Массовое применение новых материалов, несомненно, зависит от снижениястоимости производства волокон до действительно приемлемого уровня. Трудносказать, сколько еще ждать, но уже сейчас возможен интересный компромисс- использование асбестов. Асбест, можно сказать, представляет собой природныеусы, которые донимаются в карьерах; он довольно дешев. Механические свойстваволокон асбеста уступают лучшим усам, но они значительно превосходят иметаллы, и стекловолокно, особенно если принять во внимание их вес. В прошломасбест часто использовался для армирования пластиков, но эта идея быладискредитирована безобразной технологией. Сейчас есть возможность применитьдля асбестовых волокон методы, созданные для переработки усов. Это позволитрезко улучшить свойства таких армированных материалов. Композиционные материалытипа смола - асбест должны найти широкое применение.
Армированные материалы довольно хороши в промышленных условиях, здесьони могут играть важную роль, хотя производство их довольно трудоемко.Мне кажется, мы очень нуждаемся, кроме того, в улучшенных материалах длясамого широкого потребителя, материалах, которые не требуют сложного оборудованиядля обработки. Ясно, что образцом при создании таких материалов должнабыть древесина. Механические свойства дерева превосходны, хотя никто невозражал бы, если бы они были еще лучше. Недостатки древесины определяютсяее биологическим происхождением. Она усыхает, разбухает, гниет, нуждаетсяв окраске, требует ухода. Эффективность древесины в легких конструкциях,простота ее обработки (а именно в этом каждый из нас и заинтересован впервую очередь) определяются малой плотностью этого материала.
На нынешнем уровне знаний можно было бы взять армированный, но практическиинертный материал и заполнить его порами нужных размеров и формы, чтобыполучить вещество с удельным весом примерно 0,5, которое можно легко резатьи обрабатывать. Если в качестве связующего использовать один из термопластов,то такой материал можно было бы не только пилить, строгать, сверлить, нотакже гнуть и формовать при подходящей температуре. Такой материал потребовалбы тонких научных разработок, но, будучи дешевым, он имел бы и очень многодостоинств. И они определялись бы не только удобствами для любителей икустарей, 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, становятсяпороком и причиной срывов при реализации сложных технических проектов.
Есть еще один подход к решению проблемы новых материалов, о котороммы еще не говорили. По-видимому, ему уделяется больше внимания в Японии.Мы уже подчеркивали, что польза древесины и целлюлозы вообще определяетсяее низкой плотностью в сочетании с отличным модулем Юнга. Удельный модульдревесины 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, построенныхв значительной степени из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связьмежду углеродными атомами жесткая: это ведь та же связь, что и в алмазе.
Большинство синтетических полимеров также построено из цепей атомовуглерода. Полиэтилен, например, состоит просто из (СН2)n.Другие синтетические полимеры химически несколько сложнее, но их упругиесвойства не очень отличаются от полиэтилена. Далее, модуль упругости алмазаизменяется примерно от 8x10до 12x10 кГ/мм2в зависимости от того направления, в котором он измеряется. Алмаз имеетплотность около 3,5, то есть атомы углерода упакованы в нем более плотно,чем в полиэтилене, имеющем плотность около 0,92. Если мы введем все необходимыепоправки, то найдем, что модуль полиэтилена в направлении цепочек долженбыть примерно 2,5x10кГ/мм. Другие полимеры должны иметь жесткостьтого же порядка.
Однако экспериментально определенный модуль упругости полиэтилена равенприблизительно 200 кГ/мм, то есть примернов сто раз меньше теоретического. Почти такое же положение с другими синтетическимиполимерами. Удивительно, что авторы учебников (описывающие химическое строениеполимерных цепочек в умилительных подробностях) не только не объясняюттакого расхождения, но даже не замечают его.
Здесь напрашивается объяснение, ставшее возможным после работ Франкаи Келлера (Бристольский университет). Уже давно известно, что молекулы-цепочкибольшинства природных и искусственных полимеров в некоторой степени кристалличны,наподобие натуральной целлюлозы (глава 5).Однако работы Франка и Келлера показали, что природа кристаллов в природноми синтететическом полимере различна. В целлюлозе как сами молекулы, таки продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому на практикереализуется большая доля теоретического модуля. В материалах же типа полиэтиленаКеллер обнаружил, что цепочки (СН2)nуложены совсем иначе. Если взглянуть на эту структуру глазами инженера,сразу станет ясным, что лишь очень малая доля жесткости углеродной цепочкиреализуется в макроскопическом модуле пластика: здесь работают фактическине первичные ковалентные связи, а лишь вторичные силы Ван-дер-Ваальса,которые действуют между складками цепочки.
Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуютсяс известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярныхкристаллов типа фталоцианина (глава 1).
Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров(таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрениясуществует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способомво время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахаридыи, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче.Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозыв качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основанияжурналам мод писать о "хрустящем" хлопке.
Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкостьтрудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтиленав условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этихкристаллов превышал 3500 кГ/мм. Ему всееще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в15 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 прикристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом посравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существуеттакже принципиальная возможность делать неармированные пластики с модулемЮнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, чтопрочность и вязкость такого материала также будут высоки.
Чего можно ожидать от материалов будущего?
Невозможно пророчествовать подробно о том, как будут выглядеть новые материалы.Но мы можем оговорить вполне определенные верхние пределы механических свойствпассивных конструкционных материалов (глава 1). Ясно, что ключевое свойствоесть модуль Юнга, поскольку он определяет не только жесткость, но и, в конечномсчете, прочность. Наибольшей жесткостью обладает углеродная связь, причем онамаксимальна как в абсолютном, так и в удельном выражении (относительноплотности). Правда, некоторые ковалентные связи по жесткости мало отличаются отуглеродных связей в алмазе. Но в общем-то максимум Е должен быть около12x10 кГ/мм, а максимальная величина удельного модуля Юнга - на порядоквыше, чем для стали.
Следовательно, возможности улучшения удельных свойств больше, чем абсолютных.Но, вероятно, к этому и следует стремиться.
Можно было бы, наверное, как-то приблизиться к теоретической прочности,то есть примерно к E/10 если бы такая цель имела реальный смысл.Но все дело в том что если бы эта громадная прочность и была получена вбольшинстве случаев соответствующая ей упругая деформация, которая достигалабы 10%, оказалась бы недопустимой. Более того, такой материал неизбежнобыл бы хрупким, даже, пожалуй, слишком хрупким.
Более приемлемой следует считать деформацию около 1-2% (такой материалимел бы некоторый запас для торможения трещин - см. главу 4). Это дало быудельную прочность, на один-два порядка превосходящуюудельную прочность стали. Таким образом, мы вправе ожидать максимальнуювеличину удельной жесткости порядка 12-14 жесткостей древесины, стали идругих металлов, а для удельной прочности ориентироваться в пределе на10-100 удельных прочностей стали.
Вероятно, как-то приблизиться к этим свойствам вначале можно будет спомощью материала, армированного параллельными волокнами. Если же прочностьи жесткость нужны более чем в одном направлении, тогда придется распределитьволокна по разным направлениям и удовлетвориться более низкими свойствами.Но рано или поздно, я думаю, мы получим изотропные материалы, свойствакоторых во всех трех направлениях будут одинаково хороши.
Это, кажется, и будет пределом, которого мы сможем добиться с пассивнымиматериалами. Продвижение по этому пути - вот занятие, которое занимаетв наши дни целую армию материаловедов. Но картина изменится, если мы займемсяактивными материалами (то есть такими, которые каким-то образом подпитываютсяэнергией) Несколько лет назад к этой идее независимо пришли профессор Бернали я. В самом деле, снабжая материал энергией, можно придать ему бесконечнуюэффективную жесткость (как это бывает у животных). А сделать это можно,по-видимому, с помощью пьезоэлектричества.
Важным следствием реализации этой идеи было б не столько повышение прочности,сколько использование бесконечной жесткости. Можно было бы делать очень жесткиеконструкции, работающие на сжатие, - телеграфные столбы могли бы быть тонкими,как проволока; крылья самолетов стали бы тоже очень тонкими, почти любаятехническая операция выполнялась бы легче и дешевле. Насколько мне известно,в этом направлении никто сейчас не работает. Но если бы даже и началисьтакие исследования, потребовалось бы весьма много времени, прежде чем удалосьполучить что-нибудь реальное; но этот путь отвергать, по-видимому, не следует.
Другая очень привлекательная идея связана с самоподстраивающимися конструкциями.По сути своей она также биологическая. Основной принцип здесь заключаетсяв том, что конструкция сама утолщается в местах большего напряжения, иопять-таки сама уменьшается в слабо нагруженных частях. Почти все небиологическиеконструкции спроектированы неоптимальным способом, они неэффективны и топорны.Можно было бы начать с того, что попробовать оптимизировать какую-нибудьгрубо спроектированную оболочку или раму, нагружая ее, например, в гальваническойванне. Но, как и предыдущая идея, сегодня это всего лишь мечта. Я хотеллишь сказать, как велики потенциальные возможности сокращения времени проектированияи изготовления.
