Кроме того, некоторые элементы самолетной конструкции выходят из строяне под нагрузкой, постоянно действующей в одном направлении, а вследствиетак называемого флаттера. Это означает, что в определенных условиях обшивкаведет себя в потоке воздуха подобно полощущемуся на ветру флагу. Боротьсяс 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 модульЮнга. Следовательно, увеличить модуль упругости столь же важно, как и увеличитьпрочность.
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 жесткостиприходится на единицу веса. Удельные величины получаются делением абсолютныхвеличин на удельный вес или плотность материала. С этой точки зрения полезновзглянуть на модули Юнга обычных технических материалов, которые приведеныв табл. 2.
Таблица 2
Материал / Удельный вес γ, г/см / E, кГ/см x 10 / Е/γ условные единицы
Молибден / 10,5 / 3,0 / 2,9
Железо / 7,8 / 2,1 / 2,83
Титан / 4,5 / 1,2 / 2,7
Алюминий / 2,7 / 0,75 / 2,8
Кварц и обычное стекло / 2,5 / 0,70 / 2,8
Магний / 1,7 / 0,45 / 2,7
Древесина (ель, параллельно волокну) / 0,5 / 0,135 / 2,7
Из таблицы видно, что удельный модуль упругости E/γвсех этих материалов практически одинаков. Вероятно, в этом нет какого-либоглубокого философского смысла, совпадение здесь - дело случая. Но так илииначе, а сам по себе факт совпадения удельных модулей ставит инженерови материаловедов в весьма затруднительное положение. Ведь как бы мы нистарались улучшить прочность принятых материалов, мы оказываемся привязаннымик одному и тому же удельному модулю. Это означает, что, если мы хотим достичьпоставленных целей, мы должны отказаться от всех ходовых материалов, вобращении с которыми накоплен большой опыт.
Что же остается делать? Что это за вещества, которые имеют более высокиемодули? Оказывается, таких веществ не так уж много, но все же они есть.Лучшие из них приведены в табл. 3.
Таблица 3
Вещество / Удельный вес γ, г/см / E, кГ/см x 10 / Е/γ усл. единицы / Темп. плавл., °C
Нитрид алюминия / 3,3 / 3,5 / 10,6 / 2450
Окись алюминия / 4,0 / 3,9 / 9,8 / 2020
Бор / 2,3 / 4,2 / 18,0 / 2300
Окись бериллия / 3,0 / 3,5 / 11,6 / 2530
Бериллий / 1,8 / 3,1 / 17,2 / 1350
Углерод, усы / 2,3 / 7,7 / 33,5 / 3500
Окись магния / 3,6 / 2,9 / 8,0 / 2800
Кремний / 2,4 / 1,6 / 6,7 / 1400
Карбид кремния / 3,2 / 5,6 / 17,5 / 2600
Нитрид кремния / 3,2 / 3,9 / 12,2 / 1900
Нитрид титана. / 5,4 / 3,5 / 6,5 / 2950
Эта таблица в некотором смысле обнадеживает; она показывает, что естьв природе твердые тела, у которых удельный модуль Юнга больше, чем у традиционныхтехнических материалов, грубо говоря, в десять раз. По-видимому, эти материалыоткрывают захватывающие перспективы. В то же время их список обескураживает.Все эти материалы в нормальных условиях весьма непрочны и хрупки, получатьих можно обычно только при очень высоких температурах, некоторые из нихтоксичны.
Единственным металлом в этом списке является бериллий. Тот самый бериллий,который в опасной степени токсичен. Предположим на время, что нам удаетсяпобороть 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/мм.Но сделать его достаточно вязким очень и очень трудно. Причина этого главнымобразом в том, что при нормальных температурах дислокации в кристалле бериллияподвижны только в четырех плоскостях, в то же время, как мы видели в главе 8,кристалл должен иметь пять плоскостей скольжения, чтобы сопротивлятьсятрещинам, бегущим в любой его плоскости. Несмотря на упорные попытки ученыхзаставить бериллий вести себя, как подобает "настоящему" металлу, заметныхдостижений в этой области нет. По-видимому, препятствия на этом пути связаныс особенностями кристаллической структуры этого металла. Остается подойтик проблеме по-иному. Может быть, можно уменьшить хрупкость бериллия, добавивв него немного волокон, как в случае льда и древесной пульпы (глава 8). Еслитакой эксперимент оказался бы успешным, можно было бы, я думаю,придумать какую-нибудь защиту от токсической опасности. Но тогда выплылобы очередное препятствие: бериллий дорог, и с этим, кажется, ничего неподелаешь (отчасти из-за предосторожностей, необходимых при работе с ним).Остается только уповать на то, что последующий ход событий что-то из сказанногоопровергнет.
