Материалы будущего, или как ошибаться в догадках
Мы не должны принимать вещи, даже на первый взглядсамые простые, как нечто ниспосланное свыше. Мы должны учиться, пониматьприроду, и не только для того, чтобы созерцать и терпеть то, чем она давитна нас. Глупость из невинного порока отдельных индивидуумов становитсясоциальным злом.
Наука о материалах - изучение материала как целого, а не отдельных егофизических, химических и технических свойств - довольно молода. Она прочностала на ноги лишь совсем недавно. Но, несмотря на молодость, новая наукадостигла известных успехов, и, я думаю, будет справедливым сказать, чтосегодня мы значительно лучше, чем всего лишь несколько лет назад, понимаеммеханическое поведение твердых тел. Быть может, это произошло потому, чтомы располагали уже большим количеством сырых необработанных наблюдений.Немало было накоплено физических и химических знаний и инженерного опыта,правда, в разрозненном виде. Собрать все это воедино, заставить одно объяснитьи подтвердить другое - для этого потребовалось не так уж много новых экспериментови свежих идей, стоило лишь достаточному числу людей серьезно заняться проблемой.Как это часто бывает, главная трудность состояла в том, чтобы осознатьсамо существование проблемы.
Естественно, первым делом нужно было понять наблюдаемые явления - почемутвердые тела вообще и широко используемые материалы в частности имеют теили иные свойства. Можно сказать, что с этим вопросом сейчас в основномпокончено, хотя довольно много белых пятен все еще остается. Проблема,которая теперь возникла перед материаловедами, заключается в том, как использоватьэти знания. Возможности здесь не беспредельны. Результаты предыдущих исследованийкак раз и убеждают нас в том, что значительная часть наших желаний простоневыполнима. Те же исследования показали, что некоторые пути улучшенийбыли уже не только нащупаны, но и почти исчерпаны чисто эмпирическими методамиеще до того, как они раскрылись перед учеными. Некоторые наши познаниягодны лишь на то, чтобы подсказать инженерам, чего они должны избегать- например, какого рода концентрация напряжений опасна.
Однако пытливые исследователи стремятся найти в материаловедении какие-нибудьрадикальные пути - существенно изменить старые или изобрести новые и, бытьможет, лучшие материалы. Положение дел в сегодняшней науке таково, чтосделать выбор среди множества возможных направлений работ очень нелегко.Как мы увидим, такой выбор рано или поздно может вызвать далеко идущиепоследствия за стенами лаборатории.
Прежде чем начать разговор о новых материалах, мы должны спросить себя:“Что в действительности мы разумеем под словами лучшие материалы? Лучшие- в чем?”
Ответ здесь далеко не очевиден, а сам вопрос вполне может быть центральнымв современной науке о материалах. Технические проблемы, о которых мы поведемразговор, сами по себе очень трудны, но вопрос о целенаправленных измененияхматериалов нельзя считать чисто техническим. Если мы интересуемся, а ядумаю, мы должны интересоваться, возможностями получения новых или изменениястарых материалов, мы должны учитывать социальные и экономические аспектыих производства. В конце концов техника призвана всего лишь обслуживатьсоциальные и экономические потребности. О доминирующей роли материаловв обществе говорят названия исторических эпох - “каменный век”, “бронзовыйвек” и т.д.
Чрезвычайно сложные переплетения технического, социального и экономическогоаспектов еще более затрудняют всю проблему в целом. Правда, предпринимательтвердо знает, что ему нужно: ему нужны дешевые материалы. Материаловедызначительную часть усилий вынуждены направлять на то, чтобы снизить стоимостьпроизводства материалов. Конечно, есть неоправданно дорогие материалы,их можно и должно делать подешевле. Однако это мое личное мнение, я недумаю, что то же самое справедливо для таких ходовых конструкционных материалов,как, например, сталь. Сталь сейчас очень дешева, и оставшиеся для нее резервыэкономии, которые могут быть реализованы в будущем, не оправдывают затрачиваемыхсегодня громадных научных усилий, особенно при нынешнем дефиците научно-техническихкадров.
Если даже большое снижение стоимости конструкционных материалов былобы технически достижимым в недалеком будущем, то кто бы от этого выиграл?Прежде всего в большинстве изделий стоимость материала составляет малуюдолю стоимости готового изделия. Поэтому, даже если бы материал стал бесплатным,выигрыш потребителя по сравнению с другими изменениями, которые могли бывслед за. этим последовать, оказался бы невелик.
Далее, сама дешевизна материала в действительности может иметь отрицательноевлияние и на проект, и на характеристики готового изделия. Когда материалчересчур дешев, у конструктора нет стимула его экономить, а это может повлечьза собой не только утяжеление конструкций (которые, например, из-за этогобудут впустую тратить горючее, повреждать дороги и т.п.), но и снижениепрофессионального уровня инженеров. Часто причиной плохого, тяжелого, неуклюжегопроекта служит стремление снизить стоимость обработки, но, думается, поройэто связано еще и с желанием конструктора уберечь себя от лишних размышлений.Экономисты утверждают, что существует оптимальное соотношение между стоимостьюземли и труда, которое стимулирует развитие, и мне представляется, чтоте же соображения применимы к ценам на материалы.
