовую проволоку. А вольфрам дорог и тяжел. Вот почему ученые так настойчиво решали проблему замены вольфрамовой проволоки менее дорогой, а главное, более легкой подложкой в виде углеродных волокон.
Сегодня борные волокна с использованием керна из углеродных волокон реальность. Причем сами углеродные волокна могут быть разных свойств и достоинств. Это зависит от качества сырья, из которого волокна производились, от условий их получения и, наконец, от дополнительных обработок, которым они подвергались. Существуют разновидности углеродных волокон, отличающиеся более высоким модулем упругости при несколько меньшей прочности и более высокой прочностью при сниженном модуле упругости.
Но тому, кто интересуется проблемами материаловедения и созданием композитов, наверняка уже встречался термин "никалон". Пришел он в научно-популярную литературу из Японии, где освоено массовое производство бескерновых волокон карбида кремния. Их-то и назвали никалоном. Волокна эти отличаются малой плотностью, высокими механическими характеристиками, низким химическим взаимодействием со многими материалами. Свойства волокон никалона практически не меняются в интервале температур от абсолютного нуля до плюс 500 градусов Цельсия. А это значит, что на его основе может быть создан высокопрочный материал, успешно работающий во всем этом огромном температурном интервале.
В США и Западной Европе проявляют повышенный интерес не только к никалону, но и к другим типам высокопрочных волокон малой плотности, стеклянным волокнам и к коротким волокнам (так называемым нитевидным кристаллам) карбида кремния и окиси алюминия.
Но от волокна, обладающего даже суперкачествами, до конструкционного материала еще долгий и нелегкий путь. Сначала их нужно превратить в полуфабрикаты - плиты, листы, профили. Для чего волокно необходимо связать матрицей, которая может быть полимерной или металлической. Добиваются этого по-разному - спеканием, полимеризацией, погружением в жидкий металл (с последующим затвердением его).
В качестве полимерной матрицы обычно используются синтетические смолы, а металлической - алюминиевые сплавы. Применяются также магниевые, титановые и никелевые сплавы. И получают в конце концов композиционный материал, в котором сочетаются лучшие свойства упрочняющих волокон и матриц.
Такое сочетание металлических и полимерных компонентов открывает ученым и практикам не только широкие возможности варьирования эксплуатационных свойств, но и разработки принципиально новых материалов, обладающих уникальным комплексом характеристик.
Взять хотя бы слоистый материал алор, представляющий собой сочетание алюминиевых сплавов с органопластикой. В зависимости от состава, структуры и метода изготовления его прочность может составлять от 45-55 до 70-85 кг/мм2. Применение алоров гарантирует снижение плотности на 10-20 процентов, повышение его удельной прочности на 15-20 процентов и уменьшение скорости роста усталостной трещины в 10 раз по сравнению с аналогичными характеристиками традиционных алюминиевых сплавов. Стоит ли говорить, что качественный скачок в повышении эксплуатационных характеристик композиционных материалов находится в прямой зависимости от того, как скоро будет поставлено "на поток" пространственное армирование упрочняющими волокнами.
Вот почему создание композиционных материалов в наши дни становится все более важнейшей задачей науки и производства, настойчиво совершенствуются свойства волокон, расширяются масштабы и методы их производства. Возникла даже специальная наука, занимающаяся расчетами и конструированием деталей из композиционных материалов. За рубежом, например, функционируют десятки фирм, в том числе и многонациональных, специализирующихся на производстве волокон и композиционных материалов.
Успехи в повышении качеств волокон поразительные.
Так, прочность углеродных волокон в опытном производстве уже достигла рубежа 500-700 кг/мм2 (330-540 километров), а модуль упругости 50000-80000 кг/мм2 (57000 километров). А действующая в Японии общенациональная восьмилетняя программа (1981 -1989 гг.)
под научным руководством профессора Хаяси предусматривает к 1989 году взятие "барьера" прочности металлических композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов и непрерывных волокон карбида кремния порядка 235 кг/мм2 (100 километров). Материалы этого типа сегодня с успехом применяют, например, в Японии, гарантируя высочайшую надежность продукции машинои приборостроения.
Тенденция широчайшего проникновения композиционных материалов в промышленность прослеживается повселестпо. Так, в самолетостроении в ближайшем будущем пх доля составит 40 процентов от веса конструкции.
И нет никаких сомнений в том, что композиционные материалы, по существу, совершают сегодня настоящую техническую революцию.
Убедиться в этом нетрудно. Достаточно сопоставить максимальную удельную прочность традиционных материалов, стали, алюминиевых, магниевых, титановых сплавов (она не превышает 25-30 километров), с перспективными композиционными материалами (здесь иной показатель - 100 километров). Удельный модуль упругости всех материалов (за исключением бериллия), как мы уже знаем, 2400-2600 километров, а лучших металлических композиционных материалов - 10000 километров.
Все эти качества композиционных материалов открывают конструкторам возможность искать и находить новые невиданные решения, нередко ломающие традиционные представления о возможностях техники вообще. Так, создание американскими специалистами сверхзвукового самолета с обратной стреловидностью, направленной вперед (так называемая схема утки), а не назад, как в обычных сверхзвуковых самолетах, стало реальностью лишь благодаря использованию именно таких уникальных композитов. Схема утки перспективнейшее конструкторское решение, если, конечно, крылья модели будут обладать высочайшей жесткостью. Такую жесткость обеспечивают конструкции самолета композиционные материалы, и ни один традиционный металлический сплав здесь им не конкурент. Потому что только композиционные материалы обладают исключительно высокой усталостной прочностью, а процесс развития усталостных трещин происходит в них в сто раз медленнее, чем в материалах традиционных.
