Последние сообщения свидетельствуют об успехе использования композитов в конструкции пропеллеров самолетов. Научно-производственное предприятие «Аэросила» впервые в истории российской авиации получило сертификат Авиарегистра РФ на воздушный винт СВ-34 для турбовинтового двигателя самолета ИЛ-114. Это массивное на вид изделие из композитных материалов не только вдвое эффективнее своих предшественников из металла, но и производит меньше шума в полете, а по весу легче пробки — в воде не тонет. Появление СВ-34 открывает дорогу в небо новому поколению турбовинтовых машин.
Особо следует отметить использование композитных материалов в т. н. средствах индивидуальной защиты — бронежилетах. Известно, что древнерусские воины носили кольчуги, предохранявшие их в бою от ударов оружия тех времен — меча, сабли, копья, попадания стрелы. Кольчуги изготавливались из железа в виде набора мелких кованых колец, или чешуек, которые представляли набор железных или стальных пластинок, соединенных между собой по принципу рыбьей чешуи. Кольчуга надежно предохраняла воина в бою, но будучи достаточно тяжелой, несколько сковывала его движения.
По подобию кольчуг, предохранявших от применения холодного оружия, в настоящее время для предохранения от огнестрельного оружия используются бронежилеты. Использование металлов в бронежилетах практически полностью исключается, так как полноценная защита в этом случае потребует значительной массы металла, что сразу же снизит эффективность применения бронежилета.
Наиболее эффективными материалами для бронежилетов оказались углеорганопластики. Особенно возросла надежность бронежилетов с появлением волокна кевлар, которое значительно увеличивает ударную вязкость материала. В сочетании с другими армирующими волокнами такая защита при сравнительно небольшой собственной массе способна предохранить владельца бронежилета от поражения пулей при выстреле из пистолета, автомата или карабина.
Композитные материалы прочно вошли в наш быт. Корпуса современной видео-, радиоаппаратуры, изготовленные из специального углепластика, очень легки, имеют красивый внешний вид, ударостойки и не царапаются при соприкосновении с острыми предметами. При этом ни в коей мере не нарушаются акустические характеристики системы, в которой они используются.
Рыболовам широко известны телескопические удочки из стеклопластика, мало в чем уступающие бамбуковым удилищам. Теннисные ракетки из КМ практически вытеснили деревянные и металлические ракетки. Колеса трековых и шоссейных гоночных велосипедов, изготовленные полностью из КМ взамен стальных спиц, обеспечивают лучшую аэродинамику велосипеда. Лыжи, традиционно изготавливаемые из дерева по специальным технологиям методом склеивания слоев из различных пород дерева, изготавливаются из пластиков, обеспечивающих легкость, надежность, прочность, комфортность для истинных любителей лыжного спорта.
В настоящее время производству композитных материалов во всем мире уделяется повышенное внимание. В Японии, например, комплекс задач по изготовлению изделий из КМ включен как один из важнейших в национальную программу экономического развития. В США в 1988 г. было потреблено 26,6 млн. т пластиков и 1,3 млн. т композитов. Если же сравнивать использование материалов по объемам, измеряемым в кубических метрах, то оказывается уже в 1988 г. в США потреблено пластиков и композитов в 1,8 раза больше, чем стали. Для сравнения отметим, что в России объем потребления пластиков и композитов в 5 раз меньше, чем объем потребления стали.
Применение композитных материалов открывает практически неограниченные возможности для создания принципиально новых машин, аппаратов, механизмов, отвечающих всем современным требованиям. Отмеченные особенности композитов и, прежде всего, открывшаяся возможность управлять их свойствами в соответствии с новейшими достижениями химии, кристаллографии, материаловедения, позволяют с уверенностью прогнозировать, что композитные материалы будут основным конструкционным материалом грядущего тысячелетия.
МАТЕРИАЛЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ
Материалы, о которых речь пойдет ниже, наделены на первый взгляд фантастическими свойствами, и то, что происходит с ними у вас на глазах, напоминает фокус, в котором всегда есть что-то загадочное. Представьте себе, что вам дают кусочек металлической довольно пластичной проволоки и предлагают ее согнуть произвольным образом. Затем согнутую проволоку опускают в сосуд с горячей водой (кипятком)!!! Проволока мгновенно распрямляется, становясь жесткой и упругой. Более того, вам предлагают согнутую проволоку связать несколькими витками ниток, препятствующих ее распрямлению. Но и в этом случае согнутая и связанная проволока, погруженная в кипяток, распрямляется, разорвав связывающие ее нитки.
Наблюдаемое явление не может не вызвать недоумения у непосвященных.
