Легче алюминия и прочнее стали
Легче алюминия и прочнее стали
Исследование свойств различных композиционных материалов показало, что не только по прочности, но и по другим физико-механическим свойствам они превосходят каждый компонент, входящий в их состав. Созданы композиционные материалы, выдерживающие большие нагрузки, подвергающиеся большому тепловому воздействию, выдерживающие частые и резкие смены температур. Например, введением волокон асбеста в керамику можно повысить в несколько раз ее способность выносить тепловые удары. Волокна асбеста, как стальная арматура железобетона, связывают зерна огнеупора и удерживают их при резких перепадах температур от распада. Если изготовить трубку из керамической массы шамота, добавив в качестве высокотемпературного связующего скелета волокна каолина, то термостойкость шамота возрастает в десятки и даже сотни раз, Без подобных материалов сегодня немыслимы атомоходы, сверхзвуковые самолеты и космическая аппаратура.
Волокнистые композиционные материалы конструируются из металлической или керамической основы и упрочняющего волокна различного строения. Для получения волокон в зависимости от необходимых свойств используют самые разнообразные материалы: проволоку из молибдена или вольфрама, жаропрочной и жаростойкой стали, окись алюминия, каолин, графит, различные бориды, карбиды и нитриды. Каждый из таких волокон обеспечивает материалу определенный комплекс свойств. Введение волокон в матрицу чаще всего осуществляется методом формования волокон и порошка материала для матрицы или пропиткой волокон жидким металлом матрицы.
Очень напоминают технологию приготовления сварочного булата методы производства волокнистых композиционных материалов, упрочненных проволокой. Такие материалы разделяются на армированные проволоками, армированные сетками и армированные проволочными волокнами ограниченной длины. В последнем случае отдельные проволочные волокна располагаются в матрице в виде включений.
Прочность кобальта, нихрома и других сплавов, армированных вольфрамовой или молибденовой проволокой при температурах 300–1100 °C, повышается в несколько раз. Армирование серебра волокнами окиси алюминия повышает его прочность в 5 раз. Алюминий, упрочненный волокнами окиси кремния, имеет прочностные свойства лучших алюминиевых сплавов. По данным ряда исследований, введение в вольфрам частиц тугоплавких окислов или карбидов и боридов повышает его длительную прочность и срок службы в 25–50 раз.
Все большее значение приобретают в технике композиционные материалы, армированные монокристаллами — усами или нитевидными кристаллами. Нитевидные кристаллы повышенной прочности встречаются и в природе. К таким кристаллам можно отнести нефрит — разновидность минерала актинолита (лучистого камня, от греч. «актис» — луч, «литое» — камень). Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иногда волосовидных агрегатов. Его цвет может меняться в зависимости от содержания в нем закиси железа от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древнейших времен нефрит ценят как необычайно прочный поделочный камень. В Самарканде в мавзолее Гур-Эмир выделяется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие Тимура.
Мы уже рассказывали об огромной прочности металлических усов. Однако наиболее прочными из всех известных материалов являются графитовые нитевидные кристаллы — их прочность на растяжение достигает 20000 МПа, а модуль упругости составляет 106 МПа. И все это при относительной легкости материала. Известны два способа получения усов графита: в дуге с графитовыми электродами, горящей при высоком давлении, и при термическом разложении углеводородов.
Сапфир — одна из форм существования оксида алюминия. Нитевидные волокна сапфира получают из расплавленной окиси алюминия. Устройством для вытягивания волокон служит молибденовый капилляр, укрепленный на дне молибденового тигля. Расплав окиси алюминия при температуре плавления 2050 °C поднимается по капилляру, захватывается затравкой, с помощью которой вытягивается волокно. Вытягивание волокон диаметром 0,1–0,5 мм производится с достаточно большой скоростью. Прочность сапфировых волокон при растяжении достигает 2600 МПа.
К сожалению, до настоящего времени не разработаны эффективные методы введения нитевидных кристаллов в различные матрицы. Не изучены также в достаточной мере методы предотвращения взаимодействия и достижения необходимой степени сцепления нитевидных кристаллов с матрицей. Это в значительной мере препятствует достижению высокого уровня упрочнения и позволяет использовать только малую часть чрезвычайно высоких свойств нитевидных кристаллов. Кроме того, производство нитевидных кристаллов пока еще очень сложно, и они еще очень дороги.
Правда, в настоящее время освоено промышленное производство усов сапфира и карбида кремния. Цена за последнее время на них снизилась более чем в 200 раз. Волокна сапфира характеризуются высокой химической инертностью к металлам, что дает возможность использовать их в качестве упрочнителей никелевых, кобальтовых, титановых и других сплавов для работы при высоких температурах. Нитевидные кристаллы сапфира (прочность 7000 МПа) и карбида кремния (прочность — 12000 МПа) в будущем станут широко использоваться в качестве армирующих материалов.
Для эффективного использования волокон, как уже отмечалось, необходимо решить проблему хорошего сцепления твердых и прочных нитевидных кристаллов с мягкой и пластичной металлической матрицей. Разрешима ли эта проблема? Оказывается, да! Недавно было найдено, что покрытие из сплава железо — никель — кобальт, нанесенное на поверхность усов сапфира вакуумным напылением, обеспечивает достаточно прочное сцепление волокон этого материала со сплавом никель — палладий. Установлено также, что предварительная обработка поверхности углеродных волокон или нанесение на них барьерного слоя металлов, карбидов или нитридов значительно улучшает их смачиваемость металлом матрицы, а следовательно, и прочность сцепления с ней.
В связи с этим весьма перспективным становится композиционный материал на основе углеродного волокна. Хотя углеродное волокно известно более 70 лет, интерес к нему возник сравнительно недавно, после того как был разработан процесс получения высокопрочных и высокомодульных углеродистых волокон из полиакрил-нитрида. Этим методом при низкотемпературной графитизации получают углеграфитные волокна прочностью 3500 МПа. Углеграфитные волокна выпускаются в виде нитей, содержащих 1000–2000 элементарных волокон.
Давайте представим себе, что ученые и инженеры нашли метод получения дешевых углеграфитных волокон, а еще лучше — нитевидных кристаллов графита, и разработали эффективную технологию армирования такими кристаллами алюминия или пластмассы. Такой материал может быть в 2–6 раз прочнее легированных сталей и гораздо легче самого легкого металла — алюминия. Но этого мало, материал на основе алюминия должен легко подвергаться горячей деформации при 500–550 °C, а на основе пластмассы — 100–120 °C. Последний можно «ковать», например, нагревая в воде или паре.
Автомобиль из такого материала будет в 3–4 раза легче, его сумеет поднять один человек… Кроме того, в любых погодных условиях кузов автомобиля не будет подвержен атмосферной коррозии, а расход горючего сократится в несколько раз. Фантазия? Нет. Фирма «Форд» уже сделала опытный образец такого легкового автомобиля — его стоимость составила 3,5 миллиона долларов!
Появление сравнительно дешевых автомобилей из прочных и легких композитов — дело недалекого будущего. Получение и применение композиционных материалов в промышленности развивается быстрыми темпами. Так, первый высокопрочный композиционный материал, армированный нитевидными кристаллами, был получен в 1961 году, а в 1975 году такие композиции уже применялись в газотурбинных двигателях, корпусах глубоководных аппаратов в качестве пропитанных тканей, тросов, кабелей и других изделий. Есть все основания надеяться, что скоро композиты будут армировать волокнами с пределом прочности 7000–15000 МПа, а промышленность в достаточно большом количестве будет производить дешевые композиционные материалы на их основе. Итак, будущее за материалами со структурой типа булата.