Химия в бою

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.

Как сообщал журнал «Эркрафт», английская фирма «Роллс-Ройс» уже несколько лет применяет стеклопластик и другие композиционные материалы в конструкциях воздушно-реактивных двигателей. В последнее время фирма осваивает композиционный материал «хай-фил» на основе графитового волокна. Рабочие лопатки вентиляторов и компрессоров реактивных двигателей, выполненных из хайфила, оказываются значительно легче, долговечней и даже дешевле, чем металлические,

Зарубежная печать сообщает о применении монокристаллов и композиционных материалов на новых американских самолетах F-5A, F-111, С-5А, а также в приборостроении, реакторостроении и других областях техники. Композиционные материалы предполагают еще более широко использовать на проектируемых в США самолетах, таких, как F-14, F-15 и «AMSA». Как сообщал недавно журнал «Металл инженирииг куотерли», американские специалисты подсчитали, что применение композиционных материалов позволит уменьшить вес конструкции разрабатываемого сверхзвукового бомбардировщика «AMSA», которому недавно дано обозначение «В-1A», на 25–32 процента.