Сверхматериалы

Инженеры, конструкторы, технологи непрерывно повышают требования к металлам и их сплавам, из которых изготовляются самолеты, ракеты, турбины, станки, автоматические линии - одним словом, все то, чем может гордиться современная техника. Их растущая требовательность понятна... Полетит ли сверхдальний самолет, запустят ли новый космический корабль, построят ли сверхсильный пресс - успех во многом зависит от достижений материаловедения.

Первым пунктом в списке предъявляемых требований значится прочность. За последние полвека она выросла примерно в 8-10 раз и достигла в среднем 3×10⁸ Н/м². Особые высокопрочные стали достигли уровня 1,5×10⁹ Н/м². Так значительно продвинуться вперед удалось благодаря легированию и термомеханической обработке.

В последнее время этот уровень был превзойден - 3×10⁹ Н/м². Однако материалы с такой прочностью применяют редко и только в уникальных устройствах. Дело в том, что самая прочная сталь очень чувствительна к концентрации напряжений, недостаточно вынослива и к тому же дорога. А массовому производству нужны "некапризные" материалы, которые работали бы также надежно, как рядовые металлы, и стоили бы не дороже.

Еще менее доступный материал для повседневной практики - так называемые усы, нитевидные кристаллы некоторых веществ. Их прочность близка к теоретической и на сегодня рекордная. Объясняется это совершенством молекулярной постройки усов, кристаллическая решетка которых не имеет каких-либо нарушений, или, как говорят специалисты, дислокаций: действию внешних сил одновременно противостоит большое число атомов.

Усы пока имеют небольшие размеры: диаметр не превышает нескольких микрон, редко достигает десяти, а длина - не больше 20 мкм. Именно поэтому нитевидные кристаллы находят очень незначительное применение в основном в приборах в качестве вечных подвесок или пружин.

Если первый пункт в списке требований - прочность, то второй - жаропрочность. Здесь также дело обстоит неблагополучно. Современные сплавы и металлы работают на пределе своих возможностей. Скажем, железо плавится примерно при 1800 К. Требование промышленности: работать при 1500-1600 К. Казалось бы, вполне приемлемые условия... Но не следует забывать про нагрузку. Расплавленное железо течет само по себе под действием собственного веса. Значит, если заставить металлическую деталь работать под нагрузкой, то она "размягчится" задолго до температуры плавления.

Рядовые жаропрочные стали не могут трудиться при температуре свыше 1000 К. Сплавы никеля и кобальта, наиболее стойкие к жаре, выдерживают температуру до 1300-1350 К. Для некоторых экспериментальных сплавов предел 1400 К. Причем продолжительность их противостояния такой температуре всего 50-100 ч. А техника уже сейчас требует большей выносливости. В скором же времени, например, появятся двигатели, у которых газы при входе в турбину будут нагреты до 1600-1700 К.

Список требований к материалу не ограничивается двумя пунктами. В нем числится стойкость к глубокому холоду, высокому давлению, вакууму, агрессивным средам. Причем в подавляющем большинстве случаев внешние воздействия на материалы проявляются не в одиночку, а совместно, в определенных сочетаниях. Например, высокая нагрузка и сильный нагрев, сильный нагрев и агрессивная среда и т.д. Авиастроители не случайно нуждаются в металле, который должен иметь набор определенных качеств: высокую удельную прочность и высокую удельную жесткость, безразличие по отношению к тысячеградусной жаре, коррозии и абразии, большую выносливость - работать десятки тысяч часов...

Таким образом, окончательное требование современной техники формулируется так: нужны материалы со свойствами, часто трудно совместимыми, но в любом случае превосходящими уровень, достигнутый на сегодня.

Анализируя сложившуюся ситуацию, ученые приходят к выводу, что выполнить такой "заказ" традиционными способами невозможно. Поэтому инженеры и конструкторы возлагают большие надежды на композиционные материалы, появление которых они считают наиболее крупным событием в области материаловедения за последние 10 лет.

