Об авторе:

ИСПОЛАТОВСКИЙ ВИТАЛИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ — кандидат технических наук, автор более 20 научных статей, непосредственно участвовал в разработке новых материалов.

 

К ЧИТАТЕЛЯМ

Человек с первых шагов своего существования вынужден был, покоряя силы природы, добывать себе пищу, строить жилище, защищаться от врагов, производить орудия труда и войны, используя для этого различные природные материалы: дерево, камень, глину, песок, известь, шкуры животных и т. п. Но человек умнел и эти природные материалы перестали его удовлетворять. Революционный прорыв наступил, когда человек научился из готовых природных материалов, так называемого сырья, получать качественно новые материалы: обжигая глину — производить кирпич, из медной руды — получать медь и бронзу, из железной руды — железо, чугун, сталь. Совершенствуя технологию производства этих материалов, человечество вступило в эпоху качественно нового периода развития — эпоху создания и развития индустрии производства материалов, которая и определяет уровень жизни людей, поскольку от качества и количества производимых материалов зависит и качество орудий труда, оружия, машин, построек, предметов быта и т. п. Достаточно вспомнить, например, что первые ростки машинного способа производства представляли собой появившиеся в Англии на рубеже XVI–XVII вв. мануфактуры — предприятия по производству материалов — шерстяных и хлопчатобумажных тканей. Именно с этих мануфактур начался период промышленного развития экономики, который определит весь дальнейший ход исторического развития.

Можно сказать, что каждому этапу в истории развития человеческого общества соответствовала своя определенная материальная база; в нашем случае имеется в виду буквальное значение этого слова: материальная — это материал как фундаментальная основа условий жизни данной конкретной эпохи. При этом на каждом этапе развития четко проявляется вся цепочка взаимосвязей: новые научные достижения требовали применения новых материалов, применение новых материалов с нетрадиционными свойствами требовало принципиально новых конструкторских и технологических решений, обеспечивающих оптимальное проявление этих свойств.

Открытие электричества и создание машин, использующих электрическую энергию, послужило мощным толчком для развития цветной металлургии, потребовало производства новых высоколегированных сталей, открыло возможности для производства качественно новых материалов. Возможность промышленного получения алюминия и его сплавов позволила сделать качественный скачок в авиации и ракетостроении. В свою очередь, появление принципиально новых материалов привело к возникновению новых отраслей знаний, бурному развитию передовых технологий. Появление полупроводников, например, открыло принципиально новые возможности в развитии электроники; успехи в создании оптико-волокнистых структур предопределили новый этап в развитии современных средств связи.

Одним из важнейших направлений современного экономического развития, является развитие наукоемких производств, разработка и внедрение новых технологий получения и применения прогрессивных конструкционных материалов, ибо состав и качество конструкционных материалов оказывает непосредственное воздействие на развитие научно-технического прогресса и эффективность всего общественного производства.

В настоящее время, на пороге XXI века, коренным образом меняется баланс конструкционных материалов в пользу новых прогрессивных материалов за счет снижения металлоемкости производимой продукции. За последние 16 лет металлоемкость валового внутреннего продукта США, Японии и ФРГ снизилась на 50 %. По данным ЮНЕСКО, во всем мире удельный вес металлов и их сплавов к 2000 г. составит 93 % основных конструкционных материалов.

Механизм такой экономии металлов имеет свою специфику, связанную прежде всего с тем, что традиционно сложившиеся структуры металлургического производства были разработаны в конце XIX — начале XX вв. Для этих технологий характерна высокая материало-, энерго-, и капиталоемкость. В районах действия предприятий металлургии значительно ухудшена экологическая обстановка.

Другая сторона вопроса — повсеместное постепенное истощение запасов богатых руд и вовлечение в обработку все более бедных руд, требующих процессов глубокого обогащения, что значительно удорожает подготовку железорудных материалов к металлургическому переделу. Существенные изменения произошли и в области топливно-энергетических ресурсов, в частности, уменьшилось производство коксующихся углей, но выросло потребление в металлургии высококалорийного топлива — мазута и природного газа.

