Материалы будущего, или как ошибаться в догадках
| Мы не должны принимать вещи, даже на первый взгляд самые простые, как нечто ниспосланное свыше. Мы должны учиться, понимать природу, и не только для того, чтобы созерцать и терпеть то, чем она давит на нас. Глупость из невинного порока отдельных индивидуумов становится социальным злом. Джон Бернал New Scientist. 5.I.1967 |
Наука о материалах - изучение материала как целого, а не отдельных его физических, химических и технических свойств - довольно молода. Она прочно стала на ноги лишь совсем недавно. Но, несмотря на молодость, новая наука достигла известных успехов, и, я думаю, будет справедливым сказать, что сегодня мы значительно лучше, чем всего лишь несколько лет назад, понимаем механическое поведение твердых тел. Быть может, это произошло потому, что мы 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 объяснить и подтвердить другое - для этого потребовалось не так уж много новых экспериментов и свежих идей, стоило лишь достаточному числу людей серьезно заняться проблемой. Как это часто бывает, главная трудность состояла в том, чтобы осознать само существование проблемы.
Естественно, первым делом нужно было понять наблюдаемые явления - почему твердые тела вообще и широко используемые материалы в частности имеют те или иные свойства. Можно сказать, что с этим вопросом сейчас в основном покончено, хотя довольно много белых пятен все еще остается. Проблема, которая теперь возникла перед материаловедами, заключается в том, как использовать эти знания. Возможности здесь не беспредельны. Результаты предыдущих исследований как раз и убеждают нас в том, что значительная часть наших желаний просто невыполнима. Те же исследования показали, что некоторые пути улучшений были уже не только нащупаны, но и почти исчерпаны чисто эмпирическими методами еще до того, как они раскрылись перед учеными. Некоторые наши познания годны лишь на то, чтобы подсказать инженерам, чего они должны избегать - например, какого рода концентрация напряжений опасна.
Однако пытливые исследователи стремятся найти в материаловедении какие-нибудь радикальные пути - существенно изменить старые или изобрести новые и, быть может, лучшие материалы. Положение дел в сегодняшней науке таково, что сделать выбор среди множества возможных направлений работ очень нелегко. Как мы увидим, такой выбор рано или поздно может вызвать далеко идущие последствия 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 центральным в современной науке о материалах. Технические проблемы, о которых мы поведем разговор, сами по себе очень трудны, но вопрос о целенаправленных изменениях материалов нельзя считать чисто техническим. Если мы интересуемся, а я думаю, мы должны интересоваться, возможностями получения новых или изменения старых материалов, мы должны учитывать социальные и экономические аспекты их производства. В конце концов техника призвана всего лишь обслуживать социальные и экономические потребности. О доминирующей роли материалов в обществе говорят названия исторических эпох - “каменный век”, “бронзовый век” и т.д.
Чрезвычайно сложные переплетения технического, социального и экономического аспектов еще более затрудняют всю проблему в целом. Правда, предприниматель твердо знает, что ему нужно: ему нужны дешевые материалы. Материаловеды значительную часть усилий вынуждены направлять на то, чтобы снизить стоимость производства материалов. Конечно, есть неоправданно дорогие материалы, их можно и должно делать подешевле. Однако это мое личное мнение, я не думаю, что то же самое справедливо для таких ходовых конструкционных материалов, как, например, сталь. Сталь сейчас очень дешева, и оставшиеся для нее резервы экономии, которые могут быть реализованы в будущем, не оправдывают затрачиваемых сегодня громадных научных усилий, особенно при нынешнем дефиците научно-технических кадров.
Если даже большое снижение стоимости конструкционных материалов было бы технически достижимым в недалеком будущем, то кто бы от этого выиграл? Прежде всего в большинстве изделий стоимость материала составляет малую долю стоимости готового изделия. Поэтому, даже если бы материал стал бесплатным, выигрыш потребителя по сравнению с другими изменениями, которые могли бы вслед за. этим последовать, оказался бы невелик.