...Почему так прочен бамбук? Потому что он - композиция мягкого и твердого. Мягкое - целлюлоза, твердое - окись кремния. У древесины и костей человека - одно и то же сочетание: в древесине прочные волокна целлюлозы залиты лигнином, у костей - жесткий каркас и мягкая соединительная ткань.

Человек давно определил способ, каким природа достигает большой прочности, и стал использовать его. Древние народы Южной Америки добавляли в свои керамические изделия растительные волокна. Это- не давало глине растрескиваться во время сушки на солнце. Египтяне при изготовлении кирпичей опускали в исходную массу рубленую солому. В Вавилоне для тех же целей использовали тростник. В Древней Греции нежные мраморные колонны укрепляли железными прутьями. При постройке в Москве храма Василия Блаженного русские мастера Постник и Барма имели в своем распоряжении каменные плиты, упрочненные железными полосами. Строители XX в. изобрели железобетон, также композиционный материал. Бетон работает на сжатие, а стальная арматура - на растяжение. В результате - широко применяемый строительный материал.

Сегодня класс композитов чрезвычайно разнообразен. В него входят многие десятки материалов, образованных различными сочетаниями: "металл-металл", "металл-металлоид", "металл-соединение", "соединение-соединение". Но в любом случае один из двух участников - мягкий и пластичный, а другой - жесткий и прочный. Первый - это матрица, которая необходима для объединения, связывания армирующего компонента и защиты его от повреждений, а также для придания всей композиции нужной формы. Пластичная матрица сообщает композиту гибкость и передает армирующим элементам приложенные нагрузки. А те, в свою очередь, задерживают распространение трещин и тем самым повышают общую прочность.

Матрицей в композитах могут быть различные металлы и сплавы, полимеры, керамика. Упрочнителями служат кристаллические нити, металлические волокна, сетки из твердых и тугоплавких соединений, распыленные частицы.

...На барабан ряд за рядом наматываются стальные волокна. Затем барабан попадает в плазменную установку под горелку. Выше горелки находится кассета с алюминиевой проволокой. Следует электрический разряд - и алюминий превращается в пыль. Она оседает на стальных волокнах, заполняя промежутки между ними. Образуется лента, которая наматывается на валки. Изготовлен новый композиционный материал.

По внешнему виду это серебристая прозрачная лента. В ней видны стальные волокна, упрочняющие композицию. Лента мягкая, пластичная. Ее можно заложить в пресс и получить деталь нужной формы без последующей механической обработки. У нового композита, разработанного в Институте металлургии им. А. А. Байкова, удельный вес алюминия, а прочностные характеристики стали. Предел прочности - 1,8×10⁹ Н/м², у лучших алюминиевых сплавов он в 4,5 раза меньше.

Совершенный способ изготовления композитов создан в Физико-техническом институте Академии наук БССР. Предварительно обработанный пучок проволоки поступает в ванну с жидким металлом. После того как металл "окружит" каждое волокно, нити сходятся в узком отверстии кристаллизатора. В жаростойком графите, из которого сделан кристаллизатор, металл остывает. Композиция из двух металлов превосходит по своим свойствам каждый из них в отдельности.

Для создания композиционных материалов применяют методы порошковой металлургии, диффузионной сварки, сварки взрывом, электрохимии. Совсем недавно для тех же целей ученые решили использовать свойство металлов, известное под названием "сверхпластичкости". Оно означает, что при высоких температурах и при определенной обработке крепкий металл способен вытягиваться и становиться длиннее в сотни, а иногда и в тысячи раз. Так, например, хрупкий сплав на основе алюминия и кремния в условиях сверхпластичности удается превратить в фольгу толщиной в десятки микрон. При тех же условиях в этой фольге размещают волокна бора или стальную проволоку. Так рождается композит с редким сочетанием свойств, получить который другими способами невозможно. Сверхъявление создало сверхматериал.

