Химия в бою

Однако получать целиком детали или их заготовки в виде монолитных кристаллов пока не удается. Чистые монокристаллы получают сейчас в ряде стран посредством весьма сложной технологии лишь в виде тончайших нитей, диаметром до 0,1 миллиметра и длиной до нескольких сантиметров. Зато прочность таких монокристаллических нитей на разрыв может достигать 1400 кг/мм², что примерно в десять раз больше, чем у большинства конструкционных сталей. Идея создания новых композиционных материалов именно в том и состоит, чтобы использовать сверхпрочные монокристаллические нити в качестве арматуры применяемых сегодня конструкционных материалов, «укрепить» их нитями так же, как железная арматура укрепляет бетон. При этом матрицей, то есть связующей основой, служат различные металлы, керамика и другие материалы.

Конечно, прочностные характеристики созданных таким образом материалов оказываются ниже, чем у идеальных монокристаллов, но зато они могут быть значительно, при некоторых сочетаниях в несколько раз, выше, чем у обычных, исходных конструкционных материалов. Так, упрочение алюминиевых сплавов нитевидными кристаллами сапфира позволяет увеличить их прочность в 2–3 раза. С точки зрения ювелиров, сапфир — драгоценный камень, а для химика — это окись алюминия, из которой получаются нитевидные кристаллы высокой прочности. В лабораторных условиях, как указывает печать, удается получать также монокристаллы химически чистого алюминия, железа, окиси кремния, карбида бора и многих других элементов и их соединений.

В отличие от известных ранее волокнистых материалов нитевидные кристаллы в принципе могут обладать близкой к идеальной прочностью, поскольку у них отсутствуют ослабляющие микротрещины, резкие переходы в структуре и другие «дефекты». Поэтому-то специалисты четко разграничивают монокристаллические нити и прочие материалы, используемые ныне в качестве арматуры — стекловолокно, проволока.

Чистые нитевидные кристаллы получают в настоящее время различными способами «выращивания» при процессах кристаллизации из жидких, паровых и газообразных фаз. Изготовить длинные монокристаллические нити в виде непрерывного волокна, которые можно было бы использовать для изготовления конструкций методом намотки, как из стекловолокна, сообщает печать, пока не удается. С увеличением длины и диаметра монокристаллических нитей уменьшается их прочность, так как повышается вероятность появления микротрещин и других дефектов структуры.

Установлено, что близкая к идеальной структура возможна лишь в тонких кристаллических нитях диаметром менее 0,1 мм. Длина таких нитей составляет, как правило, от нескольких миллиметров до двух-трех сантиметров. Однако разрабатываются методы получения все более длинных нитевидных кристаллов. В печати сообщалось, что одной из английских фирм удалось получить нити из графита длиной до 90 см. Специалисты этой фирмы надеются в недалеком будущем получить нити длиною до 4,8 километра, то есть практически непрерывное графитовое волокно.

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.