Однако ничего сверхъестественного не происходит. На ваших глазах произошла демонстрация эффекта памяти формы (ЭПФ), которым обладают целый ряд металлических сплавов. Создание таких материалов является одним из наиболее значительных достижений современного материаловедения и лишний раз подтверждает мысль о том, что человек, познавший глубину законов природы, может в буквальном смысле творить чудеса.
У истоков открытия эффекта памяти формы стояли ученые — академик Г. В. Курдюмов и доктор физико-технических наук Л. Г. Хандрос. В 1948 г. ими был открыт новый тип мартенситных превращений, так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы. Однако, как это часто, к сожалению, случается, открытие Курдюмова прошло в России незамеченным и было незаслуженно забыто. Только после того, как в иностранной печати появились работы, посвященные материалам с памятью формы, у нас начались серьезные научные исследования в этой области.
Эффект памяти формы обнаружен у широкого круга сплавов систем титан-никель (Ti — Ni), железо-никель (Fe- Ni), медь-алюминий (Си — Al), серебро-кадмий (Au — Cd)), медь-цинк-алюминий (Си — Zn — Al), медь-алюминий-никель (Си — Al-Ni), железо-никель-титан (Fe — Ni — Ti) и др. Наиболее ярким представителем материалов с памятью формы, получившим наибольшее распространение, является сплав Ni — Ti, так называемый никелид титана, или, в другой терминологии, нитинол. Характеристики основных материалов с эффектом памяти формы приведены в таблице 6.
В настоящее время общепризнанным является тот факт, что эффект памяти формы в сплавах связан с термоупругим мартенситным превращением. Образование мартенситной структуры впервые было подмечено немецким ученым Мартенсом, чьим именем оно названо, при наблюдении за структурой стали, в которой в результате закалки от высокой температуры происходит переход от обычной аустенитной структуры в специфическую мартенситную структуру, сопровождающейся повышением твердости закаленной стали. Эта структура состоит из линзообразных или пластинчатых областей, в которых произошла перестройка атомов в кристаллических зернах аустенита в объемно центрированную тетрагональную решетку мартенсита. При образовании линзообразных или пластинчатых областей в исходной фазе атомы движутся не по отдельности, а как единый комплекс; деформация сдвига осуществляется как бы ряд за рядом, в результате чего происходит перестройка решетки исходной фазы в решетку мартенсита. При подобном превращении сохраняется однозначное соответствие — связь между узлами решетки исходной фазы и решеткой мартенсита. Существование этой связи приводит к упругой энергии, величина которой зависит от величины упругих констант и от способа перестройки решеток.
Феноменологию эффекта памяти можно с помощью рис. 20 объяснить следующим образом.
Образец материала с эффектом памяти формы в виде ленты, проволоки, пластины и т. п. деформируется при температуре Тф выше температуры начала мартенситного превращения Мн (на рис. 20 область температур I, где Тф> Мн) с целью придания ему заданной формы. Затем материал охлаждают до температуры, обеспечивающей протекание (полное или частичное) мартенситного превращения в структуре материала (область температур II, где Т <МК).
В этой температурной области (области II) материал деформируют до получения исходной плоскостной формы. Таким образом осуществлен процесс так называемого прямого мартенситного превращения. Схематично процесс прямого и обратного мартенситного превращения показан на рис. 20.
При достижении некоторой температуры мартенситный кристалл приобретает определенные размеры, после чего рост мартенситного кристалла прекращается и устанавливается термоупругое неустойчивое равновесие между кристаллом мартенсита и исходной фазой. Дальнейшее охлаждение вызывает увеличение разности химически свободных энергий и приводит к дальнейшему росту мартенситного кристалла. Сплавы, обладающие ЭПФ, достаточно легко деформируются при температурах ниже Мк — температуры окончания мартенситного превращения при охлаждении.
Восстановить заданную форму образца, которая была ему придана при температуре Тф> Мн, можно при нагреве его до температуры Ак — соответствующей окончанию обратного мартенситного превращения.
Обратное мартенситное превращение обусловлено упругой энергией, накопленной в результате предшествующего прямого мартенситного превращения. Важно отметить, что в процессе нагрева, если образцу препятствуют восстановить заданную форму, внутри него возникают достаточно большие напряжения. Причем, если для деформации ниже Мк требуются небольшие напряжения, то при нагреве до более высоких температур (Т > Ак) возникают большие восстанавливающие форму напряжения. Именно эти напряжения разрывают нитки, связывающие согнутую проволоку, в рассмотренном в начале данного раздела примере.
Весь процесс прямого и обратного мартенситного превращения можно представить в виде замкнутого цикла (рис. 20), в процессе которого форма образца из материала с ЭПФ как бы следует за температурой: при нагреве Т