Помимо композитов, сверхпластичность позволяет изготовлять из обычных металлов необычные изделия. Скажем, длинную иглу, вытянутую из размягченного металла; сплав, который не окисляется. Сверхпластичность соединяет металлы так, что место соединения невозможно обнаружить даже с помощью рентгена. И все же сегодня главная "заслуга" явления сверхпластичности - создание новых композитов.

К каким же результатам приводит -композиционное конструирование? В композите ВКА-1, созданном советскими учеными, основой служит алюминий. Упрочняют матрицу непрерывные волокна бора. По прочности и модулю упругости ВКА-1 в 2-3 раза превосходит лучшие алюминиевые сплавы. Из него можно изготовить усиливающие накладки, которые, охватив, например, лонжерон самолета, повысят его жесткость почти в 1,5 раза. Во столько же раз уменьшится вес лонжерона.

Композиционный материал ВКН-1 на никелевой основе. Армирующий элемент - вольфрамовые и молибденовые волокна. При 1370 К у композита длительная прочность в 2 раза выше, чем у никелевых жаропрочных сплавов. Это заслуга волокон, придающих композиции стойкость и невосприимчивость к высоким температурам.

Усы, как уже говорилось, пока не удается сделать длиннее нескольких десятков микрон. Однако волокна, у которых диаметр в 10 раз больше, чем у усов, "готовить" умеют. Волокна оказываются высокопрочными (хотя и не такими, как усы) и сколь угодно длинными. Если, например, изготовить нити из бора и в качестве матрицы использовать алюминий, получится легкий и прочный материал. Из него построили планер одногоиз современных самолетов: вес самолета снизился с 3960 до 2990 кг - на 23%. Для авиации, где уменьшить вес стараются любой ценой, это большое достижение.

Волокна можно сделать из углерода и армировать ими пластик. Новый композит - углепластик снизит вес транспортного самолета на 50%. Из него уже изготавливают лопасти винтов вертолета, лонжероны, хвостовое оперение... Появились, кстати, углепластиковые рыболовные удилища и теннисные ракетки.

Очень перспективно применение композитов в качестве подкрепляющих элементов. Они могут быть прослойками или накладками на панелях, кронштейнах, балках, которые изготовлены из традиционных металлов или сплавов. Скажем, лента из композиционного материала охватывает какие-то ответственные детали самолета, автоклавы, цистерны, баллоны высокого давления... Значит, их можно сделать более легкими, поскольку они стали более прочными: ведь внешнее армирование в 2 раза повышает прочность по сравнению с цельнометаллическими конструкциями. По предварительным подсчетам укрепление снаружи снижает вес конструкций на 25%.

Композиционный материал на никелевой основе, упрочненный тугоплавкими металлами, способен работать при температуре более 1600 К. Его хотели бы получить в свое распоряжение двигателисты, конструкторы энергоагрегатов. Ведь с его помощью удастся резко повысить рабочую температуру двигателей и тем самым их КПД, стало быть, снизится расход топлива и возрастет удельная мощность.

Композиции титана и бериллия, титана и алюминия, алюминия и стали настолько прочны, что их можно обрабатывать мощным взрывом и получать готовые изделия: панели, листы, трубы. Из сверхпрочных композиций будут изготовлены глубоководные аппараты и для изучения морского дна, биологических ресурсов морей и океанов. Под водой новые материалы в полной мере смогут проявить и другие свои свойства, в частности коррозионную стойкость. Прочные и жаропрочные композиты окажутся незаменимыми для бурового инструмента, буровых коронок, передаточных механизмов, валов, поршней.

Трудно обозначить все сферы настоящего и особенно будущего применения композиционных материалов,трудно не потому, что они неизвестны, а потому, что их очень много. Скажем, композитами заинтересовались зубные врачи. Они предполагают армировать усами золото для пломб. Это придаст пломбам не только высокую прочность, но и необходимую вязкость.