Далее, сама дешевизна материала в действительности может иметь отрицательное влияние и на проект, и на характеристики готового изделия. Когда материал чересчур дешев, у конструктора нет стимула его экономить, а это может повлечь за собой не только утяжеление конструкций (которые, например, из-за этого будут впустую тратить горючее, повреждать дороги и т.п.), но и снижение профессионального уровня инженеров. Часто причиной плохого, тяжелого, неуклюжего проекта служит стремление снизить стоимость обработки, но, думается, порой это связано еще и с желанием конструктора уберечь себя от лишних размышлений. Экономисты утверждают, что существует оптимальное соотношение между стоимостью земли и труда, которое стимулирует развитие, и мне представляется, что те же соображения применимы к ценам на материалы.
Есть и еще одна важная сторона вопроса о ценах. Стоимость различных процессов обработки, материала часто во много раз выше стоимости исходного материала, но конечно же, стоимость обработки зависит не от цены, а от характеристик материала. Например, дешевле будет купить пластик по 8 шиллингов за килограмм и затем затратить еще 2 шиллинга на формовку его для получения конечного продукта, чем покупать сталь по 1 шиллингу за килограмм и тратить потом 25 шиллингов на штамповку, механическую обработку и доводку изделия. В этом корень коммерческого успеха пластиков, которые всегда были относительно дорогим исходным материалом.
Новые материалы должны обеспечить экономию именно на процессах обработки, производства и доводки готовых изделии.
С внедрением пластмасс наметилась четкая тенденция к уменьшению сложности и стоимости изготовления изделии. Большинство легко формуемых пластмасс довольно непрочны и нежестки, но принципы их обработки, очевидно, могут быть распространены на более прочные и жесткие вещества. Многие дешевые процессы формовки в настоящее время требуют значительных затрат на станки п штампы, но опять-таки я не уверен, что такое положение дел сохранится навсегда.
Можно дать лишь некоторые очень общие наметки того большого влияния, которое могут оказать принципиальные изменения материалов на общественную жизнь. Следствия здесь столь сложны, что были бы слишком опасными попытки выступить в роли пророка, предсказывающего в деталях возможный ход событий. Но я убежден, что мы должны быть достаточно мудры, чтобы не отвергать с легкостью возможность новой технической революции.
Моя работа отчасти связана с тем, чтобы выяснить, чего же на самом деле хотят (или думают, что хотят) люди от новых материалов. Меня угнетают здесь уж очень малые запросы в отношении долговечности материалов. Считается, что, если машины будут служить бесконечно долго, это может привести к технической и экономической закостенелости. Но я не думаю, что, если так называемая потребительская долговечность изделий будет продолжена, все будут роптать (исключая коммерсантов). В конце концов 20%-ное увеличение срока службы изделия более или менее эквивалентно 20%-ному повышению производительности.
Не сомневаюсь, сколько приложений имеют материалы, столько существует и определений “лучшего” материала. В то же время, если спросить нескольких конструкторов одного и того же изделия, какое именно качество используемого материала не позволяет им проектировать и делать лучшие изделия, ответы будут самыми разными, часто противоречивыми. Один и тот же конструктор через неделю может дать уже совсем другой ответ. Видимо, эти диалоги не поднимутся до уровня сократовых.
Все это на первый взгляд кажется удивительным, но, я думаю, найдет объяснение примерно в следующем. Вопреки обычным представлениям не материал выбирается для изделия, а скорее наоборот - изделие проектируется в расчете на материал. Следовательно, любое существенное изменение материала может повлечь полное переосмысливание изделия. В этом и кроется возможное объяснение того, в чем заключаются трудности конструктора, полагающегося только на интуицию. Основываясь на собственном опыте проектирования, я думаю, что обычно приходится выбирать какой-то удобный материал, а затем конструировать изделие с учетом его качеств и возможностей, которые он предоставляет. Свойства материала в значительной степени видятся как нечто неделимо связанное, и мысли об изменении отдельных этих свойств даже не возникает.