Возрастающие затраты на производство металла, ограничения в ресурсах сырья и топлива остро ставят задачи экономии металла, замены его на новые прогрессивные конструкционные материалы. При этом во всех экономически развитых странах происходит изменение структуры затрат на единицу продукции: возрастает доля затрат на науку и относительно снижается доля затрат на сырье, материалы, топливо и т. д.

В сложившихся условиях свое веское слово может сказать наука о материалах — материаловедение. За последние 25–30 лет созданы научные и прикладные заделы по многим направлениям материаловедения. При этом технический уровень отечественных разработок, широта охвата материаловедческих проблем, как правило, не уступают соответствующим достижениям признанных лидеров в этой области — США, Японии, Германии. В то же время опыт создания образцов новой техники и организации их производства свидетельствует, что по масштабам и типам выпуска новых материалов, эффективности внедрения в промышленность новейших достижений материаловедения Россия существенно отстала от этих стран.

За последние годы чрезвычайно возросли сложность и комплексность проблем, стоящих перед создателями новой современной техники и техники ближайшего будущего. Создание машин качественно нового уровня предполагает использование важнейших достижений фундаментальных наук, принципиально новых конструкторских решений и технологий, учет современных экономических, социальных и экологических проблем. При конструировании машин должен быть осуществлен выбор их оптимальных параметров — конструктивных, кинематических, динамических, эксплуатационных, экономических, наилучшим образом соответствующих предъявляемым к ним многочисленным требованиям. При этом задачи повышения качества машин следует решать уже на стадии проектирования, когда необходимо и возможно всестороннее рассмотрение конструкции, т. е. когда должно быть учтено большое число часто противоречивых требований. Практически в каждой машине должны удовлетворяться такие требования, как минимальная масса при необходимой прочности и надежности, малая стоимость и долговечность, красивый внешний вид, простота изготовления и высокая экологичность используемых материалов и т. д.

В реализации этих задач призваны сыграть свою роль современные прогрессивные конструкционные материалы, которые позволяют принципиально изменить сам процесс проектирования. Если раньше конструктор, создавая конструкцию будущей машины, агрегата, аппарата и т. д., предполагал использование уже разработанных материалов, и в его задачу входило подобрать из имеющейся номенклатуры наиболее подходящий по своим свойствам материал для реализации в проектируемой конструкции, то теперь конструктор получает возможность наряду с проектированием конструкции проектировать и материал для ее изготовления, который позволит наилучшим образом воплотить в жизнь конструкторские идеи. Проектируя конструкцию машины, конструктор рассчитывает величину и направление действующих в ее элементах силовых потоков, возникающих под воздействием внешних сил и нагрузок, учитывает возможные концентраторы напряжений, которые могут стать причиной разрушения, оценивает возможность проявления различных случайных воздействий. Зная эти силовые факторы, конструктор проектирует материал таким образом, чтобы напряжение в элементах конструкции от воздействия внешних сил было наименьшим, последствия от концентрации напряжений в местах технологических отверстий и вырезов были минимальными, внезапное изменение внешних условий компенсировалось соответствующим изменением свойств материала уже в самой конструкции. Принципиальным при этом является то обстоятельство, что для каждой оригинальной конструкции строится свой материал, учитывающий особенности именно этой конструкции.

Такое положение стало возможным с развитием нового направления в материаловедении — материалостроения, которое включает комплекс мероприятий, позволяющих

• изменять прочностные характеристики материала в зависимости от направления силовых потоков в конструкции;

• изменять физико-механические свойства материала соответствующим подбором его компонентов;

• предотвращать разрушение элементов конструкции при появлении усталостных трещин и внезапных повреждений;

• изменять форму и свойства материала в зависимости от изменения внешних условий его эксплуатации.

При этом следует особо подчеркнуть, что управление свойствами материала становится возможным как на стадии его изготовления, так и в процессе его непосредственной эксплуатации путем использования т. н. «умных» материалов, позволяющих создавать самостроящиеся и адаптирующиеся конструкции.

