Чтение онлайн

Для повышения термостойкости и лучшей связи с материалом матрицы тем же способом на поверхность борного волокна наносят тонкий слой (2-6 микронов) карбида кремния или карбида бора.

Однако не стоит предвосхищать события: ожидаемый эффект может и не состояться, "смазаться" различного рода включениями, трещинами, пустотами в крупных кристаллах, устранение которых чрезвычайно сложная задача. Есть у борных волокон, с точки зрения специалистов, и еще один серьезный недостаток: при их создании используют в качестве подложки (или, как говорят, керна) вольфрамовую проволоку. А вольфрам дорог и тяжел. Вот почему ученые так настойчиво решали проблему замены вольфрамовой проволоки менее дорогой, а главное, более легкой подложкой в виде углеродных волокон.

Сегодня борные волокна с использованием керна из углеродных волокон реальность. Причем сами углеродные волокна могут быть разных свойств и достоинств. Это зависит от качества сырья, из которого волокна производились, от условий их получения и, наконец, от дополнительных обработок, которым они подвергались. Существуют разновидности углеродных волокон, отличающиеся более высоким модулем упругости при несколько меньшей прочности и более высокой прочностью при сниженном модуле упругости.

Но тому, кто интересуется проблемами материаловедения и созданием композитов, наверняка уже встречался термин "никалон". Пришел он в научно-популярную литературу из Японии, где освоено массовое производство бескерновых волокон карбида кремния. Их-то и назвали никалоном. Волокна эти отличаются малой плотностью, высокими механическими характеристиками, низким химическим взаимодействием со многими материалами. Свойства волокон никалона практически не меняются в интервале температур от абсолютного нуля до плюс 500 градусов Цельсия. А это значит, что на его основе может быть создан высокопрочный материал, успешно работающий во всем этом огромном температурном интервале.

В США и Западной Европе проявляют повышенный интерес не только к никалону, но и к другим типам высокопрочных волокон малой плотности, стеклянным волокнам и к коротким волокнам (так называемым нитевидным кристаллам) карбида кремния и окиси алюминия.

Но от волокна, обладающего даже суперкачествами, до конструкционного материала еще долгий и нелегкий путь. Сначала их нужно превратить в полуфабрикаты - плиты, листы, профили. Для чего волокно необходимо связать матрицей, которая может быть полимерной или металлической. Добиваются этого по-разному - спеканием, полимеризацией, погружением в жидкий металл (с последующим затвердением его).

В качестве полимерной матрицы обычно используются синтетические смолы, а металлической - алюминиевые сплавы. Применяются также магниевые, титановые и никелевые сплавы. И получают в конце концов композиционный материал, в котором сочетаются лучшие свойства упрочняющих волокон и матриц.

Такое сочетание металлических и полимерных компонентов открывает ученым и практикам не только широкие возможности варьирования эксплуатационных свойств, но и разработки принципиально новых материалов, обладающих уникальным комплексом характеристик.

Взять хотя бы слоистый материал алор, представляющий собой сочетание алюминиевых сплавов с органопластикой. В зависимости от состава, структуры и метода изготовления его прочность может составлять от 45-55 до 70-85 кг/мм2. Применение алоров гарантирует снижение плотности на 10-20 процентов, повышение его удельной прочности на 15-20 процентов и уменьшение скорости роста усталостной трещины в 10 раз по сравнению с аналогичными характеристиками традиционных алюминиевых сплавов. Стоит ли говорить, что качественный скачок в повышении эксплуатационных характеристик композиционных материалов находится в прямой зависимости от того, как скоро будет поставлено "на поток" пространственное армирование упрочняющими волокнами.

Вот почему создание композиционных материалов в наши дни становится все более важнейшей задачей науки и производства, настойчиво совершенствуются свойства волокон, расширяются масштабы и методы их производства. Возникла даже специальная наука, занимающаяся расчетами и конструированием деталей из композиционных материалов. За рубежом, например, функционируют десятки фирм, в том числе и многонациональных, специализирующихся на производстве волокон и композиционных материалов.

Успехи в повышении качеств волокон поразительные.

Так, прочность углеродных волокон в опытном производстве уже достигла рубежа 500-700 кг/мм2 (330-540 километров), а модуль упругости 50000-80000 кг/мм2 (57000 километров). А действующая в Японии общенациональная восьмилетняя программа (1981 -1989 гг.)

под научным руководством профессора Хаяси предусматривает к 1989 году взятие "барьера" прочности металлических композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов и непрерывных волокон карбида кремния порядка 235 кг/мм2 (100 километров). Материалы этого типа сегодня с успехом применяют, например, в Японии, гарантируя высочайшую надежность продукции машинои приборостроения.

Тенденция широчайшего проникновения композиционных материалов в промышленность прослеживается повселестпо. Так, в самолетостроении в ближайшем будущем пх доля составит 40 процентов от веса конструкции.

И нет никаких сомнений в том, что композиционные материалы, по существу, совершают сегодня настоящую техническую революцию.

Убедиться в этом нетрудно. Достаточно сопоставить максимальную удельную прочность традиционных материалов, стали, алюминиевых, магниевых, титановых сплавов (она не превышает 25-30 километров), с перспективными композиционными материалами (здесь иной показатель - 100 километров). Удельный модуль упругости всех материалов (за исключением бериллия), как мы уже знаем, 2400-2600 километров, а лучших металлических композиционных материалов - 10000 километров.

Все эти качества композиционных материалов открывают конструкторам возможность искать и находить новые невиданные решения, нередко ломающие традиционные представления о возможностях техники вообще. Так, создание американскими специалистами сверхзвукового самолета с обратной стреловидностью, направленной вперед (так называемая схема утки), а не назад, как в обычных сверхзвуковых самолетах, стало реальностью лишь благодаря использованию именно таких уникальных композитов. Схема утки перспективнейшее конструкторское решение, если, конечно, крылья модели будут обладать высочайшей жесткостью. Такую жесткость обеспечивают конструкции самолета композиционные материалы, и ни один традиционный металлический сплав здесь им не конкурент. Потому что только композиционные материалы обладают исключительно высокой усталостной прочностью, а процесс развития усталостных трещин происходит в них в сто раз медленнее, чем в материалах традиционных.

Перспективы использования композиционных материалов, совершенствования их - самые обнадеживающие.

По крайней мере, путь, по которому следует сегодня идти создателям новых материалов, совершенно ясен, поскольку очевидно, какие именно комбинации способны гарантировать наибольший эффект. Это, прежде всего, сочетание высокопрочных волокон и алюминиево-литиевых сплавов, а для условий работы при высоких температурах - использование титановой и никелевой матриц.

Можно ли недооценивать роль композиционных материалов в ускорении научно-технического прогресса в таких важнейших отраслях, как машино- и приборостроение, электроника и авиация? И хотя советская индустрия и сегодня может гордиться серьезными достижениями в создании композиционных материалов, мы все еще рассматриваем их как материалы будущего.

Но почему только будущего? Они нам нужны сегодня, понадобятся завтра, без них не обойтись и послезавтра.

Им трудиться в нынешней двенадцатой пятилетке, определять достижения тринадцатой. Но для этого уже сегодня темпы работы по созданию композиционных материалов должны быть ускорены. Стране необходима мощная индустрия по производству волокон и композиционных материалов. Эта задача поставлена XXVИ съездом КПСС:

"создать и освоить производство новых видов высокопрочных и высокомодульных химических волокон и нитей..." - говорится в его документах.