Есть и еще одна важная сторона вопроса о ценах. Стоимость различныхпроцессов обработки, материала часто во много раз выше стоимости исходногоматериала, но конечно же, стоимость обработки зависит не от цены, а отхарактеристик материала. Например, дешевле будет купить пластик по 8 шиллинговза килограмм и затем затратить еще 2 шиллинга на формовку его для полученияконечного продукта, чем покупать сталь по 1 шиллингу за килограмм и тратитьпотом 25 шиллингов на штамповку, механическую обработку и доводку изделия.В этом корень коммерческого успеха пластиков, которые всегда были относительнодорогим исходным материалом.
Новые материалы должны обеспечить экономию именно на процессах обработки,производства и доводки готовых изделии.
С внедрением пластмасс наметилась четкая тенденция к уменьшению сложностии стоимости изготовления изделии. Большинство легко формуемых пластмассдовольно непрочны и нежестки, но принципы их обработки, очевидно, могутбыть распространены на более прочные и жесткие вещества. Многие дешевыепроцессы формовки в настоящее время требуют значительных затрат на станкип штампы, но опять-таки я не уверен, что такое положение дел сохранитсянавсегда.
Можно дать лишь некоторые очень общие наметки того большого влияния,которое могут оказать принципиальные изменения материалов на общественнуюжизнь. Следствия здесь столь сложны, что были бы слишком опасными попыткивыступить в роли пророка, предсказывающего в деталях возможный ход событий.Но я убежден, что мы должны быть достаточно мудры, чтобы не отвергать слегкостью возможность новой технической революции.
Моя работа отчасти связана с тем, чтобы выяснить, чего же на самом делехотят (или думают, что хотят) люди от новых материалов. Меня угнетают здесьуж очень малые запросы в отношении долговечности материалов. Считается,что, если машины будут служить бесконечно долго, это может привести к техническойи экономической закостенелости. Но я не думаю, что, если так называемаяпотребительская долговечность изделий будет продолжена, все будут роптать(исключая коммерсантов). В конце концов 20%-ное увеличение срока службыизделия более или менее эквивалентно 20%-ному повышению производительности.
Не сомневаюсь, сколько приложений имеют материалы, столько существуети определений “лучшего” материала. В то же время, если спросить несколькихконструкторов одного и того же изделия, какое именно качество используемогоматериала не позволяет им проектировать и делать лучшие изделия, ответыбудут самыми разными, часто противоречивыми. Один и тот же конструкторчерез неделю может дать уже совсем другой ответ. Видимо, эти диалоги неподнимутся до уровня сократовых.
Все это на первый взгляд кажется удивительным, но, я думаю, найдет объяснениепримерно в следующем. Вопреки обычным представлениям не материал выбираетсядля изделия, а скорее наоборот - изделие проектируется в расчете на материал.Следовательно, любое существенное изменение материала может повлечь полноепереосмысливание изделия. В этом и кроется возможное объяснение того, вчем заключаются трудности конструктора, полагающегося только на интуицию.Основываясь на собственном опыте проектирования, я думаю, что обычно приходитсявыбирать какой-то удобный материал, а затем конструировать изделие с учетомего качеств и возможностей, которые он предоставляет. Свойства материалав значительной степени видятся как нечто неделимо связанное, и мысли обизменении отдельных этих свойств даже не возникает.
Так или иначе, но конструктор почти не направляет материаловеда в егоработе. Больше того, даже подсказки конструктора материаловед обычно игнорирует.Я думаю, что причина здесь в том, что инженеру трудно оценить, сколь сложнаразработка совершенно нового материала. Ведь она требует по крайней мерепятилетнего труда и стоит больших средств. К тому времени, как материаловедчто-то сделает, вполне возможно, что инженер уже многое передумает. Следовательно,обычно материаловед должен подходить к разработке нового материала, полагаясьлишь на собственные познания и опыт.
Однако картина в целом не так уж беспросветна. Прежде всего область примененияновых материалов ограничена их высокой первоначальной ценой и высокойстоимостью исследований. Позволить себе роскошь использовать такие материалыобычно могут лишь те, кто делает изделия для военных целей иавиации[52].
Стоимость разработки экзотических материалов может быть очень высокой,но порой такие материалы могут сберечь не только большие средства, но ижизни. И потом- вспомним историю. Сталь была получена как дорогой материалдля мечей; алюминий пошел в ход для кавалерийских касок, когда килограммего стоил 150 фунтов стерлингов; полиэтилен был разработан как дорогойматериал для использования в локаторах.
Потенциальное воздействие новых, необычных для сегодняшнего времениматериалов иллюстрируется некоторыми цифрами, приведенными ниже (табл. 1). Этицифры показывают изменение веса самолета и полезной нагрузки свнедрением новых материалов, появление которых можно предвидеть. Они относятсяк дозвуковым самолетам трансатлантических линий. Следовательно, полезнаянагрузка самолета может увеличиться втрое, равно как втрое может, вероятно,уменьшиться и цена билета.
Таблица 1. Доля в общем весе самолета, %
Горючее / Двигатели / Планер / Полезная нагрузка
“Боинг-707” / 47 / 9 / 33 / 11
Проектируемый самолет / 40 / 4 / 23 / 33
Ясно, что подобное приложение новых материалов стоит внимания, поэтомуоно является сегодня целью многих материаловедческих исследований. Какимже путем можно достичь нужных результатов? Какого сорта материалы необходимы?
Практически мы не в силах сколько-нибудь заметно повлиять на свойстваприродной древесины. Но, может быть, мы способны изменить свойства металла,например алюминия, или заменить его другим металлом, получше? На первыйвзгляд кажется, что стоит лишь увеличить прочность нашего металла - и всепроблемы решены: ведь в конце концов самолеты проектируются так, чтобызапасы прочности были бы по возможности меньше, лишь бы обеспечить надежность.Следовательно, если бы материалы были прочнее, части самолета можно былобы делать более тонкими, а потому и более легкими. До известной степениэто верно, но только до известной степени.