В данной работе приводится краткий обзор современных достижений материалостроения и связанных с ним проблем конструирования и производства прогрессивных материалов. Обзор делается на примере рассмотрения композитных материалов, материалов с эффектом памяти формы и «умных» или адаптирующихся материалов с нетрадиционными свойствами, которые призваны стать одним из существенных слагаемых в обеспечении технологического прорыва экономики на более высокий качественный уровень.

 

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Исследования и разработки в области создания материалов, отличающихся по своим свойствам от известных традиционных материалов, и прежде всего от металлов, продолжаются непрерывно, что приводит к появлению все новых и новых материалов, которые идут на изготовление машин, станков, приборов, оборудования. Среди них наиболее интенсивно разрабатываются материалы, получившие название композиционных. В последнее время эти материалы чаще называют композитными материалами или композитами.

Композитными материалами (КМ) принято называть не встречающиеся в природе материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:

1. Наличие в материале двух или более компонентов, существенно различающихся по своему составу, геометрической форме, свойствам и разграниченных поверхностью раздела.

2. Запрограммированным сочетанием компонентов и их распределением внутри материала.

3. Наличием существенного влияния на свойства КМ каждого из его компонентов.

4. Наличием свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности.

5. Однородностью состава и структуры в макромасштабе.

Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытием, сотовые, трубчатые структуры, которые сами по себе являются скорее конструкциями, чем материалами.

Человек использовал композитные материалы еще с древних времен. Известно, что в южных районах Средней Азии, на Ближнем Востоке, в Египте человек строил глинобитные жилища, упрочненные соломой, стеблями тростника, папоротника, папируса и т. д. Израильтяне при изготовлении кирпича также использовали солому, которая предохраняла кирпич от растрескивания в сухом и жарком климате и способствовала повышению прочности сооружаемых построек. В Японии в VIII в. изготавливали статуэтки Будды из сухого лака, пропитыванием полотна лаком. Во всех указанных случаях удавалось получить материалы с более высокими, чем у взятых в отдельности исходных материалов, характеристиками.

Рис. 12. Различные композиты: 1 — композит с дисперсными частицами; 2 — волокнистые композиты, 2а — армированные короткими волокнами, 2б — армированный непрерывными волокнами; 2в — армированный волокнами во многих направлениях　

Композитные материалы представляют собой гетерогенные (разнородные по своему составу) структуры, получаемые путем соответствующих композиций из мягкого относительно низкопрочного материала — матрицы, и распределенными в ней непрерывными или дискретными высокопрочными волокнами (наполнителем). Свойства композитных материалов в значительной мере определяются структурой наполнителя и расположением волокон, а также природой связующего (матрицы).

В зависимости от наполнителя различают два вида композитов, структурные схемы которых представлены на рис. 12.

1. Композиты с дисперсными частицами (позиция 1). 2. Волокнистые композиты (позиция 2).

Последние, в свою очередь, можно разделить на однонаправленные композиты с дискретными волокнами (2а), композиты с непрерывными волокнами (2б) и композиты с непрерывными волокнами, ориентированными во многих направлениях (2в).

На практике наибольшее применение получили волокнистые композиты. Наиболее распространенной структурой волокнистых КМ является слоистая, когда армирующие волокна лежат в плоскости слоев, связь между которыми осуществляется через прослойки связующего. В слоистых волокнистых структурах толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, или пленки, с наклеенными на нее однонаправленными волокнами наполнителя. Наиболее широко распространенными материалами для формирования современных конструкционных композитных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется комбинированный наполнитель, например, сочетание органических и борных волокон, органических, углеродных и стеклянных и т. д.

В качестве связующего (матрицы) наиболее успешное применение при обычных температурах эксплуатации нашли эпоксидные смолы различных модификаций. При умеренных и довольно высоких температурах, достигающих 755°К применяются фенольные и полибезомидные смолы.

Широкое распространение композитных материалов обусловлено возможностью управлять всем комплексом физико-механических свойств этих материалов, обеспечивающих наилучшее воплощение передовых научных достижений.

