получать медь и бронзу, из железной руды — железо, чугун, сталь. Совершенствуя технологию производства этих материалов, человечество вступило в эпоху качественно нового периода развития — эпоху создания и развития индустрии производства материалов, которая и определяет уровень жизни людей, поскольку от качества и количества производимых материалов зависит и качество орудий труда, оружия, машин, построек, предметов быта и т. п. Достаточно вспомнить, например, что первые ростки машинного способа производства представляли собой появившиеся в Англии на рубеже XVI–XVII вв. мануфактуры — предприятия по производству материалов — шерстяных и хлопчатобумажных тканей. Именно с этих мануфактур начался период промышленного развития экономики, который определит весь дальнейший ход исторического развития.
Можно сказать, что каждому этапу в истории развития человеческого общества соответствовала своя определенная материальная база; в нашем случае имеется в виду буквальное значение этого слова: материальная — это материал как фундаментальная основа условий жизни данной конкретной эпохи. При этом на каждом этапе развития четко проявляется вся цепочка взаимосвязей: новые научные достижения требовали применения новых материалов, применение новых материалов с нетрадиционными свойствами требовало принципиально новых конструкторских и технологических решений, обеспечивающих оптимальное проявление этих свойств.
Открытие электричества и создание машин, использующих электрическую энергию, послужило мощным толчком для развития цветной металлургии, потребовало производства новых высоколегированных сталей, открыло возможности для производства качественно новых материалов. Возможность промышленного получения алюминия и его сплавов позволила сделать качественный скачок в авиации и ракетостроении. В свою очередь, появление принципиально новых материалов привело к возникновению новых отраслей знаний, бурному развитию передовых технологий. Появление полупроводников, например, открыло принципиально новые возможности в развитии электроники; успехи в создании оптико-волокнистых структур предопределили новый этап в развитии современных средств связи.
Одним из важнейших направлений современного экономического развития, является развитие наукоемких производств, разработка и внедрение новых технологий получения и применения прогрессивных конструкционных материалов, ибо состав и качество конструкционных материалов оказывает непосредственное воздействие на развитие научно-технического прогресса и эффективность всего общественного производства.
В настоящее время, на пороге XXI века, коренным образом меняется баланс конструкционных материалов в пользу новых прогрессивных материалов за счет снижения металлоемкости производимой продукции. За последние 16 лет металлоемкость валового внутреннего продукта США, Японии и ФРГ снизилась на 50 %. По данным ЮНЕСКО, во всем мире удельный вес металлов и их сплавов к 2000 г. составит 93 % основных конструкционных материалов.
Механизм такой экономии металлов имеет свою специфику, связанную прежде всего с тем, что традиционно сложившиеся структуры металлургического производства были разработаны в конце XIX — начале XX вв. Для этих технологий характерна высокая материало-, энерго-, и капиталоемкость. В районах действия предприятий металлургии значительно ухудшена экологическая обстановка.
Другая сторона вопроса — повсеместное постепенное истощение запасов богатых руд и вовлечение в обработку все более бедных руд, требующих процессов глубокого обогащения, что значительно удорожает подготовку железорудных материалов к металлургическому переделу. Существенные изменения произошли и в области топливно-энергетических ресурсов, в частности, уменьшилось производство коксующихся углей, но выросло потребление в металлургии высококалорийного топлива — мазута и природного газа.
Возрастающие затраты на производство металла, ограничения в ресурсах сырья и топлива остро ставят задачи экономии металла, замены его на новые прогрессивные конструкционные материалы. При этом во всех экономически развитых странах происходит изменение структуры затрат на единицу продукции: возрастает доля затрат на науку и относительно снижается доля затрат на сырье, материалы, топливо и т. д.
В сложившихся условиях свое веское слово может сказать наука о материалах — материаловедение. За последние 25–30 лет созданы научные и прикладные заделы по многим направлениям материаловедения. При этом технический уровень отечественных разработок, широта охвата материаловедческих проблем, как правило, не уступают соответствующим достижениям признанных лидеров в этой области — США, Японии, Германии. В то же время опыт создания образцов новой техники и организации их производства свидетельствует, что по масштабам и типам выпуска новых материалов, эффективности внедрения в промышленность новейших достижений материаловедения Россия существенно отстала от этих стран.