Следует помнить, что, хотя мы и можем значительно изменять прочностьи вязкость твердых тел, их жесткость не поддается нашему контролю. МодульЮнга зависит исключительно от химической природы твердого тела, и как сданным веществом ни возись, модуль упругости его не изменить. Если намнужен другой модуль, мы должны взять другое вещество. Следовательно, еслимы увеличиваем прочность какого-либо тела, например металла, то делаемэто путем увеличения предельной упругой деформации. Поэтому, чтобы использоватьболее высокую прочность, мы должны работать при больших деформациях. Этоозначает, что перемещения в конструкции возрастут, и, если мы резко повысимнапряжения с целью экономии веса, мы получим намного большие перемещения.Последствия такого рода усовершенствований видны на рис. 5; ясно, что такиеформы крыла недопустимы.
Многие элементы конструкции самолета находятся в состоянии сжатия. Более того,сжатые элементы обычно имеют вид стержней и пластинок, тонких в сравнении с ихдлиною. А как уже говорилось в главе 1, элементы такого рода теряют несущуюспособность не потому, что они разлетаются на куски, а вследствие упругоговыпучивания, связанного не с недостатком прочности, а с пониженной жесткостью.Это явление называется эйлеровой потерей устойчивости.
Кроме того, некоторые элементы самолетной конструкции выходят из строяне под нагрузкой, постоянно действующей в одном направлении, а вследствиетак называемого флаттера. Это означает, что в определенных условиях обшивкаведет себя в потоке воздуха подобно полощущемуся на ветру флагу. Боротьсяс флаттером следует путем увеличения жесткости, а не прочности.
Получается так, что, когда мы начинаем увеличивать прочность материала,то есть вытаскивать нос, хвост оказывается увязшим - слишком мал модульЮнга. Следовательно, увеличить модуль упругости столь же важно, как и увеличитьпрочность.
Далее, когда мы имеем дело с конструкциями минимального веса - например,с самолетом, - нас интересуют не столько абсолютные свойства материалов,сколько их удельные свойства; мы должны знать, сколько прочности и жесткостиприходится на единицу веса. Удельные величины получаются делением абсолютныхвеличин на удельный вес или плотность материала. С этой точки зрения полезновзглянуть на модули Юнга обычных технических материалов, которые приведеныв табл. 2.
Таблица 2
Материал / Удельный вес γ, г/см3 / E, кГ/см2 x 10-4 / Е/γ условные единицы
Молибден / 10,5 / 3,0 / 2,9
Железо / 7,8 / 2,1 / 2,83
Титан / 4,5 / 1,2 / 2,7
Алюминий / 2,7 / 0,75 / 2,8
Кварц и обычное стекло / 2,5 / 0,70 / 2,8
Магний / 1,7 / 0,45 / 2,7
Древесина (ель, параллельно волокну) / 0,5 / 0,135 / 2,7
Из таблицы видно, что удельный модуль упругости E/γвсех этих материалов практически одинаков. Вероятно, в этом нет какого-либоглубокого философского смысла, совпадение здесь - дело случая. Но так илииначе, а сам по себе факт совпадения удельных модулей ставит инженерови материаловедов в весьма затруднительное положение. Ведь как бы мы нистарались улучшить прочность принятых материалов, мы оказываемся привязаннымик одному и тому же удельному модулю. Это означает, что, если мы хотим достичьпоставленных целей, мы должны отказаться от всех ходовых материалов, вобращении с которыми накоплен большой опыт.
Что же остается делать? Что это за вещества, которые имеют более высокиемодули? Оказывается, таких веществ не так уж много, но все же они есть.Лучшие из них приведены в табл. 3.
Таблица 3
Вещество / Удельный вес γ, г/см3 / E, кГ/см2 x 10-4 / Е/γ усл. единицы / Темп. плавл., °C
Нитрид алюминия / 3,3 / 3,5 / 10,6 / 2450
Окись алюминия / 4,0 / 3,9 / 9,8 / 2020
Бор / 2,3 / 4,2 / 18,0 / 2300
Окись бериллия / 3,0 / 3,5 / 11,6 / 2530
Бериллий / 1,8 / 3,1 / 17,2 / 1350
Углерод, усы / 2,3 / 7,7 / 33,5 / 3500
Окись магния / 3,6 / 2,9 / 8,0 / 2800
Кремний / 2,4 / 1,6 / 6,7 / 1400
Карбид кремния / 3,2 / 5,6 / 17,5 / 2600
Нитрид кремния / 3,2 / 3,9 / 12,2 / 1900
Нитрид титана. / 5,4 / 3,5 / 6,5 / 2950
Эта таблица в некотором смысле обнадеживает; она показывает, что естьв природе твердые тела, у которых удельный модуль Юнга больше, чем у традиционныхтехнических материалов, грубо говоря, в десять раз. По-видимому, эти материалыоткрывают захватывающие перспективы. В то же время их список обескураживает.Все эти материалы в нормальных условиях весьма непрочны и хрупки, получатьих можно обычно только при очень высоких температурах, некоторые из нихтоксичны.
