Химия в бою - [30]

Сообщалось, что использование монокристаллических нитей и металлических матриц позволяет уже сейчас получать конструкционные материалы с пределом прочности до 500 кг/мм² и более. Кроме того, многие композиционные материалы сохраняют высокие значения своих характеристик в условиях работы при очень большой температуре. Так, образцы, изготовленные из композиционного материала на основе серебряной матрицы, армированной нитевидными кристаллами сапфира, сохраняют свои механические характеристики при температуре, близкой к точке плавления серебра. По сообщениям зарубежной печати, сейчас ведутся исследования, связанные с получением нитевидных кристаллов специально из жаропрочных материалов — вольфрама, молибдена, тантала.

От нити к материалу

Технология производства деталей и конструкций из композиционных материалов имеет ряд специфических особенностей и представляет значительную сложность. Кроме правильного подбора матриц и армирующих нитей по соображениям прочности, температурным характеристикам и т. д. необходимо принимать в расчет возможность химического взаимодействия материалов матрицы и арматуры, растворимость нитей в расплавленной матрице, смачиваемость нитей арматуры материалом матрицы. В некоторых случаях, отмечалось в печати, приходится покрывать монокристаллические нити специальными изолирующими или связующими покрытиями для получения нужных условий на границах арматуры и матрицы.

При изготовлении листов, профилей, различных деталей и конструкций из композиционных материалов на основе металлических и керамических матриц в настоящее время применяются различные методы: отливка, жидкая инфильтрация (пропитка), порошковая металлургия, диффузионное склеивание. Некоторые методы предусматривают предварительное покрытие монокристаллических нитей материалом, предназначаемым в качестве матрицы, с последующей формовкой, прессованием и спеканием заготовки или сразу готовой детали, не требующей механической обработки. Однако технологические процессы производства конструкций из композиционных материалов, и особенно процессы выращивания нитевидных кристаллов, остаются пока что мало освоенными и весьма дорогими.

Однако трудности эти, как полагают, со временем будут преодолены.

Замечательным свойством композиционных материалов на основе монокристаллических нитей оказывается то, что они обеспечивают получение более прочных деталей при значительно меньшем весе. Снижение веса достигается не только путем уменьшения объема используемого материала ввиду его большой прочности, но и за счет того, что композиционный материал, как правило, имеет меньший удельный вес, чем те обычные конструкционные материалы, которые он заменяет. В печати сообщалось, что армирование волокнами сапфира в 20–25 раз повышает удельную прочность серебра, в 12–15 раз — чистого алюминия, в 7–9 раз — эпоксидной смолы, в 3–4 раза — никеля.

Еще более существенно повышается при армировании нитевидными кристаллами предел текучести материалов, то есть нагрузка, при которой материал образца получает существенные остаточные деформации. Так, предел текучести алюминия и серебра, армированного нитями сапфира, повышается примерно в 30 раз при комнатной температуре и еще больше при повышенной. Материал, имеющий в своей структуре нитевидные кристаллы, менее чувствителен также к «усталости». Он более устойчив при вибрациях и опасных колебаниях авиационных конструкций типа флаттер. Причина такой повышенной устойчивости состоит в том, что каждое из тысяч волокон композиционного материала в конструкции несет свою нагрузку независимо, так что разрыв одного или нескольких волокон не снижает прочности остальных. Именно поэтому композиционный материал менее чувствителен к появлению и развитию «усталостных» трещин.

Исследования, интенсивно ведущиеся в лабораториях многих стран мира, направлены сейчас в основном на разрешение проблем, связанных с получением и обработкой монокристаллических нитей, выбором наилучших методов их размещения в матрицах, оптимизацией количества и ориентацией нитей в зависимости от величины и направления действия нагрузок и т. д. Характерно, что во многих случаях эти исследования производятся с помощью моделирования на электронных вычислительных машинах.

За стенами лабораторий

В настоящее время имеется немало примеров практического применения новых композиционных материалов в конструкциях авиационных и ракетных двигателей, самолетов и вертолетов. По сообщениям зарубежной печати, в 1967–1968 годах началось освоение промышленного производства деталей самолетов и ракет из бороволокна, графитового волокна и других композиционных материалов. Кроме лопастей роторов вертолетов и лопаток для газотурбинных двигателей из них уже изготавливаются и проходят испытания такие высоконагруженные элементы авиационных конструкций, как самолетные шасси, обшивка и силовой набор крыльев, фюзеляжей и оперения самолетов. Проведенные зарубежными специалистами расчеты показывают, что переход к композиционным материалам позволяет уменьшить вес этих элементов конструкций от 20 до 50 процентов, то есть примерно в полтора-два раза.