При этом под механическими характеристиками принято понимать характеристики прочности и жесткости, используемые в расчетах несущей способности конструкции. К таким характеристикам относятся прежде всего

— предел прочности на разрыв σв;

— модуль упругости Е;

— предел прочности на сдвиг τв;

— модуль сдвига G;

— коэффициент Пуассона.

Под физическими характеристиками понимаются характеристики свойств материала: плотность, р, теплопроводность, ударная вязкость, а, диэлектрическая проницаемость, скорость распространения волн и т. д. Изменение механических характеристик композитных материалов определенным образом связано с изменением их физических характеристик. Основные механические характеристики типовых композитных материалов приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены усредненные характеристики традиционных конструкционных материалов — стали, алюминия, титана.

При сравнении материалов с различными механическими свойствами принято использовать объективные сравнительные критерии, которые позволяют оценить эффективность использования данного материала в конструкции. Такими критериями являются удельная прочность и удельная жесткость, которые характеризуются отношением предела прочности σв, модулей упругости Е и сдвига GK плотности материала. Эти характеристики определяют весовую эффективность данного материала. На рис. 13 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности различных конструкционных материалов. Можно считать, что в настоящее время у таких традиционных конструкционных материалов, как сталь, алюминий, титан и др., повышение удельной прочности находится в стадии насыщения. Создание композитов, основанных на использовании стекловолокна, бороволокна, углеродного волокна позволяет получить такие удельные прочности, которые в несколько раз превосходят удельные прочности традиционных конструкционных материалов. При этом для композитного материала характерна тенденция к дальнейшему повышению удельной прочности.

Рис. 13. Изменения удельной прочности σ/ρ материалов, происшедшие с 1900 г. 1 — сталь; 2 — алюминий; 3 — стеклопластик; 4 — титан; 5 — современные композиты　

Использование в композитном материале волокон с высокой жесткостью борных, углеродных — позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности КМ от их удельной жесткости, в результате чего конструктор получает возможность использовать КМ с требуемыми характеристиками прочности при сложном напряженном состоянии изделия (совместном действии кручения, изгиба, растяжения — сжатия), требующего повышенных жесткостных характеристик материала. Это обусловливает существенные преимущества композитных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянна при некотором изменении удельной прочности. На рис. 14 показаны соотношения между удельной прочностью и удельным модулем упругости для различных материалов. Из приведенных данных можно видеть, что область расположения композитов с углеродными волокнами значительно удалена от начала координат и занимает довольно значительное пространство по сравнению с металлами, что наглядно свидетельствует о лучших механических характеристиках композитных материалов.

Рис. 14. Сопоставление удельных прочностей σ/ρ и удельных модулей упругости Е/ρ различных материалов: 1 — сталь, титан; 2 — алюминий; 3 — стеклопластик; 4 — композиты с волокнами бора; 5 — углепластик　

Управление удельной прочностью и жесткостью, а также другими физико-механическими свойствами композитных материалов осуществляется путем изменения направления укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине изделия. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно разделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные (рис. 15а), перекрестно-армированные (рис. 15б) и хаотично-армированные. Одним из главных преимуществ ориентированных КМ является высокая удельная прочность в направлении армирования.

Рис. 15. Схемы укладки волокон в двухслойной пластине: а — ортогонально-армированные; б — перекрестно-армированные　

Однонаправленные материалы (см. рис. 12–2б) получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1:0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Такая схема укладки предпочтительна при одноосном (в направлении укладки волокон) напряженном состоянии, например, при одноосном растяжении и сжатии. Прочность однонаправленных КМ в продольном направлении в 2,5–4 раза выше, чем у обычных легких сплавов, что в сочетании с меньшей (для углепластиков, например, в 1,4 раза) плотностью обеспечивает однонаправленным КМ большую в 4–6,5 раза удельную прочность соответственно при одноосном растяжении и сжатии. Однако прочностные характеристики однонаправленных композитов в поперечном направлении обычно на один-два порядка ниже, чем в продольном. Поэтому для обеспечения необходимой прочности в различных направлениях необходима укладка армирующих волокон под определенными углами.