Единственным металлом в этом списке является бериллий. Тот самый бериллий,который в опасной степени токсичен. Предположим на время, что нам удаетсяпобороть его токсичность, но сможем ли мы сделать бериллий прочным и вязким?По-видимому, в некоторых случаях бериллий может быть довольно прочным,предел прочности его может достигать 80-160 кГ/мм2.Но сделать его достаточно вязким очень и очень трудно. Причина этого главнымобразом в том, что при нормальных температурах дислокации в кристалле бериллияподвижны только в четырех плоскостях, в то же время, как мы видели в главе 8,кристалл должен иметь пять плоскостей скольжения, чтобы сопротивлятьсятрещинам, бегущим в любой его плоскости. Несмотря на упорные попытки ученыхзаставить бериллий вести себя, как подобает “настоящему” металлу, заметныхдостижений в этой области нет. По-видимому, препятствия на этом пути связаныс особенностями кристаллической структуры этого металла. Остается подойтик проблеме по-иному. Может быть, можно уменьшить хрупкость бериллия, добавивв него немного волокон, как в случае льда и древесной пульпы (глава 8). Еслитакой эксперимент оказался бы успешным, можно было бы, я думаю,придумать какую-нибудь защиту от токсической опасности. Но тогда выплылобы очередное препятствие: бериллий дорог, и с этим, кажется, ничего неподелаешь (отчасти из-за предосторожностей, необходимых при работе с ним).Остается только уповать на то, что последующий ход событий что-то из сказанногоопровергнет.
Если нам не удается приручить бериллий, что бы мы могли предпринятьеще? Ясно, что можно бы взяться за один из керамических материалов, приведенныхв табл. 3. Из всех них только в окиси магния дислокации подвижны при комнатнойтемпературе. И действительно, в лабораторных опытах можно получить оченьправдоподобную имитацию пластичного поведения на достаточно чистых кристаллахокиси магния. На практике, однако, эта пластичность не заслуживает доверия:такие кристаллы рассыпаются под ударными нагрузками. Причина все та же- недостаточное число плоскостей скольжения.
Дж. Форти удалось придать пластичность куску хлористого натрия (повареннаясоль). Для этого он добавил в поваренную соль золото (процесс диффузиишел в тщательно контролируемых условиях), атомы золота расположились нарешающих позициях в кристалле и обеспечили движение дислокаций в нужныхнаправлениях. Не исключено, что идея Форти поможет превратить окись магнияв полезный материал.
Что бы мы ни предпринимали для управления подвижностью дислокаций втех кристаллах, где они при нормальных условиях не очень подвижны, всегдаостается общая трудность - вопрос чистоты кристалла. Обычно такие кристаллыдолжны быть очень тщательно очищены от -примесей, чтобы обеспечить движениедислокаций. Если какие-либо примеси и допустимы, то их содержание должнобыть строго ограничено. Вполне возможно, что такая чистота не только дорогообойдется в процессе производства, но и во время службы материала ее будеточень трудно поддерживать. Многие кристаллы впитывают в себя чужеродныеатомы (особенно атомы газов) намного охотнее, чем принято думать. Этотпроцесс может понемногу идти уже при комнатной температуре, но он особенноускоряется с нагревом материала. Поскольку многие ответственные деталиэксплуатируются при повышенных температурах, есть опасность охрупчиванияматериала в работе. Достаточно совсем небольшого количества включений,чтобы задержать дислокации, которые и без того двигаются не так-то легко.
Лично я не считаю, что попытки заставить экзотические материалы вестисебя подобно металлам очень уж многообещающи.
Допустим, все это верно. Что же нам тогда делать? По-моему, чтобы ответитьна этот вопрос, надо забыть нашу приверженность (даже больше, чем приверженность)к металлам и обратиться к материалам вроде древесины или армированных пластиков.В этом случае придется оставить попытки повысить пластичность за счет увеличенияподвижности дислокаций и обратиться к волокнистым материалам, в которыхвнутренние поверхности могут тормозить развитие трещин. Конечно, если мырешим связать волокна между собой с помощью пластичного металла, то получимкакой-то выигрыш и от его пластичности, но опыт показывает, что этот вкладможет быть и незначительным.
Какие вещества следует нам выбирать для волокон? С точки зрения дислокационнойподвижности мы должны требовать всего или ничего. Если дислокации по-настоящемуподвижны, мы можем получить обычный пластичный материал, и нам нет смысласвязываться с волокнами. Но если уж мы принялись за волокна, то нам нужноисключить какое бы то ни было движение дислокаций. Пользы от такого движенияне будет никакой, а вреда может быть много - оно разупрочнит волокна. Поэтомубериллий и окись магния здесь не подойдут.
Большинство остальных веществ, приведенных в табл 3 имеют направленныековалентные связи, при нормальных температурах дислокации в них остаютсянеподвижными. Как раз это-то нам и нужно. Но почти во всех других отношенияхэти вещества представляют собой, мягко выражаясь, крепкий орешек для материаловедов.Их получение связано, вообще говоря, со значительными трудностями и возможнолишь при высоких температурах. Даже если они сами по себе и нетоксичны,то содержат одну, две или более добавок, которые могут сделать их токсичными.Наконец, некоторые из соединений, которые необходимы при получении этихвеществ, почти наверняка будут разрушать стенки технологических аппаратов.
В главе 3 подчеркивалось, что задачатеории прочности не столько в том, чтобы объяснить, почему материалы прочны,сколько в выяснении причин их разрушения. Все тела прочны “от природы”,если они не ослаблены дефектами; но дело в том, что дефекты почти всегдаприсущи твердым телам. Напомним, что в случае хрупких тел, в которых дислокациинеподвижны, ослабляющими дефектами являются небольшие геометрические искажения,на которых возникает концентрация напряжений. В тех случаях, когда внутрикристалла все обстоит более или менее благополучно, опасность могут представлятьповерхностные дефекты. Большинство ковалентных керамических материалов,приведенных в табл. 3, существует в виде порошка или неправильной формыкусков. Дело теперь за тем, чтобы получить эти вещества в форме нитей,однородных внутри и гладких снаружи.