Исследования и практика демонстрируют несравненное превосходство композитов перед классическими материалами, и это делает их универсальными, применимыми повсеместно. Ученые не без оснований считают, что к 2000 г. у композитов не будет соперников (однородные вещества практически выйдут из употребления).

Какие материалы придут в технику, кроме композиционных?

Кривая на графике, показывающем зависимость прочности материалов от числа дефектов в их кристаллической решетке, имеет две ветви. Одна из них демонстрирует ту закономерность, о которой говорилось раньше: чем меньше дислокаций в кристаллической решетке, тем выше прочность.

Вторая ветвь характеризует проблему прочности с другой стороны: чем больше дислокаций, тем выше... прочность! Получается, что до определенного уровня дислокации снижают прочностные свойства материала, а затем начинают оказывать на него благотворное влияние. И когда их накапливается очень много, прочность резко возрастает. Крайности в строении кристаллической решетки приводят к сходным результатам.

В соответствии с теоретическими положениями развиваются и практические способы повышения прочности материалов. Один способ уже реализуется: полная ликвидация дефектов в кристаллической решетке, приближение ее структуры к идеальной. Второй способ прямо противоположен: в кристаллическую решетку "вводят" как можно больше нарушений. Достичь этого можно легированием, холодной деформацией, термической и термомеханической обработкой.

Чем выше степень нарушения кристаллической решетки того или иного материала, тем ближе структура кристаллического тела к аморфному состоянию. Ему свойственен беспорядок, что исключает возможность развития дефектов типа дислокаций. С этой точки зрения наилучший материал - стекло, образец максимального скопления дефектов в кристаллической решетке.

Именно поэтому так высока его прочность: 2,5×10⁹ Н/м² на воздухе и 5×10⁹ Н/м² в вакууме.

Никто из нас, конечно, не видел оконного стекла или посуды, которые были бы крепче стального листа или алюминиевой миски. Но в Ленинградском физико- техническом институте им. А.Ф. Иоффе, где давно исследуют возможности стекла, получены образцы, выдерживающие удар молотка. Посетителям показывают фотографию, на которой хорошо видно, как известный советский академик безуспешно пытается раздробить кусок стекла.

Достигнуть столь высокой прочности удалось потому, что с опытных образцов был удален тонкий поверхностный слой. В нем находились различного рода микродефекты, которые концентрировали, многократно увеличивали внешние воздействия. Например, каждая трещинка действовала словно игла: если на ее "тупой конец" давили с силой 5 кгс, то на "острие" усилие достигало в 10 раз большей величины.

Повысить прочность массивного листового стекла можно несколькими методами. Наиболее эффективный - удаление или Сглаживание поверхностных дефектов. Достигается это прежде всего химической полировкой в различных реагентах: кислотах, щелочах и водной среде. Чтобы упрочнить промышленное листовое стекло с визуально хорошей поверхностью, необходимо снять травлением слой на глубину примерно 50 мкм. Если же поверхность имеет механические повреждения, то снимаемый слой должен быть толще. Иногда приходится удалять до 400 мкм. В промышленных условиях для интенсификации процесса травления применяют ультразвуковое облучение, что делает химическую полировку более дешевой и быстрой. Способ позволяет поднять прочность стекла до 2×10⁹-5×10⁹ Н/м². Можно применять механическую и огневую полировку, но она не дает такого хорошего результата, как травление.

Другой метод предусматривает создание в поверхностном слое сжимающих напряжений. Этого достигают замораживанием временных температурных деформаций - резким охлаждением стекла в различных средах. Того же эффекта добиваются, изменяя поверхностный слой с помощью ионного обмена. Предельная прочность - 5×10⁸ Н/м².

Третий метод - получение микронеоднородной структуры, препятствующей развитию микротрещин. Такая структура создается процессом ситаллизации. Уже изготовлены кристаллические стекла, так называемые непрозрачные ситаллы, их прочность достигает 4×10⁸ Н/м².