Ближайшее будущее
В 80-х годах прошлого века идея использования электричества в широкихмасштабах висела еще в воздухе и привлекала внимание лишь ученых и некоторогочисла предпринимателей; история биржи оживляется серией паник газовых компаний,которые возникали после каждого объявления о новом усовершенствовании динамомашиныили электрической лампочки. Но оказалось, что акции газовых компаний оставалисьв безопасности в течение жизни почти целого поколения: трудности разработкии внедрения совершенно новой области техники были очень велики, несмотряна то что научные принципы были уже довольно хорошо поняты, да и экспериментальнаяпроверка проходила довольно удачно. Конечно, маловероятно, что разработкаи восприятие новых необычных материалов будет идти столь же медленно, каки внедрение электротехники, но все-таки, видимо, это будет тянуться долго,и на пути встретятся как взлеты, так и падения. Несомненно, что ставитьвопрос о радикальной замене традиционных материалов (сталь, древесина)еще очень и очень рано.
Однако мне кажется, что новые армированные материалы, о которых мы говорили вэтой главе, доведены уже до такого уровня, когда их технические достоинстваоправдывают попытки использования этих материалов на практике. Такие попыткипредпринимаются, и вполне возможно, что в специальных конструкциях(компрессорные лопатки газовых турбин и другие авиационные детали) современныеармированные материалы будут работать уже ко времени выхода этойкниги. Сегодня эти материалы дороги, на них к тому жескептически смотрят инженеры-практики. Однако, если они выдержат испытания ипокажут свои преимущества на практике, на их стороне будет то, в чем онинуждаются,- интерес и одобрение конструкторов. После этого пойдет постепенныйпроцесс удешевления, расширится область применения, хотя они будут оставатьсядостаточно специальными в течение длительного времени.
Широкое применение дает реальные выгоды, но, вероятно, главным результатомбудет переворот в области инженерного мышления. Идея о материале, которыйс самого начала разрабатывается с определенным назначением и строится,исходя из первых принципов, а не путем модификаций традиционных веществ,-эта идея нова и всеобщего признания еще не заслужила. Но стоит ей добитьсявсеобщего признания, и трудно сказать, что за этим последует. Ведь вплотьдо настоящего времени технические идеи основывались (сознательно или подсознательно)на характеристиках и недостатках небольшого списка веществ; но стоит воображениюинженеров проститься с мыслью о том, что все эти ограничения обязательны,а взамен этого понять, сколь созидающим может быть союз конструктора иматериаловеда, - границы техники необычайно раздвинутся.
Необходимые исследования и опытные разработки могут стоит очень дорого,но это по силам бюджету развитого государства. Ведь некоторые другие областитехники сейчас обходятся гораздо дороже. Если эти расходы приведут к созданиюновой отрасли техники, в которой мы так нуждаемся, - игра стоит свеч.
Приложение I
О различных типах твердого тела, или кое-что о патоке
Атомы и молекулы
Грубо говоря, существует сотня различных сортов атомов, не считая изотопов(то есть атомов с одинаковыми химическими свойствами, но несколько различнымиядрами). Около десятка атомов - вещи эфемерные, их получают ученые-ядерщикипутем превращений других атомов. Остальные, вероятно, всегда существовалив природе в более или менее неизменном виде. Из них около двадцати-тридцатидостаточно распространены, чтобы интересовать нас в рамках этой книги.Каждый вид атомов зовется элементом. Все атомы одного элемента в основномидентичны, но атомы разных элементов сильно различаются по своим свойствам.Это основная причина того, почему материя представляется нам в таком бесконечномразнообразии.
Атомы элемента могут существовать в чистом однородном "элементарном"состоянии, например железо (Fe), углерод (С) и т.д. Они могут также существоватьв виде смеси или раствора, свойства которых представляют собой, как правило,комбинацию свойств компонентов. Наконец, элементы могут образовать определенноехимическое соединение, которое оказывается уже совершенно новым веществомсо своими собственными характерными свойствами. Например, хлор (Сl) в нормальномсостоянии представляет собой зеленый ядовитый газ, натрий (Na) - мягкийблестящий металл. Равное число атомов этих двух элементов образуют хлористыйнатрий (NaCl), белый безвредный порошок, обычную поваренную соль.
Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируютсяс образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,-этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов - углерода,водорода, кислорода и азота - может дать необозримое множество почти всехвеществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большогочисла синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина,масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими.К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.
Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула.Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия ихлора. Молекула бензола C6H6содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многиеэлементы существуют в форме молекул, например I2(иод). Молекулы могут быть очень разных размеров - от весьма малых, содержащихпару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысячатомов.
Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотенангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше,их типичный размер - что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако,длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длинене уступают органическим.
Химические связи
Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическимисвязями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своимсвойствам.
Ковалентная связь. Эта связь возникает, когда электрон, двигаясьпо эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникаеттруднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой.Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомамиуглерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.
Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрическинейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когданатрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрийоказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результатедва атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особеннохарактерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаютсясоединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В товремя как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действуетболее равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.
Металлическая связь. Эта связь, как правило, держит вместе атомыметаллов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этомслучае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно наорбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу,будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Ониобразуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легковозникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободнодвижутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.