Как раз над этим и работают последнее время многие лаборатории в разныхстранах, теперь мы знаем довольно много путей, которые ведут к получениюпрочных жестких волокон, но ни один из них не легок и не очень дешев. Достаточноупомянуть, что для получения таких волокон требуется температура в пределахот 1400 до 3500° C. Сейчас волокна обычно обрабатываются при высокой температурев течение часов и даже дней. Сделать печь, которая работала бы при этихтемпературах в коррозионных условиях и позволяла бы поддерживать приемлемуюхимическую чистоту в реакционной камере,- очень серьезная техническая задача.
Такие “сверхволокна” обычно делятся на два больших класса - непрерывныеволокна и усы. Непрерывные волокна имеют, конечно, большую длину; частоих можно наматывать на бобину, как нейлон или стекловолокно. Они могутиметь любую толщину, но чаще всего она лежит в пределах от 5 до 100 мкм.Обращаться с ними можно, как со стекловолокном, но более толстые волокнажестче на изгиб, и работать с ними, понятно, труднее. Толщина усов обычно1 мкм, а длина порядка миллиметра, хотя некоторые усы вырастают длиноюдо нескольких сантиметров.
Модули упругости большинства этих волокон лежат где-то в области между3,5 x 104 и7,0 x 104 кГ/мм2,а поскольку их плотность колеблется примерно от 2 до 4, то удельные модуливполне оправдывают ожидания в десять раз превышая соответствующие константыобычных технических материалов. Прочность всех непрерывных волокон довольновысока, но в настоящее время ее нельзя назвать исключительно высокой. Обычноона лежит между 175 и 350 кГ/мм2 - этивеличины близки к прочности обычных стекловолокон и отражают чрезвычайныетрудности изготовления длинных волокон, свободных от микродефектов. Усычасто намного прочнее, их средняя прочность может достигать 700-1000 кГ/мм2,то есть они могут быть раза в три прочнее большинства непрерывных волокон.
Сравнивать преимущества и недостатки обоих типов волокон довольно трудно.К тому же эти сравнения могут быстро устареть. В некоторых случаях требуетсяочень тщательно уложить армирующие волокна в одном направлении, иногдаэтого добиваются путем намотки непрерывных волокон и пропитки их связующейсмолой, то есть делают своего рода кокон. Часто так делают сосуды давленияи трубы. Это, казалось бы, преимущество непрерывных волокон, но вот недавнобыл разработан способ, по которому короткие волокна (например, усы) сортируются,разбраковываются, а затем во влажном состоянии перерабатываются в непрерывнуюпряжу, вроде хлопчатобумажной, с которой потом можно обращаться так же,как с непрерывными волокнами. В ряде случаев из усов получают суспензиюв какой-нибудь жидкости, которую можно легко формовать, как бумажную массу.
Выбор волокон зависит в некоторой степени от типа матрицы, которую решеноиспользовать. Пластики и смолы имеют малый удельный вес и с ними легкоработать, их нетрудно формовать, они вообще обладают многими преимуществами.С другой стороны, их прочность и модуль упругости малы, поэтому они неочень хорошо передают нагрузку от одного волокна к другому, то есть ихнельзя пожалуй, считать хорошими связующими материалами. По этой причинев тех случаях, когда в качестве матрицы используется смола, применяютсядлинные непрерывные волокна. Смола позволяет очень эффективно использоватьсвойства непрерывных волокон и не годится в качестве матрицы для короткихволокон - например, усов.
Металлические матрицы заведомо лучше смол ведут себя, начиная примерносо 150° C. Они и нагрузку от волокна к волокну передают лучше смолы и потомуболее подходящи для связывания усов: позволяют лучше использовать прочностьи жесткость усов. Однако армировать металлическую матрицу труднее, посколькутемпература и давление формования здесь высоки. Сегодня можно предположить,что в будущем волокнистые материалы на основе смол найдут свое место вкрупных элементах конструкций, работающих при низких температурах, а металлы,армированные усами, которые могут обладать более высокой прочностью и жаростойкостью,но которым труднее придавать нужную форму, будут, по-видимому, использоватьсяв более мелких деталях. Впрочем, это такая область, в которой события развиваютсядовольно бурно и предугадать что-нибудь очень трудно.
Какие же “сверхволокна” в настоящее время известны и как они делаются?Сейчас разрабатываются непрерывные волокна бора, карбида кремния и углерода.Усы же время от времени выращивают из самых разных веществ, не всегда практическигодных. Наибольшие усилия затрачены на усы карбида кремния, нитрида кремнияи окиси алюминия (сапфира). Информации о процессах получения волокон почтинет.
Непрерывные волокна.
Бор. Бор осаждается на тонкую нагретую нить - подложку, котораянепрерывно протягивается через реакционную камеру. Камера содержит одноиз газообразных соединений бора, например трихлорид бора ВСl3или гидрид бора В2Н2,которое, коснувшись горячей нити, разлагается с образованием чистого бора.
Карбид кремния. В общих чертах процесс получения волокна карбидакремния подобен процессу получения волокна бора. В этом случае, конечно,используются подходящие газообразные соединения, содержащие кремний и углерод.