Так или иначе, но конструктор почти не направляет материаловеда в его работе. Больше того, даже подсказки конструктора материаловед обычно игнорирует. Я думаю, что причина здесь в том, что инженеру трудно оценить, сколь сложна разработка совершенно нового материала. Ведь она требует по крайней мере пятилетнего труда и стоит больших средств. К тому времени, как материаловед что-то сделает, вполне возможно, что инженер уже многое передумает. Следовательно, обычно материаловед должен подходить к разработке нового материала, полагаясь лишь на собственные познания и опыт.
Однако картина в целом не так уж беспросветна. Прежде всего область применения новых материалов ограничена их высокой первоначальной ценой и высокой стоимостью исследований. Позволить себе роскошь использовать такие материалы обычно могут лишь те, кто делает изделия для военных целей и авиации *.
* Фирма, в которой я одно время служил, разработала уплотнение для водяного насоса автомобиля, которое гарантировало пробег 160 000 км. Цена его была лишь несколько выше обычной, но ни одна из автомобильных фирм этим не заинтересовалась.
Стоимость разработки экзотических материалов может быть очень высокой, но порой такие материалы могут сберечь не только большие средства, но и жизни. И потом- вспомним историю. Сталь была получена как дорогой материал для мечей; алюминий пошел в ход для кавалерийских касок, когда килограмм его стоил 150 фунтов стерлингов; полиэтилен был разработан как дорогой материал для использования в локаторах.
Потенциальное воздействие новых, необычных для сегодняшнего времени материалов иллюстрируется некоторыми цифрами, приведенными ниже (табл. 1). Эти цифры показывают изменение веса самолета и полезной нагрузки с внедрением новых материалов, появление которых можно предвидеть. Они относятся к дозвуковым самолетам трансатлантических линий. Следовательно, полезная нагрузка 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” | ||||
| Проектируемый самолет |
Ясно, что подобное приложение новых материалов стоит внимания, поэтому оно является сегодня целью многих материаловедческих исследований. Каким же путем можно достичь нужных результатов? Какого сорта материалы необходимы?
Практически мы не в силах сколько-нибудь заметно повлиять на свойства природной древесины. Но, может быть, мы способны изменить свойства металла, например алюминия, или заменить его другим металлом, получше? На первый взгляд кажется, что стоит лишь увеличить прочность нашего металла - и все проблемы решены: ведь в конце концов самолеты проектируются так, чтобы запасы прочности были бы по возможности меньше, лишь бы обеспечить надежность. Следовательно, если бы материалы были прочнее, части самолета можно было бы делать более тонкими, а потому и более легкими. До известной степени это верно, но только до известной степени.
Следует помнить, что, хотя мы и можем значительно изменять прочность и вязкость твердых тел, их жесткость не поддается нашему контролю. Модуль Юнга зависит исключительно от химической природы твердого тела, и как с данным веществом ни возись, модуль упругости его не изменить. Если нам нужен другой модуль, мы должны взять другое вещество. Следовательно, если мы увеличиваем прочность какого-либо тела, например металла, то делаем это путем увеличения предельной упругой деформации. Поэтому, чтобы использовать более высокую прочность, мы должны работать при больших деформациях. Это означает, что перемещения в конструкции возрастут, и, если мы резко повысим напряжения с целью экономии веса, мы получим намного большие перемещения. Последствия такого рода усовершенствований видны на рис. 5; ясно, что такие формы крыла недопустимы.
Многие элементы конструкции самолета находятся в состоянии сжатия. Более того, сжатые элементы обычно имеют вид стержней и пластинок, тонких в сравнении с их длиною. А как уже говорилось в главе 1, элементы такого рода теряют несущую способность не потому, что они разлетаются на куски, а вследствие упругого выпучивания, связанного не с недостатком прочности, а с пониженной жесткостью. Это явление называется эйлеровой потерей устойчивости.
Кроме того, некоторые элементы самолетной конструкции выходят из строя не под нагрузкой, постоянно действующей в одном направлении, а вследствие так называемого флаттера. Это означает, что в определенных условиях обшивка ведет себя в потоке воздуха подобно полощущемуся на ветру флагу. Бороться с 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 модуль Юнга. Следовательно, увеличить модуль упругости столь же важно, как и увеличить прочность.