Если нам не удается приручить бериллий, что бы мы могли предпринятьеще? Ясно, что можно бы взяться за один из керамических материалов, приведенныхв табл. 3. Из всех них только в окиси магния дислокации подвижны при комнатнойтемпературе. И действительно, в лабораторных опытах можно получить оченьправдоподобную имитацию пластичного поведения на достаточно чистых кристаллахокиси 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 (повареннаясоль). Для этого он добавил в поваренную соль золото (процесс диффузиишел в тщательно контролируемых условиях), атомы золота расположились нарешающих позициях в кристалле и обеспечили движение дислокаций в нужныхнаправлениях. Не исключено, что идея Форти поможет превратить окись магнияв полезный материал.
Что бы мы ни предпринимали для управления подвижностью дислокаций втех кристаллах, где они при нормальных условиях не очень подвижны, всегдаостается общая трудность - вопрос чистоты кристалла. Обычно такие кристаллыдолжны быть очень тщательно очищены от -примесей, чтобы обеспечить движениедислокаций. Если какие-либо примеси и допустимы, то их содержание должнобыть строго ограничено. Вполне возможно, что такая чистота не только дорогообойдется в процессе производства, но и во время службы материала ее будеточень трудно поддерживать. Многие кристаллы впитывают в себя чужеродныеатомы (особенно атомы газов) намного охотнее, чем принято думать. Этотпроцесс может понемногу идти уже при комнатной температуре, но он особенноускоряется с нагревом материала. Поскольку многие ответственные деталиэксплуатируются при повышенных температурах, есть опасность охрупчиванияматериала 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 вестисебя подобно металлам очень уж многообещающи.
Допустим, все это верно. Что же нам тогда делать? По-моему, чтобы ответитьна 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 увеличенияподвижности дислокаций и обратиться к волокнистым материалам, в которыхвнутренние поверхности могут тормозить развитие трещин. Конечно, если мырешим связать волокна между собой с помощью пластичного металла, то получимкакой-то выигрыш и от его пластичности, но опыт показывает, что этот вкладможет быть и незначительным.
Какие вещества следует нам выбирать для волокон? С точки зрения дислокационнойподвижности мы должны требовать всего или ничего. Если дислокации по-настоящемуподвижны, мы можем получить обычный пластичный материал, и нам нет смысласвязываться с волокнами. Но если уж мы принялись за волокна, то нам нужноисключить какое бы то ни было движение дислокаций. Пользы от такого движенияне будет никакой, а вреда может быть много - оно разупрочнит волокна. Поэтомубериллий и окись магния здесь не подойдут.
Большинство остальных веществ, приведенных в табл 3 имеют направленныековалентные связи, при нормальных температурах дислокации в них остаютсянеподвижными. Как раз это-то нам и нужно. Но почти во всех других отношенияхэти вещества представляют собой, мягко выражаясь, крепкий орешек для материаловедов.Их получение связано, вообще говоря, со значительными трудностями и возможнолишь 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 этихвеществ, почти наверняка будут разрушать стенки технологических аппаратов.
