Николай Жаворонков - Создано человеком
Причем успехи в производстве таких материалов больше будут зависеть от размеров капиталовложений в модернизацию оборудования и совершенствование технологии, чем от самих научных достижений. Потому что, как я уже не раз говорил на страницах этой книги, возможность управления свойствами металлов, а они по-прежнему остаются среди всех видов основной, ведущей труппой материалов, зависит от наших знаний их внутренней структуры и химического состава. А для исследований последних нужна соответствующая аппаратура, оборудование.
Обычно металлы состоят из зерен, сложенных, в свою очередь, из микроскопических кристалликов, внутри которых атомы, удаленные один от другого на определенное расстояние, расположенные в неповторимом характерном порядке, разном для разных металлов. Хотя все зерна имеют правильную кристаллическую структуру, сами они отнюдь не всегда обладают установленной формой.
Например, если при образовании сплава из жидкого металла соседние кристаллы воздействуют один на другой, форма поверхности зерна почти всегда оказывается неправильной.
Но примеси в металлах имеют тенденцию группироваться на стыках зерен, именно поэтому направленной кристаллизацией жидкого сплава можно придать структуре металла анизотропный характер - его свойства станут в разных направлениях удивительно разными. Именно такое "конструирование" металла открывает возможность машиностроителям упрочнять детали, испытывающие наибольшую нагрузку в нужных местах.
Кристаллизованные сплавы в виде единого монокристалла применяются сегодня для создания лопаток га.ювых турбин. Полное отсутствие пограничных слоев зерен в таких материалах делает их практически бездефектными, а значит и резко повышает качество турбин. Более того, чтобы надежно защитить от коррозии детали турбин, сделанных из монокристаллов, были разработаны специальные покрытия. Срок эксперимента, а первые работы в науке и технике всегда рассматриваются как опытные, подходит сегодня к концу, и достоинства предложенных к широкому внедрению сплавов не вызывают сомнения.
Таковы некоторые выводы относительно использования в будущем металлов старых надежных материалов, присущих человеческой цивилизации. Уже сегодня очевидны и заманчивые возможности высокопрочных сталей. Они повысят свои столь ценимые наукой и техникой качества за счет легирующих (то есть придающих определенные физико-химические или механические свойства) добавок, последующей прокатки и закалки.
Полученный таким образом металл имеет мелкозернистую структуру и соответственно более высокую прочность. Скажем, класс высокопрочных сталей, так называемой двойной структуры, сочетает в себе ковкость и технологичность более мягких низкоуглеродистых сталей и прочность, свойственную только высокоуглеродистой инструментальной стали.
Думаю, что на смену многим, успешно используемым сегодня в науке и технике материалам, придут и так называемые стекловидные металлы. Дело в том, что хотя обычные металлы представляют собой кристаллические структуры, некоторые сплавы обладают уникальной способностью при очень быстром охлаждении (от 100 тысяч градусов до 1 тысячи градусов Цельсия в секунду) превращаться в некристаллические, аморфные структуры.
Главным образом это материалы на основе железа, кобальта, никеля. Они способны затвердевать в стекловидной форме в виде лент шириной семь-восемь сантиметров и толщиной в доли миллиметра. Магниты из стекловидных металлов отличаются высокой механической прочностью, а энергетические потери таких материалов во время цикла намагничивания чрезвычайно низки.
Эта удивительная комбинация свойств делает стекловидные металлы серьезными конкурентами железокремниевых сплавов, используемых сегодня для производства сердечников в трансформаторах, применяющихся на лиN ниях электропередачи высокого напряжения. Американские ученые подсчитали, что переход на трансформаторные сердечники из стекловидного металла мог бы сэкономить количество электроэнергии, эквивалентное 954 миллионам литров нефти в год.
Но хотя замена всего парка ныне работающих на линиях электропередачи высокого напряжения трансформаторов из стекловидных металлов сулила бы колоссальную экономию, ни одной стране в мире подобное мероприятие сегодня не по силам: слишком уж трудоемка и дорога эта процедура. Те же американские ученые считают посильным и разумным гораздо более умеренные темпы ее осуществления: за год можно обновлять десятую часть всего установленного парка трансформаторов.