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 жесткости приходится на единицу веса. Удельные величины получаются делением абсолютных величин на удельный вес или плотность материала. С этой точки зрения полезно взглянуть на модули Юнга обычных технических материалов, которые приведены в табл. 2.
Таблица 2
| Материал | Удельный вес g, г/см3 | E, кГ/см2 × 10-4 | Е/g условные единицы |
| Молибден Железо Титан Алюминий Кварц и обычное стекло Магний Древесина (ель, параллельно волокну) | 10,5 7,8 4,5 2,7 2,5 1,7 0,5 | 3,0 2,1 1,2 0,75 0,70 0,45 0,135 | 2,9 2,83 2,7 2,8 2,8 2,7 2,7 |
Из таблицы видно, что удельный модуль упругости E/g всех этих материалов практически одинаков. Вероятно, в этом нет какого-либо глубокого философского смысла, совпадение здесь - дело случая. Но так или иначе, а сам по себе факт совпадения удельных модулей ставит инженеров и материаловедов в весьма затруднительное положение. Ведь как бы мы ни старались улучшить прочность принятых материалов, мы оказываемся привязанными к одному и тому же удельному модулю. Это означает, что, если мы хотим достичь поставленных целей, мы должны отказаться от всех ходовых материалов, в обращении с которыми накоплен большой опыт.
Что же остается делать? Что это за вещества, которые имеют более высокие модули? Оказывается, таких веществ не так уж много, но все же они есть. Лучшие из них приведены в табл. 3.
Таблица 3
| Вещество | Удельный вес g, г/см3 | E, кГ/см2 × 10-4 | Е/g усл. единицы | Темп. плавл., ° C |
| Нитрид алюминия Окись алюминия Бор Окись бериллия Бериллий Углерод, усы Окись магния Кремний Карбид кремния Нитрид кремния Нитрид титана. | 3,3 4,0 2,3 3,0 1,8 2,3 3,6 2,4 3,2 3,2 5,4 | 3,5 3,9 4,2 3,5 3,1 7,7 2,9 1,6 5,6 3,9 3,5 | 10,6 9,8 18,0 11,6 17,2 33,5 8,0 6,7 17,5 12,2 6,5 | 2450 2020 2300 2530 1350 3500 2800 1400 2600 1900 2950 |
Эта таблица в некотором смысле обнадеживает; она показывает, что есть в природе твердые тела, у которых удельный модуль Юнга больше, чем у традиционных технических материалов, грубо говоря, в десять раз. По-видимому, эти материалы открывают захватывающие перспективы. В то же время их список обескураживает. Все эти материалы в нормальных условиях весьма непрочны и хрупки, получать их можно обычно только при очень высоких температурах, некоторые из них токсичны.
Единственным металлом в этом списке является бериллий. Тот самый бериллий, который в опасной степени токсичен. Предположим на время, что нам удается побороть 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 главным образом в том, что при нормальных температурах дислокации в кристалле бериллия подвижны только в четырех плоскостях, в то же время, как мы видели в главе 8, кристалл должен иметь пять плоскостей скольжения, чтобы сопротивляться трещинам, бегущим в любой его плоскости. Несмотря на упорные попытки ученых заставить бериллий вести себя, как подобает “настоящему” металлу, заметных достижений в этой области нет. По-видимому, препятствия на этом пути связаны с особенностями кристаллической структуры этого металла. Остается подойти к проблеме по-иному. Может быть, можно уменьшить хрупкость бериллия, добавив в него немного волокон, как в случае льда и древесной пульпы (глава 8). Если такой эксперимент оказался бы успешным, можно было бы, я думаю, придумать какую-нибудь защиту от токсической опасности. Но тогда выплыло бы очередное препятствие: бериллий дорог, и с этим, кажется, ничего не поделаешь (отчасти из-за предосторожностей, необходимых при работе с ним). Остается только уповать на то, что последующий ход событий что-то из сказанного опровергнет.