В главе 3 подчеркивалось, что задачатеории 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 всегдаприсущи твердым телам. Напомним, что в случае хрупких тел, в которых дислокациинеподвижны, ослабляющими дефектами являются небольшие геометрические искажения,на которых возникает концентрация напряжений. В тех случаях, когда внутрикристалла все обстоит более или менее благополучно, опасность могут представлятьповерхностные дефекты. Большинство ковалентных керамических материалов,приведенных в табл. 3, существует в виде порошка или неправильной формыкусков. 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 разныхстранах, теперь мы знаем довольно много путей, которые ведут к получениюпрочных жестких волокон, но ни один из них не легок и не очень дешев. Достаточноупомянуть, что для получения таких волокон требуется температура в пределахот 1400 до 3500° C. Сейчас волокна обычно обрабатываются при высокой температурев течение часов и даже дней. Сделать печь, которая работала бы при этихтемпературах в коррозионных условиях и позволяла бы поддерживать приемлемуюхимическую чистоту в реакционной камере,- очень серьезная техническая задача.
Такие "сверхволокна" обычно делятся на два больших класса - непрерывныеволокна и усы. Непрерывные волокна имеют, конечно, большую длину; частоих можно наматывать на бобину, как нейлон или стекловолокно. Они могутиметь любую толщину, но чаще всего она лежит в пределах от 5 до 100 мкм.Обращаться с ними можно, как со стекловолокном, но более толстые волокнажестче на изгиб, и работать с ними, понятно, труднее. Толщина усов обычно1 мкм, а длина порядка миллиметра, хотя некоторые усы вырастают длиноюдо нескольких сантиметров.
Модули упругости большинства этих волокон лежат где-то в области между3,5 x 10 и7,0 x 10 кГ/мм,а поскольку их плотность колеблется примерно от 2 до 4, то удельные модуливполне оправдывают ожидания в десять раз превышая соответствующие константыобычных технических материалов. Прочность всех непрерывных волокон довольновысока, но в настоящее время ее нельзя назвать исключительно высокой. Обычноона лежит между 175 и 350 кГ/мм - этивеличины близки к прочности обычных стекловолокон и отражают чрезвычайныетрудности изготовления длинных волокон, свободных от микродефектов. Усычасто намного прочнее, их средняя прочность может достигать 700-1000 кГ/мм,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 требуетсяочень тщательно уложить армирующие волокна в одном направлении, иногдаэтого добиваются путем намотки непрерывных волокон и пропитки их связующейсмолой, то есть делают своего рода кокон. Часто так делают сосуды давленияи трубы. Это, казалось бы, преимущество непрерывных волокон, но вот недавнобыл разработан способ, по которому короткие волокна (например, усы) сортируются,разбраковываются, а затем во влажном состоянии перерабатываются в непрерывнуюпряжу, вроде хлопчатобумажной, с которой потом можно обращаться так же,как с непрерывными волокнами. В ряде случаев из усов получают суспензиюв какой-нибудь жидкости, которую можно легко формовать, как бумажную массу.
Выбор волокон зависит в некоторой степени от типа матрицы, которую решеноиспользовать. Пластики и смолы имеют малый удельный вес и с ними легкоработать, их нетрудно формовать, они вообще обладают многими преимуществами.С другой стороны, их прочность и модуль упругости малы, поэтому они неочень хорошо передают нагрузку от одного волокна к другому, то есть ихнельзя пожалуй, считать хорошими связующими материалами. По этой причинев тех случаях, когда в качестве матрицы используется смола, применяютсядлинные непрерывные волокна. Смола позволяет очень эффективно использоватьсвойства непрерывных волокон и не годится в качестве матрицы для короткихволокон - например, усов.
Металлические матрицы заведомо лучше смол ведут себя, начиная примерносо 150° C. Они и нагрузку от волокна к волокну передают лучше смолы и потомуболее подходящи для связывания усов: позволяют лучше использовать прочностьи жесткость усов. Однако армировать металлическую матрицу труднее, посколькутемпература и давление формования здесь высоки. Сегодня можно предположить,что в будущем волокнистые материалы на основе смол найдут свое место вкрупных 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, использоватьсяв более мелких деталях. Впрочем, это такая область, в которой события развиваютсядовольно 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 практическигодных. Наибольшие усилия затрачены на усы карбида кремния, нитрида кремнияи окиси алюминия (сапфира). Информации о процессах получения волокон почтинет.
Непрерывные волокна.