Углерод. Это очень интересное волокно. Оно получается из непрерывногоорганического волокна - вискозы пли синтетического полимера по технологии,аналогичной получению угольных нитей для ламп накаливания. Если правильнопоставить процесс, углерод рекристаллизуется в непрерывное графитовое волокно.
Усы.
Известен целый ряд процессов получения усов. Механизмы протекания этихпроцессов весьма сложны Обычно лучшие усы получаются из газовой фазы, тоесть химическая реакция в высокотемпературной печи идет между газообразнымиреактивами. Если азот или кислород нетрудно подать в зону реакции в видегазов, то такие элементы, как кремний, углерод, алюминий и т.д., самипо себе не транспортируются. Поэтому приходится прибегать к так называемымтранспортным веществам. Ими могут служить такие соединения, как SiO2,SiCl4, СН4,Аl2О3 ит.д. Обычно стремятся получить весомые количества бездефектных прочныхусов возможно более быстрым и дешевым путем. К сожалению, когда реакцияускоряется, качество получаемых усов, как правило, страдает, что сильноусложняет всю проблему. Чрезвычайно сложные реакции, которые могут протекатьпри выращивании усов, приходится анализировать с помощью вычислительныхмашин. К настоящему времени количество усов высокого качества измеряетсякилограммами, цена их довольно высока, поэтому ведутся усиленные работыкак над увеличением выхода усов, так и над уменьшением их стоимости.
Вполне возможно, что некоторые из этих работ окажутся успешными, и вскором времени количество получаемых усов будет измеряться тоннами. Ихстоимость вначале будет довольно высокой, но если хоть как-то можно полагатьсяна исторические параллели, то цена придет к вполне удобоваримым величинамв течение примерно десятка лет. Сомнительно, конечно, чтобы она когда-нибудьстала сравнимой с ценой обычной стали и технической древесины.
Во всяком случае, сейчас мы имеем достаточное количество таких волокондля проведения поисковых работ в стенах лабораторий. Работы эти не стольпросты, как может показаться. Даже располагая самыми прочными и жесткимиусами, вы можете испортить ими идеальную матрицу. Изготовление армированныхматериалов требует большой сноровки. Теория упрочнения волокнами основываетсяна довольно громоздком математическом аппарате, она не дает скучать ЭВМи заполняет специальные периодические издания. Но, даже если она и понята,до создания надежных процессов получения подобных материалов еще далеко.
Впрочем, сейчас уже многие трудности преодолены, и в ряде лабораторийрегулярно делают небольшие партии армированных волокнами материалов, свойствакоторых оказываются довольно близкими к теоретически предсказанным. Приводитьздесь конкретные величины, пожалуй, бесполезно, поскольку каждый материалнужно характеризовать целым набором свойств. Но я не побоюсь утверждать,что некоторые из новых материалов вдвое лучше тех, что были известны досих пор. Впервые в истории человек стал управлять своими конструкционнымиматериалами, целеустремленно и рационально создавать материалы, удовлетворяющиеопределенным нуждам.
Прежде всего такие материалы будут использованы в тех областях, гдек конструкциям предъявляются повышенные требования. Быть может, они вызовутнеобыкновенные преобразования в авиации, позволив резко снизить стоимостьвоздушных перевозок. На это можно возразить, что подобные рассуждения напоминаютпопытку перелить старое вино в новые бутылки. Возможно, так оно и есть,только всегда ли это плохо? Впрочем, не следует исключать того, что с появлениемновых материалов появятся принципиально новые устройства. Такую перспективуне следует исключать, но предсказать здесь что-нибудь определенное невозможно.Приведем небольшой пример, который касается большинства из нас. Зубныепломбы беспокоят многих. Керамика (фосфатный цемент), которую используютзубные врачи, всегда была слишком хрупкой; металлы (например, золото) обычнослишком мягки. Сейчас изучаются возможности армирования золота усами. Такойматериал будет сочетать высокую прочность и твердость с вязкостью, чтоочень важно для пломб. В этом случае относительно высокая стоимость золотаи усов серьезного значения не имеет.
Массовое применение новых материалов, несомненно, зависит от снижениястоимости производства волокон до действительно приемлемого уровня. Трудносказать, сколько еще ждать, но уже сейчас возможен интересный компромисс- использование асбестов. Асбест, можно сказать, представляет собой природныеусы, которые донимаются в карьерах; он довольно дешев. Механические свойстваволокон асбеста уступают лучшим усам, но они значительно превосходят иметаллы, и стекловолокно, особенно если принять во внимание их вес. В прошломасбест часто использовался для армирования пластиков, но эта идея быладискредитирована безобразной технологией. Сейчас есть возможность применитьдля асбестовых волокон методы, созданные для переработки усов. Это позволитрезко улучшить свойства таких армированных материалов. Композиционные материалытипа смола - асбест должны найти широкое применение.
Армированные материалы довольно хороши в промышленных условиях, здесьони могут играть важную роль, хотя производство их довольно трудоемко.Мне кажется, мы очень нуждаемся, кроме того, в улучшенных материалах длясамого широкого потребителя, материалах, которые не требуют сложного оборудованиядля обработки. Ясно, что образцом при создании таких материалов должнабыть древесина. Механические свойства дерева превосходны, хотя никто невозражал бы, если бы они были еще лучше. Недостатки древесины определяютсяее биологическим происхождением. Она усыхает, разбухает, гниет, нуждаетсяв окраске, требует ухода. Эффективность древесины в легких конструкциях,простота ее обработки (а именно в этом каждый из нас и заинтересован впервую очередь) определяются малой плотностью этого материала.