Если нам не удается приручить бериллий, что бы мы могли предпринять еще? Ясно, что можно бы взяться за один из керамических материалов, приведенных в табл. 3. Из всех них только в окиси магния дислокации подвижны при комнатной температуре. И действительно, в лабораторных опытах можно получить очень правдоподобную имитацию пластичного поведения на достаточно чистых кристаллах окиси 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 (поваренная соль). Для этого он добавил в поваренную соль золото (процесс диффузии шел в тщательно контролируемых условиях), атомы золота расположились на решающих позициях в кристалле и обеспечили движение дислокаций в нужных направлениях. Не исключено, что идея Форти поможет превратить окись магния в полезный материал.
Что бы мы ни предпринимали для управления подвижностью дислокаций в тех кристаллах, где они при нормальных условиях не очень подвижны, всегда остается общая трудность - вопрос чистоты кристалла. Обычно такие кристаллы должны быть очень тщательно очищены от -примесей, чтобы обеспечить движение дислокаций. Если какие-либо примеси и допустимы, то их содержание должно быть строго ограничено. Вполне возможно, что такая чистота не только дорого обойдется в процессе производства, но и во время службы материала ее будет очень трудно поддерживать. Многие кристаллы впитывают в себя чужеродные атомы (особенно атомы газов) намного охотнее, чем принято думать. Этот процесс может понемногу идти уже при комнатной температуре, но он особенно ускоряется с нагревом материала. Поскольку многие ответственные детали эксплуатируются при повышенных температурах, есть опасность охрупчивания материала 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 вести себя подобно металлам очень уж многообещающи.
Допустим, все это верно. Что же нам тогда делать? По-моему, чтобы ответить на 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 увеличения подвижности дислокаций и обратиться к волокнистым материалам, в которых внутренние поверхности могут тормозить развитие трещин. Конечно, если мы решим связать волокна между собой с помощью пластичного металла, то получим какой-то выигрыш и от его пластичности, но опыт показывает, что этот вклад может быть и незначительным.
Какие вещества следует нам выбирать для волокон? С точки зрения дислокационной подвижности мы должны требовать всего или ничего. Если дислокации по-настоящему подвижны, мы можем получить обычный пластичный материал, и нам нет смысла связываться с волокнами. Но если уж мы принялись за волокна, то нам нужно исключить какое бы то ни было движение дислокаций. Пользы от такого движения не будет никакой, а вреда может быть много - оно разупрочнит волокна. Поэтому бериллий и окись магния здесь не подойдут.
Большинство остальных веществ, приведенных в табл 3 имеют направленные ковалентные связи, при нормальных температурах дислокации в них остаются неподвижными. Как раз это-то нам и нужно. Но почти во всех других отношениях эти вещества представляют собой, мягко выражаясь, крепкий орешек для материаловедов. Их получение связано, вообще говоря, со значительными трудностями и возможно лишь 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 этих веществ, почти наверняка будут разрушать стенки технологических аппаратов.
В главе 3 подчеркивалось, что задача теории 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 всегда присущи твердым телам. Напомним, что в случае хрупких тел, в которых дислокации неподвижны, ослабляющими дефектами являются небольшие геометрические искажения, на которых возникает концентрация напряжений. В тех случаях, когда внутри кристалла все обстоит более или менее благополучно, опасность могут представлять поверхностные дефекты. Большинство ковалентных керамических материалов, приведенных в табл. 3, существует в виде порошка или неправильной формы кусков. 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 разных странах, теперь мы знаем довольно много путей, которые ведут к получению прочных жестких волокон, но ни один из них не легок и не очень дешев. Достаточно упомянуть, что для получения таких волокон требуется температура в пределах от 1400 до 3500° C. Сейчас волокна обычно обрабатываются при высокой температуре в течение часов и даже дней. Сделать печь, которая работала бы при этих температурах в коррозионных условиях и позволяла бы поддерживать приемлемую химическую чистоту в реакционной камере,- очень серьезная техническая задача.