Бор. Бор осаждается на тонкую нагретую нить - подложку, котораянепрерывно протягивается через реакционную камеру. Камера содержит одноиз газообразных соединений бора, например трихлорид бора ВСl3или гидрид бора В2Н2,которое, коснувшись горячей нити, разлагается с образованием чистого бора.
Карбид кремния. В общих чертах процесс получения волокна карбидакремния 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 непрерывногоорганического волокна - вискозы пли синтетического полимера по технологии,аналогичной получению угольных нитей для ламп накаливания. Если правильнопоставить процесс, углерод рекристаллизуется в непрерывное графитовое волокно.
Усы.
Известен целый ряд процессов получения усов. Механизмы протекания этихпроцессов весьма сложны Обычно лучшие усы получаются из газовой фазы, тоесть химическая реакция в высокотемпературной печи идет между газообразнымиреактивами. Если азот или кислород нетрудно подать в зону реакции в видегазов, то такие элементы, как кремний, углерод, алюминий и т.д., самипо себе не транспортируются. Поэтому приходится прибегать к так называемымтранспортным веществам. Ими могут служить такие соединения, как SiO2,SiCl4, СН4,Аl2О3 ит.д. Обычно стремятся получить весомые количества бездефектных прочныхусов возможно более быстрым и дешевым путем. К сожалению, когда реакцияускоряется, качество получаемых усов, как правило, страдает, что сильноусложняет всю проблему. Чрезвычайно сложные реакции, которые могут протекатьпри выращивании усов, приходится анализировать с помощью вычислительныхмашин. К настоящему времени количество усов высокого качества измеряетсякилограммами, цена их довольно высока, поэтому ведутся усиленные работыкак над увеличением выхода усов, так и над уменьшением их стоимости.
Вполне возможно, что некоторые из этих работ окажутся успешными, и вскором времени количество получаемых усов будет измеряться тоннами. Ихстоимость вначале будет довольно высокой, но если хоть как-то можно полагатьсяна исторические параллели, то цена придет к вполне удобоваримым величинамв течение примерно десятка лет. Сомнительно, конечно, чтобы она когда-нибудьстала сравнимой с ценой обычной стали и технической древесины.
Во всяком случае, сейчас мы имеем достаточное количество таких волокондля проведения поисковых работ в стенах лабораторий. Работы эти не стольпросты, как может показаться. Даже располагая самыми прочными и жесткимиусами, вы можете испортить ими идеальную матрицу. Изготовление армированныхматериалов требует большой сноровки. Теория упрочнения волокнами основываетсяна довольно громоздком математическом аппарате, она не дает скучать ЭВМи 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 лабораторийрегулярно делают небольшие партии армированных волокнами материалов, свойствакоторых оказываются довольно близкими к теоретически предсказанным. Приводитьздесь конкретные величины, пожалуй, бесполезно, поскольку каждый материалнужно характеризовать целым набором свойств. Но я не побоюсь утверждать,что некоторые из новых материалов вдвое лучше тех, что были известны досих пор. Впервые в истории человек стал управлять своими конструкционнымиматериалами, целеустремленно и рационально создавать материалы, удовлетворяющиеопределенным нуждам.
Прежде всего такие материалы будут использованы в тех областях, гдек конструкциям предъявляются повышенные требования. Быть может, они вызовутнеобыкновенные преобразования в авиации, позволив резко снизить стоимостьвоздушных перевозок. На это можно возразить, что подобные рассуждения напоминаютпопытку перелить старое вино в новые бутылки. Возможно, так оно и есть,только всегда ли это плохо? Впрочем, не следует исключать того, что с появлениемновых материалов появятся принципиально новые устройства. Такую перспективуне следует исключать, но предсказать здесь что-нибудь определенное невозможно.Приведем небольшой пример, который касается большинства из нас. Зубныепломбы беспокоят многих. Керамика (фосфатный цемент), которую используютзубные врачи, всегда была слишком хрупкой; металлы (например, золото) обычнослишком мягки. Сейчас изучаются возможности армирования золота усами. Такойматериал будет сочетать высокую прочность и твердость с вязкостью, чтоочень важно для пломб. В этом случае относительно высокая стоимость золотаи усов серьезного значения не имеет.