Однако стекло остается сверхпрочным материалом только в тепличных условиях лаборатории. Стоит поместить его в обычные условия, коснуться пальцем, провести по нему каким-либо предметом, как прочность образца резко уменьшится. Микрочастички пыли, которые на две трети состоят из крупинок очень твердого кремнезема, мгновенно царапают стеклянную поверхность. Появляются микротрещины, и прочнейший материал превращается в обыкновенное стекло.

Посему его необходимо защищать от внешних воздействий специальными покрытиями, в частности полимерными. Проводились следующие опыты. Образцы после химической полировки и сушки покрывали слоем клея БФ-2 толщиной 2-3 и 15-35 мкм. Стекла - обычные и защищенные - лежали несколько часов в открытом виде. Затем на них давили небольшим металлическим шариком с силой 16 кгс. Измерения показали, что незащищенные уколотые образцы заметно снизили прочность, а защищенные даже небольшим слоем клея почти сохраняли ее. При слое 15-35 мкм стекло вообще не разупрочнялось.

Этот эксперимент (и многие другие) показал,: что покровный слой делает стекло нечувствительным к определенным воздействиям, ранее приводившим к полному исчезновению прочности. Защищенное стекло "терпит", когда его берут в руки, протирают мягкими материалами, с усилием проводят по нему твердыми телами.

Более надежное покрытие - стеклополимерный слой толщиной 1 мм. Имеются примеры использования упрочненного стекла в виде несущего элемента слоистой конструкции. Ее слои - покровные стекла и полимерные прокладки. В середине находится упрочненная силовая пластина из пентоплекса. Стекло после химической полировки можно использовать и без специальных защитных покрытий. В таких элементах, как, например, стеклопакет, поверхности стекол, обращенные во внутреннюю герметизированную полость, избавлены от механических "касаний" во время работы. Следствие - высокая исходная прочность сохраняется длительное время.

И наверное, окажется экономически выгодным уже сейчас повышать прочность стекла хотя бы на непродолжительное время. Можно будет, в частности, транспортировать, а затем и монтировать стекло без больших потерь. А в будущем сверхпрочное стекло станет незаменимым в самых ответственных конструкциях. Так, созданы пластины из стекла, которые легко сгибаются в кольцо. Оконное стекло для домов станет сверхпрочным и выдержит шквальный ветер. В еще более далеком будущем стекло прочат в заменители чугуна. Запасы металла ограничены, а кремнезем, из которого изготавливается стекло, слагает около 70% земного шара.

Есть и более смелые прогнозы. Член-корреспондент АН СССР А. В. Степанов писал о гипотетических кристаллах с плотно упакованными структурами, высоким коордиоционным числом (оно показывает, сколько у каждого атома ближайших соседей). Чем больше коордиоционное число, тем прочнее вещество. Ученый, например, предсказал, что прочность плотно упакованного углерода будет в 30 раз большей, чем железных усов. А для азота в таком же состоянии этот показатель окажется равным 200! Соответственно "подскакивают" и показатели других свойств веществ.

Высказана идея о том, что можно создать конструкции, которые будут работать подобно "конструкциям" живой природы. Они смогут становиться толще там, где нагрузка больше, и сужаться в местах, где напряжение уменьшилось. Обсуждаются также и материалы, которые удастся непрерывно "снабжать" энергией, регулируя ее подачу в зависимости от нагрузок.

Эти идеи - не более чем гипотезы. Но гипотезы высказаны учеными, имеющими на то основания. И это вселяет уверенность в то, что в свое время гипотезы превратятся в теории, которые возьмет на вооружение практика. В начале 50-х годов ученые считали фантазией предположения о получении металлов и сплавов, в сотни раз более прочных, чем существовавшие в то время. Но были получены усы. Тогда скептики стали говорить об их малой применимости. Сегодня их начинают использовать в качестве арматуры для композитов. Вполне вероятно, что и в "послекомпозиционное" время появятся более совершенные материалы, предсказанные нынешними гипотезами.