Такие “сверхволокна” обычно делятся на два больших класса - непрерывные волокна и усы. Непрерывные волокна имеют, конечно, большую длину; часто их можно наматывать на бобину, как нейлон или стекловолокно. Они могут иметь любую толщину, но чаще всего она лежит в пределах от 5 до 100 мкм. Обращаться с ними можно, как со стекловолокном, но более толстые волокна жестче на изгиб, и работать с ними, понятно, труднее. Толщина усов обычно 1 мкм, а длина порядка миллиметра, хотя некоторые усы вырастают длиною до нескольких сантиметров.
Модули упругости большинства этих волокон лежат где-то в области между 3,5 × 104 и 7,0 × 104 кГ/мм2, а поскольку их плотность колеблется примерно от 2 до 4, то удельные модули вполне оправдывают ожидания в десять раз превышая соответствующие константы обычных технических материалов. Прочность всех непрерывных волокон довольно высока, но в настоящее время ее нельзя назвать исключительно высокой. Обычно она лежит между 175 и 350 кГ/мм2 - эти величины близки к прочности обычных стекловолокон и отражают чрезвычайные трудности изготовления длинных волокон, свободных от микродефектов. Усы часто 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 требуется очень тщательно уложить армирующие волокна в одном направлении, иногда этого добиваются путем намотки непрерывных волокон и пропитки их связующей смолой, то есть делают своего рода кокон. Часто так делают сосуды давления и трубы. Это, казалось бы, преимущество непрерывных волокон, но вот недавно был разработан способ, по которому короткие волокна (например, усы) сортируются, разбраковываются, а затем во влажном состоянии перерабатываются в непрерывную пряжу, вроде хлопчатобумажной, с которой потом можно обращаться так же, как с непрерывными волокнами. В ряде случаев из усов получают суспензию в какой-нибудь жидкости, которую можно легко формовать, как бумажную массу.
Выбор волокон зависит в некоторой степени от типа матрицы, которую решено использовать. Пластики и смолы имеют малый удельный вес и с ними легко работать, их нетрудно формовать, они вообще обладают многими преимуществами. С другой стороны, их прочность и модуль упругости малы, поэтому они не очень хорошо передают нагрузку от одного волокна к другому, то есть их нельзя пожалуй, считать хорошими связующими материалами. По этой причине в тех случаях, когда в качестве матрицы используется смола, применяются длинные непрерывные волокна. Смола позволяет очень эффективно использовать свойства непрерывных волокон и не годится в качестве матрицы для коротких волокон - например, усов.
Металлические матрицы заведомо лучше смол ведут себя, начиная примерно со 150° C. Они и нагрузку от волокна к волокну передают лучше смолы и потому более подходящи для связывания усов: позволяют лучше использовать прочность и жесткость усов. Однако армировать металлическую матрицу труднее, поскольку температура и давление формования здесь высоки. Сегодня можно предположить, что в будущем волокнистые материалы на основе смол найдут свое место в крупных 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, использоваться в более мелких деталях. Впрочем, это такая область, в которой события развиваются довольно 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 практически годных. Наибольшие усилия затрачены на усы карбида кремния, нитрида кремния и окиси алюминия (сапфира). Информации о процессах получения волокон почти нет.
Непрерывные волокна.
Бор. Бор осаждается на тонкую нагретую нить - подложку, которая непрерывно протягивается через реакционную камеру. Камера содержит одно из газообразных соединений бора, например трихлорид бора ВСl3 или гидрид бора В2Н2, которое, коснувшись горячей нити, разлагается с образованием чистого бора.
Карбид кремния. В общих чертах процесс получения волокна карбида кремния 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 непрерывного органического волокна - вискозы пли синтетического полимера по технологии, аналогичной получению угольных нитей для ламп накаливания. Если правильно поставить процесс, углерод рекристаллизуется в непрерывное графитовое волокно.
Усы.