На нынешнем уровне знаний можно было бы взять армированный, но практическиинертный материал и заполнить его порами нужных размеров и формы, чтобыполучить вещество с удельным весом примерно 0,5, которое можно легко резатьи обрабатывать. Если в качестве связующего использовать один из термопластов,то такой материал можно было бы не только пилить, строгать, сверлить, нотакже гнуть и формовать при подходящей температуре. Такой материал потребовалбы тонких научных разработок, но, будучи дешевым, он имел бы и очень многодостоинств. И они определялись бы не только удобствами для любителей икустарей, такой материал был бы незаменим для экспериментальных разработок.Именно скорость разработки, от опытных образцов до серийного производства,была самым сильным аргументом в пользу деревянных самолетов во время войны.Неизбежные задержки в разработках, более чем что-либо другoe, становятсяпороком и причиной срывов при реализации сложных технических проектов.
Есть еще один подход к решению проблемы новых материалов, о котороммы еще не говорили. По-видимому, ему уделяется больше внимания в Японии.Мы уже подчеркивали, что польза древесины и целлюлозы вообще определяетсяее низкой плотностью в сочетании с отличным модулем Юнга. Удельный модульдревесины вдоль волокна практически тот же, что и у технических металлов.
Целлюлозная молекула, как мы видели в главе 5, состоит из сахарных колец, то есть из сложных цепей, построенныхв значительной степени из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связьмежду углеродными атомами жесткая: это ведь та же связь, что и в алмазе.
Большинство синтетических полимеров также построено из цепей атомовуглерода. Полиэтилен, например, состоит просто из (СН2)n.Другие синтетические полимеры химически несколько сложнее, но их упругиесвойства не очень отличаются от полиэтилена. Далее, модуль упругости алмазаизменяется примерно от 8x104до 12x104 кГ/мм2в зависимости от того направления, в котором он измеряется. Алмаз имеетплотность около 3,5, то есть атомы углерода упакованы в нем более плотно,чем в полиэтилене, имеющем плотность около 0,92. Если мы введем все необходимыепоправки, то найдем, что модуль полиэтилена в направлении цепочек долженбыть примерно 2,5x104кГ/мм2. Другие полимеры должны иметь жесткостьтого же порядка.
Однако экспериментально определенный модуль упругости полиэтилена равенприблизительно 200 кГ/мм2, то есть примернов сто раз меньше теоретического. Почти такое же положение с другими синтетическимиполимерами. Удивительно, что авторы учебников (описывающие химическое строениеполимерных цепочек в умилительных подробностях) не только не объясняюттакого расхождения, но даже не замечают его.
Здесь напрашивается объяснение, ставшее возможным после работ Франкаи Келлера (Бристольский университет). Уже давно известно, что молекулы-цепочкибольшинства природных и искусственных полимеров в некоторой степени кристалличны,наподобие натуральной целлюлозы (глава 5).Однако работы Франка и Келлера показали, что природа кристаллов в природноми синтететическом полимере различна. В целлюлозе как сами молекулы, таки продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому на практикереализуется большая доля теоретического модуля. В материалах же типа полиэтиленаКеллер обнаружил, что цепочки (СН2)nуложены совсем иначе. Если взглянуть на эту структуру глазами инженера,сразу станет ясным, что лишь очень малая доля жесткости углеродной цепочкиреализуется в макроскопическом модуле пластика: здесь работают фактическине первичные ковалентные связи, а лишь вторичные силы Ван-дер-Ваальса,которые действуют между складками цепочки.
Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуютсяс известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярныхкристаллов типа фталоцианина (глава 1).
Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров(таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрениясуществует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способомво время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахаридыи, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче.Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозыв качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основанияжурналам мод писать о “хрустящем” хлопке.
Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкостьтрудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтиленав условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этихкристаллов превышал 3500 кГ/мм2. Ему всееще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в15 раз выше, чем все достигнутое на полиэтилене прежде.
Как будет это направление развиваться и будет ли оно развиваться вообще- трудно сказать. Ясно лишь, что полиэтилен с цепочками, вытянутыми прикристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом посравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существуеттакже принципиальная возможность делать неармированные пластики с модулемЮнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, чтопрочность и вязкость такого материала также будут высоки.
Чего можно ожидать от материалов будущего?
Невозможно пророчествовать подробно о том, как будут выглядеть новые материалы.Но мы можем оговорить вполне определенные верхние пределы механических свойствпассивных конструкционных материалов (глава 1). Ясно, что ключевое свойствоесть модуль Юнга, поскольку он определяет не только жесткость, но и, в конечномсчете, прочность. Наибольшей жесткостью обладает углеродная связь, причем онамаксимальна как в абсолютном, так и в удельном выражении (относительноплотности). Правда, некоторые ковалентные связи по жесткости мало отличаются отуглеродных связей в алмазе. Но в общем-то максимум Е должен быть около12x104 кГ/мм2, а максимальная величина удельного модуля Юнга - на порядоквыше, чем для стали.
Следовательно, возможности улучшения удельных свойств больше, чем абсолютных.Но, вероятно, к этому и следует стремиться.
Можно было бы, наверное, как-то приблизиться к теоретической прочности,то есть примерно к E/10 если бы такая цель имела реальный смысл.Но все дело в том что если бы эта громадная прочность и была получена вбольшинстве случаев соответствующая ей упругая деформация, которая достигалабы 10%, оказалась бы недопустимой. Более того, такой материал неизбежнобыл бы хрупким, даже, пожалуй, слишком хрупким.