Ортогонально-армированные композитные материалы получают укладкой слоев по толщине во взаимно-перпендикулярных направлениях — продольном и поперечном. При этом число продольных и поперечных слоев в них может быть различным (1:1, 1:3, 2:5 и т. д.). Материалы с укладкой 1:1 являются равнопрочными в продольном и поперечном направлениях. Наибольшее влияние на свойства КМ наряду со свойствами армирующих волокон оказывают углы укладки этих волокон в слое и распределение слоев с фиксированным углом по толщине образца или изделия по определенному закону. Схема перекрестно-армированного КМ представлена на рис. 15б.

Изменяя порядок укладки слоев и угол укладки волокон в них по толщине, можно управлять изгибными и крутильными жесткостями КМ, повышая тем самым прочность на кручение и изгиб. Наглядной иллюстрацией влияния угла укладки углеродных волокон и процентного распределения слоев с фиксированной укладкой по толщине могут служить данные, приведенные в табл. 2. Согласно этой таблицы, видно, что, изменяя угол укладки можно в широких пределах варьировать характеристику прочности и жесткости композитных материалов. Схема перекрестного армирования является определяющей при сложном напряженном состоянии элементов конструкции.

Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.

Рис. 16. Относительная весовая эффективность композитных материалов　

Как видно из диаграмм на этом рисунке, масса конструкций из композитных материалов на основе УОЛ-300-К, УТ-900 и стеклопластика, характеристики которых представлены в табл. 4, будет соответственно на 45, 35 и 20 % меньше массы конструкций из сплава Д16АТ.

Следует отметить принципиальное преимущество композитов перед традиционными материалами, которое заключается в следующем. Выбирая материал для различных узлов и агрегатов создаваемой конструкции инженер определяет и заказывает марку металла, отвечающего требованиям данной конкретной конструкции. Для создания одной машины может понадобиться несколько (иногда более десятка) различных марок одного и того же материала, например, стали, которые изготавливаются зачастую на разных заводах.

В случае же с композитными материалами конструктор, варьируя схемой укладки волокон и их размещением по толщине, разрабатывает целую гамму материалов для самых различных узлов и агрегатов своей конструкции, обеспечивая тем самым замкнутый цикл: производство материала — производство изделия.

Слоистая структура рассматриваемых композитных материалов обладает таким серьезным недостатком, как относительно низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и обусловленная этим склонность к расслоению. Эти отрицательные особенности КМ начинают особенно отчетливо проявляться при создании толстостенных конструкций, так как возрастает число технологических факторов, определяющих эти способности.

Радикальное увеличение сопротивляемости межслойному сдвигу и поперечному отрыву слоев можно достигнуть созданием межслойных связей. Технологически это осуществляется, в основном, двумя принципиально различными путями: это, во-первых, создание материалов с пространственным расположением армирующих волокон, и, во-вторых, создание пространственных связей между слоями при помощи вискеризации волокон.

В зависимости от способа построения пространственного армирования композитных материалов можно выделить следующие основные группы:

1. Материалы, пространственные связи в которых осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка, как это схематично показано на рис. 17.

Рис. 17. Схема переплетения армирующих во локон (тканевая): 1 — основа; 2 — уток　

2. Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления. Эти композитные материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной (рис. 18) или цилиндрической системе координат. Волокна могут быть ортогональными или располагаться под углом в одной из плоскостей армирования.

Рис. 18. Схема армирования прямолинейными волокнами в трех направлениях　

Применение трехмерноармированных тканей для изготовления КМ позволяет на порядок увеличить межслойную прочность на отрыв и существенно повысить сопротивление сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.

Особую группу представляют композитные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет вискеризации волокон. Процесс вискеризации представляет собой процесс выращивания (закрепления) нитевидных кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон преимущественно нормально к поверхности, как это схематично показано на рис. 19. Нитевидные кристаллы — вискеры, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприменимость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой специализированной технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации.