За последние годы чрезвычайно возросли сложность и комплексность проблем, стоящих перед создателями новой современной техники и техники ближайшего будущего. Создание машин качественно нового уровня предполагает использование важнейших достижений фундаментальных наук, принципиально новых конструкторских решений и технологий, учет современных экономических, социальных и экологических проблем. При конструировании машин должен быть осуществлен выбор их оптимальных параметров — конструктивных, кинематических, динамических, эксплуатационных, экономических, наилучшим образом соответствующих предъявляемым к ним многочисленным требованиям. При этом задачи повышения качества машин следует решать уже на стадии проектирования, когда необходимо и возможно всестороннее рассмотрение конструкции, т. е. когда должно быть учтено большое число часто противоречивых требований. Практически в каждой машине должны удовлетворяться такие требования, как минимальная масса при необходимой прочности и надежности, малая стоимость и долговечность, красивый внешний вид, простота изготовления и высокая экологичность используемых материалов и т. д.
В реализации этих задач призваны сыграть свою роль современные прогрессивные конструкционные материалы, которые позволяют принципиально изменить сам процесс проектирования. Если раньше конструктор, создавая конструкцию будущей машины, агрегата, аппарата и т. д., предполагал использование уже разработанных материалов, и в его задачу входило подобрать из имеющейся номенклатуры наиболее подходящий по своим свойствам материал для реализации в проектируемой конструкции, то теперь конструктор получает возможность наряду с проектированием конструкции проектировать и материал для ее изготовления, который позволит наилучшим образом воплотить в жизнь конструкторские идеи. Проектируя конструкцию машины, конструктор рассчитывает величину и направление действующих в ее элементах силовых потоков, возникающих под воздействием внешних сил и нагрузок, учитывает возможные концентраторы напряжений, которые могут стать причиной разрушения, оценивает возможность проявления различных случайных воздействий. Зная эти силовые факторы, конструктор проектирует материал таким образом, чтобы напряжение в элементах конструкции от воздействия внешних сил было наименьшим, последствия от концентрации напряжений в местах технологических отверстий и вырезов были минимальными, внезапное изменение внешних условий компенсировалось соответствующим изменением свойств материала уже в самой конструкции. Принципиальным при этом является то обстоятельство, что для каждой оригинальной конструкции строится свой материал, учитывающий особенности именно этой конструкции.
Такое положение стало возможным с развитием нового направления в материаловедении — материалостроения, которое включает комплекс мероприятий, позволяющих
• изменять прочностные характеристики материала в зависимости от направления силовых потоков в конструкции;
• изменять физико-механические свойства материала соответствующим подбором его компонентов;
• предотвращать разрушение элементов конструкции при появлении усталостных трещин и внезапных повреждений;
• изменять форму и свойства материала в зависимости от изменения внешних условий его эксплуатации.
При этом следует особо подчеркнуть, что управление свойствами материала становится возможным как на стадии его изготовления, так и в процессе его непосредственной эксплуатации путем использования т. н. «умных» материалов, позволяющих создавать самостроящиеся и адаптирующиеся конструкции.
В данной работе приводится краткий обзор современных достижений материалостроения и связанных с ним проблем конструирования и производства прогрессивных материалов. Обзор делается на примере рассмотрения композитных материалов, материалов с эффектом памяти формы и «умных» или адаптирующихся материалов с нетрадиционными свойствами, которые призваны стать одним из существенных слагаемых в обеспечении технологического прорыва экономики на более высокий качественный уровень.
КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Исследования и разработки в области создания материалов, отличающихся по своим свойствам от известных традиционных материалов, и прежде всего от металлов, продолжаются непрерывно, что приводит к появлению все новых и новых материалов, которые идут на изготовление машин, станков, приборов, оборудования. Среди них наиболее интенсивно разрабатываются материалы, получившие название композиционных. В последнее время эти материалы чаще называют композитными материалами или композитами.
Композитными материалами (КМ) принято называть не встречающиеся в природе материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:
1. Наличие в материале двух или более компонентов, существенно различающихся по своему составу, геометрической форме, свойствам и разграниченных поверхностью раздела.
2. Запрограммированным сочетанием компонентов и их распределением внутри материала.
3. Наличием существенного влияния на свойства КМ каждого из его компонентов.