Более приемлемой следует считать деформацию около 1-2% (такой материалимел бы некоторый запас для торможения трещин - см. главу 4). Это дало быудельную прочность, на один-два порядка превосходящуюудельную прочность стали. Таким образом, мы вправе ожидать максимальнуювеличину удельной жесткости порядка 12-14 жесткостей древесины, стали идругих металлов, а для удельной прочности ориентироваться в пределе на10-100 удельных прочностей стали.
Вероятно, как-то приблизиться к этим свойствам вначале можно будет спомощью материала, армированного параллельными волокнами. Если же прочностьи жесткость нужны более чем в одном направлении, тогда придется распределитьволокна по разным направлениям и удовлетвориться более низкими свойствами.Но рано или поздно, я думаю, мы получим изотропные материалы, свойствакоторых во всех трех направлениях будут одинаково хороши.
Это, кажется, и будет пределом, которого мы сможем добиться с пассивнымиматериалами. Продвижение по этому пути - вот занятие, которое занимаетв наши дни целую армию материаловедов. Но картина изменится, если мы займемсяактивными материалами (то есть такими, которые каким-то образом подпитываютсяэнергией) Несколько лет назад к этой идее независимо пришли профессор Бернали я. В самом деле, снабжая материал энергией, можно придать ему бесконечнуюэффективную жесткость (как это бывает у животных). А сделать это можно,по-видимому, с помощью пьезоэлектричества.
Важным следствием реализации этой идеи было б не столько повышение прочности,сколько использование бесконечной жесткости. Можно было бы делать очень жесткиеконструкции, работающие на сжатие, — телеграфные столбы могли бы быть тонкими,как проволока; крылья самолетов стали бы тоже очень тонкими, почти любаятехническая операция выполнялась бы легче и дешевле. Насколько мне известно,в этом направлении никто сейчас не работает. Но если бы даже и началисьтакие исследования, потребовалось бы весьма много времени, прежде чем удалосьполучить что-нибудь реальное; но этот путь отвергать, по-видимому, не следует.
Другая очень привлекательная идея связана с самоподстраивающимися конструкциями.По сути своей она также биологическая. Основной принцип здесь заключаетсяв том, что конструкция сама утолщается в местах большего напряжения, иопять-таки сама уменьшается в слабо нагруженных частях. Почти все небиологическиеконструкции спроектированы неоптимальным способом, они неэффективны и топорны.Можно было бы начать с того, что попробовать оптимизировать какую-нибудьгрубо спроектированную оболочку или раму, нагружая ее, например, в гальваническойванне. Но, как и предыдущая идея, сегодня это всего лишь мечта. Я хотеллишь сказать, как велики потенциальные возможности сокращения времени проектированияи изготовления.
Ближайшее будущее
В 80-х годах прошлого века идея использования электричества в широкихмасштабах висела еще в воздухе и привлекала внимание лишь ученых и некоторогочисла предпринимателей; история биржи оживляется серией паник газовых компаний,которые возникали после каждого объявления о новом усовершенствовании динамомашиныили электрической лампочки. Но оказалось, что акции газовых компаний оставалисьв безопасности в течение жизни почти целого поколения: трудности разработкии внедрения совершенно новой области техники были очень велики, несмотряна то что научные принципы были уже довольно хорошо поняты, да и экспериментальнаяпроверка проходила довольно удачно. Конечно, маловероятно, что разработкаи восприятие новых необычных материалов будет идти столь же медленно, каки внедрение электротехники, но все-таки, видимо, это будет тянуться долго,и на пути встретятся как взлеты, так и падения. Несомненно, что ставитьвопрос о радикальной замене традиционных материалов (сталь, древесина)еще очень и очень рано.
Однако мне кажется, что новые армированные материалы, о которых мы говорили вэтой главе, доведены уже до такого уровня, когда их технические достоинстваоправдывают попытки использования этих материалов на практике. Такие попыткипредпринимаются, и вполне возможно, что в специальных конструкциях(компрессорные лопатки газовых турбин и другие авиационные детали) современныеармированные материалы будут работать уже ко времени выхода этойкниги[51]. Сегодня эти материалы дороги, на них к тому жескептически смотрят инженеры-практики. Однако, если они выдержат испытания ипокажут свои преимущества на практике, на их стороне будет то, в чем онинуждаются,- интерес и одобрение конструкторов. После этого пойдет постепенныйпроцесс удешевления, расширится область применения, хотя они будут оставатьсядостаточно специальными в течение длительного времени.
Широкое применение дает реальные выгоды, но, вероятно, главным результатомбудет переворот в области инженерного мышления. Идея о материале, которыйс самого начала разрабатывается с определенным назначением и строится,исходя из первых принципов, а не путем модификаций традиционных веществ,-эта идея нова и всеобщего признания еще не заслужила. Но стоит ей добитьсявсеобщего признания, и трудно сказать, что за этим последует. Ведь вплотьдо настоящего времени технические идеи основывались (сознательно или подсознательно)на характеристиках и недостатках небольшого списка веществ; но стоит воображениюинженеров проститься с мыслью о том, что все эти ограничения обязательны,а взамен этого понять, сколь созидающим может быть союз конструктора иматериаловеда, - границы техники необычайно раздвинутся.
Необходимые исследования и опытные разработки могут стоит очень дорого,но это по силам бюджету развитого государства. Ведь некоторые другие областитехники сейчас обходятся гораздо дороже. Если эти расходы приведут к созданиюновой отрасли техники, в которой мы так нуждаемся, - игра стоит свеч.