Известен целый ряд процессов получения усов. Механизмы протекания этих процессов весьма сложны Обычно лучшие усы получаются из газовой фазы, то есть химическая реакция в высокотемпературной печи идет между газообразными реактивами. Если азот или кислород нетрудно подать в зону реакции в виде газов, то такие элементы, как кремний, углерод, алюминий и т.д., сами по себе не транспортируются. Поэтому приходится прибегать к так называемым транспортным веществам. Ими могут служить такие соединения, как SiO2, SiCl4, СН4, Аl2О3 и т.д. Обычно стремятся получить весомые количества бездефектных прочных усов возможно более быстрым и дешевым путем. К сожалению, когда реакция ускоряется, качество получаемых усов, как правило, страдает, что сильно усложняет всю проблему. Чрезвычайно сложные реакции, которые могут протекать при выращивании усов, приходится анализировать с помощью вычислительных машин. К настоящему времени количество усов высокого качества измеряется килограммами, цена их довольно высока, поэтому ведутся усиленные работы как над увеличением выхода усов, так и над уменьшением их стоимости.
Вполне возможно, что некоторые из этих работ окажутся успешными, и в скором времени количество получаемых усов будет измеряться тоннами. Их стоимость вначале будет довольно высокой, но если хоть как-то можно полагаться на исторические параллели, то цена придет к вполне удобоваримым величинам в течение примерно десятка лет. Сомнительно, конечно, чтобы она когда-нибудь стала сравнимой с ценой обычной стали и технической древесины.
Во всяком случае, сейчас мы имеем достаточное количество таких волокон для проведения поисковых работ в стенах лабораторий. Работы эти не столь просты, как может показаться. Даже располагая самыми прочными и жесткими усами, вы можете испортить ими идеальную матрицу Изготовление армированных материалов требует большой сноровки. Теория упрочнения волокнами основывается на довольно громоздком математическом аппарате она не дает скучать ЭВМ и 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 лабораторий регулярно делают небольшие партии армированных волокнами материалов, свойства которых оказываются довольно близкими к теоретически предсказанным. Приводить здесь конкретные величины, пожалуй, бесполезно, поскольку каждый материал нужно характеризовать целым набором свойств. Но я не побоюсь утверждать, что некоторые из новых материалов вдвое лучше тех, что были известны до спх пор. Впервые в истории человек стал управлять своими конструкционными материалами, целеустремленно и рационально создавать материалы, удовлетворяющие определенным нуждам.
Прежде всего такие материалы будут использованы в тех областях, где к конструкциям предъявляются повышенные требования. Быть может, они вызовут необыкновенные преобразования в авиации, позволив резко снизить стоимость воздушных перевозок. На это можно возразить, что подобные рассуждения напоминают попытку перелить старое вино в новые бутылки. Возможно, так оно и есть, только всегда ли это плохо? Впрочем, не следует исключать того, что с появлением новых материалов появятся принципиально новые устройства. Такую перспективу не следует исключать, но предсказать здесь что-нибудь определенное невозможно. Приведем небольшой пример, который касается большинства из нас. Зубные пломбы беспокоят многих. Керамика (фосфатный цемент), которую используют зубные врачи, всегда была слишком хрупкой; металлы (например, золото) обычно слишком мягки. Сейчас изучаются возможности армирования золота усами. Такой материал будет сочетать высокую прочность и твердость с вязкостью, что очень важно для пломб. В этом случае относительно высокая стоимость золота и усов серьезного значения не имеет.
Массовое применение новых материалов, несомненно, зависит от снижения стоимости производства волокон до действительно приемлемого уровня. Трудно сказать, сколько еще ждать, но уже сейчас возможен интересный компромисс - использование асбестов. Асбест, можно сказать, представляет собой природные усы, которые донимаются в карьерах; он довольно дешев. Механические свойства волокон асбеста уступают лучшим усам, он они значительно превосходят и металлы, и стекловолокно, особенно если принять во внимание их вес. В прошлом асбест часто использовался для армирования пластиков, но эта идея была дискредитирована безобразной технологией. Сейчас есть возможность применить для асбестовых волокон методы, созданные для переработки усов. Это позволит резко улучшить свойства таких армированных материалов. Композиционные материалы типа смола - асбест должны найти широкое применение.