Если учесть, что стекловидные металлы отлично противостоят коррозии, то и такое вроде бы замедленное его внедрение способно окупить затраты, связанные с проведением необходимых работ.
Среди новых конструкционных материалов, все решительней меняющих судьбу и характер главнейших приоритетных направлений научно-технического прогресса, лидерами по-прежнему остаются (и, безусловно, останутся на ближайшую перспективу) титан, гафний, цирконий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам.
Самое большое распространение на сегодняшний день получил титан. И хотя о его достоинствах и применении я уже рассказывал довольно подробно, включая и нелегкую историю открытия, должен вновь обратиться к его удивительным качествам. Дело в том, что из этого на редкость коррозионноустойчивого металла сегодня изготавливают рабочие лопатки низконапорных паровых турбин, титановые детали широко используются в химических реакторах. И он же остается неизменным лидером среди конструкционных материалов, применяемых в авиации. И хотя титан по содержанию в земной коре один из самых распространенных металлов (после алюминия, железа, магния), высочайший спрос на него на международном рынке требует серьезных напряжений всех мировых титанопроизводящих мощностей.
Цирконий и гафний - два металла, нашедшие в наши дни самое широкое распространение в атомной энергетике. Секрет циркония в том, что он обладает крайие низкой нейтроннопоглощающей способностью. Другими словами, он спокойно пропускает нейтроны, поддерживающие процесс атомного расщепления. К тому же цирконий наделен природой высочайшей антикоррозийной стойкостью в высокотемпературной воде.
Его "партнер" гафнии - тоже высококоррозионный металл, но в отличие от циркония превосходно поглощает нейтроны. Вот почему он, по существу, идеальный материал для изготовления штанг управления ТВЭЛами (тепловыделяющими элементами) в легководных атомных реакторах.
Ниобий и тантал, молибден и вольфрам - материалы будущего. Вероятнее всего, что, помимо широкого их применения в ракетостроении и при создании космических кораблей, они найдут самое широкое распространение в производстве горячих штампов и химического оборудования.
Конечно, этот своеобразный парад материалов, претендующих на роль лидера в ближайшей перспективе материаловедения, можно было бы продолжать довольно долго. Рискну все же прервать его для очень важного, на мой взгляд, отступления, суть которого сводится к следующему: не ошибаются ли ученые, называя среди материалов, которым предстоит трудиться на нужды науки и промышленности XXI века, те из них, что и сейчас имеют самое широкое распространение?
Думаю, что нет, не ошибаются. Хотя поверить в это действительно нелегко. Недаром мой старый друг, прочитав рукопись этой книги, несказанно удивился, узнав, что дерево - старый верный материал, известный людям, как говорится, испокон веков - отнесен в ней в разряд перспективных. Какой же он перспективный, если из него еще наши предки рубили дома, строили корабли, гнали живицу, жгли уголь?
Все верно, так оно и есть. Но одно другому не помеха. И скажи кто-то в свое время нашим прапрадедам, что придет пора, и дерево обернется материалом прочным, как сталь, тяжелым, как камень, не будет гореть в огне и мгновенно пойдет ко дну, если окажется в воде - ни за что бы не поверили. Между тем, все эти удивительные свойства не выдумка, не вымысел фантастов. Древесина с совершенно не свойственными ей от природы качествами существует и применяется с самыми различными целями и назначениями.
Это новый, весьма перспективный материал. Сегодня естественный, природный композиционный материал - древесина - стал основой великого множества конструкционных материалов. И чем еще он нас порадует, покажет будущее.
Так что новым материал называется отнюдь не потому, что он недавно открыт, создан, синтезирован. Новым, перспективным его делают качества, обнаруженные в нем учеными в процессе решения какой-то научной или практической задачи или специально созданные в нем, запрограммированные с какой-то целью неизвестные доселе свойства. Вспомните-ка общеизвестные крылатые выражения: твердый, как кремень; не человек - кремень. Твердость решений, непоколебимость характера, упорство в достижении цели ассоциируются в нашем представлении со словами "как кремень".