Армированные материалы довольно хороши в промышленных условиях, здесь они могут играть важную роль, хотя производство их довольно трудоемко. Мне кажется, мы очень нуждаемся, кроме того, в улучшенных материалах для самого широкого потребителя, материалах, которые не требуют сложного оборудования для обработки. Ясно, что образцом при создании таких материалов должна быть древесина. Механические свойства дерева превосходны, хотя никто не возражал бы, если бы они были еще лучше. Недостатки древесины определяются ее биологическим происхождением. Она усыхает, разбухает, гниет, нуждается в окраске, требует ухода. Эффективность древесины в легких конструкциях, простота ее обработки (а именно в этом каждый из нас и заинтересован в первую очередь) определяются малой плотностью этого материала.
На нынешнем уровне знаний можно было бы взять армированный, но практически инертный материал и заполнить его порами нужных размеров и формы, чтобы получить вещество с удельным весом примерно 0,5, которое можно легко резать и обрабатывать. Если в качестве связующего использовать один из термопластов, то такой материал можно было бы не только пилить, строгать, сверлить, но также гнуть и формовать при подходящей температуре. Такой материал потребовал бы тонких научных разработок, но, будучи дешевым, он имел бы и очень много достоинств. И они определялись бы не только удобствами для любителей и кустарей, 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, становятся пороком и причиной срывов при реализации сложных технических проектов.
Есть еще один подход к решению проблемы новых материалов, о котором мы еще не говорили. По-видимому, ему уделяется больше внимания в Японии. Мы уже подчеркивали, что польза древесины и целлюлозы вообще определяется ее низкой плотностью в сочетании с отличным модулем Юнга. Удельный модуль древесины 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, построенных в значительной степени из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связь между углеродными атомами жесткая: это ведь та же связь, что и в алмазе.
Большинство синтетических полимеров также построено из цепей атомов углерода. Полиэтилен, например, состоит просто из (СН2)n. Другие синтетические полимеры химически несколько сложнее, но их упругие свойства не очень отличаются от полиэтилена. Далее, модуль упругости алмаза изменяется примерно от 8×104 до 12×104 кГ/мм2 в зависимости от того направления, в котором он измеряется. Алмаз имеет плотность около 3,5, то есть атомы углерода упакованы в нем более плотно, чем в полиэтилене, имеющем плотность около 0,92. Если мы введем все необходимые поправки, то найдем, что модуль полиэтилена в направлении цепочек должен быть примерно 2,5×104 кГ/мм2. Другие полимеры должны иметь жесткость того же порядка.
Однако экспериментально определенный модуль упругости полиэтилена равен приблизительно 200 кГ/мм2, то есть примерно в сто раз меньше теоретического. Почти такое же положение с другими синтетическими полимерами. Удивительно, что авторы учебников (описывающие химическое строение полимерных цепочек в умилительных подробностях) не только не объясняют такого расхождения, но даже не замечают его.
Здесь напрашивается объяснение, ставшее возможным после работ Франка и Келлера (Бристольский университет). Уже давно известно, что молекулы-цепочки большинства природных и искусственных полимеров в некоторой степени кристалличны, наподобие натуральной целлюлозы (глава 5). Однако работы Франка и Келлера показали, что природа кристаллов в природном и синтететическом полимере различна. В целлюлозе как сами молекулы, так и продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому на практике реализуется большая доля теоретического модуля. В материалах же типа полиэтилена Келлер обнаружил, что цепочки (СН2)n уложены совсем иначе. Если взглянуть на эту структуру глазами инженера, сразу станет ясным, что лишь очень малая доля жесткости углеродной цепочки реализуется в макроскопическом модуле пластика: здесь работают фактически не первичные ковалентные связи, а лишь вторичные силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют между складками цепочки.
Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуются с известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярных кристаллов типа фталоцианина (глава 1).
Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров (таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрения существует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способом во время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахариды и, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче. Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозы в качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основания журналам мод писать о “хрустящем” хлопке.
Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкость трудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтилена в условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этих кристаллов превышал 3500 кГ/мм2. Ему все еще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в 15 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 при кристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом по сравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существует также принципиальная возможность делать неармпрованные пластики с модулем Юнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, что прочность и вязкость такого материала также будут высоки.