Рис. 19. Схема армирования вискеризованными волокнами　

Таким образом, применяя различные способы расположения армирующих волокон, используя методы вискеризации, изменяя соотношения арматуры в разных направлениях, можно создавать материалы с задуманными свойствами.

Одним из наиболее серьезных недостатков современных КМ на основе высокомодульных волокон, обеспечивающих наибольшую удельную прочность и жесткость при статических нагрузках, является их относительная низкая трещиностойкость, определяющая усталостную прочность материала при нагрузках, действующих в режиме длительной эксплуатации, а также низкая стойкость при ударных и кратковременных динамических нагрузках. Однако в последнее время разрабатываются методики проектирования, основанные на изучении механики разрушения, и формирования на этой основе приемов, обеспечивающих необходимую трещиностойкость и стойкость к ударным нагрузкам конструкций из КМ.

Механизм разрушения материала представляет собой сложную совокупность явлений, возникающих при разрушении и рассматриваемых с точки зрения линейной механики. При этом механизм разрушения композитов отличается от разрушения металлов. В композитном материале, как правило, имеются внутренние дефекты, связанные с технологией их изготовления. Это прежде всего образование пустот (непроклей) внутри материала, различного рода инородные включения, нарушение непрерывности укладки волокон и степени равномерности их укладки в слое, остаточные напряжения, образующиеся при усадке матрицы и т. д. Эти дефекты материала могут служить источником концентрации напряжений, от которых возникают микротрещины. Наиболее общей закономерностью разрушения твердых тел является диффузионное или рассеянное накопление микротрещин в нагруженном материале, определяющее развитие разрушения. Это накопление и объединение микротрещин, которое происходит в результате длительного воздействия эксплуатационных нагрузок, обусловливает появление так называемых усталостных трещин. Возникновение и дальнейшее развитие усталостных трещин характеризует усталостную прочность материала.

При ударных нагрузках, вызванных попаданием в элементы конструкции посторонних предметов, происходит появление в материале дополнительных микротрещин, дробление и отслаивание волокон от связующего, которые, объединяясь в зависимости от силы удара, способствуют образованию обширной зоны нарушения сплошности материала в районе удара.

Появившиеся трещины можно разделить на две основные категории, а именно, трещины, распространяющиеся вдоль поверхности волокон и разделяющие волокна, остающиеся в композите, и трещины, распространяющиеся поперек волокон.

В первую категорию включаются трещины, которые распространяются вдоль волокон и разделяют композит по всей толщине, что вызывает немедленное разрушение. Повысить прочность материала в этом случае можно, только ужесточив требования к технологии изготовления материала и обеспечив необходимое «смачивание» армирующих волокон связующим, повысив адгезию на поверхности раздела.

Распространение трещин в поперечном направлении, а также стойкость КМ при ударных нагрузках могут быть рассмотрены в первом приближении, в рамках линейного механизма разрушения, обязанного возникновением работам Гриффитса, Ирвина и др. исследователей.

Согласно Гриффитсу развитие трещины происходит тогда, когда освободившаяся часть энергии деформации больше превращения поверхностной энергии, необходимой для образования новой поверхности трещины. При соблюдении этого условия в вершинах (на краях) образовавшейся трещины напряжение достигает такого уровня, при котором происходит дальнейший рост трещины без увеличения приложенной нагрузки.

На основании линейной теории упругости Ирвин оценил поле напряжений в окрестностях вершины трещины с помощью коэффициента интенсивности напряжений К, который характеризует интенсивность поля напряжений у вершины трещины. Разрушение материала наступает при условии, что коэффициент интенсивности напряжений достиг своего критического значения, равного Кс, являющегося постоянной характеристикой данного материала и определяющего условия его разрушения в результате образовавшейся трещины или пробоины без увеличения приложенной нагрузки. Величина коэффициента Кс, называемого еще характеристикой вязкости разрушения, связывает разрушающее напряжение в материале и предельно допустимые размеры его повреждения.

Повышение стойкости материала к разрушению достигается управлением его физико-механическими свойствами, такими, как пластичность, характеризуемая величиной относительной деформации при разрушении δ %, и ударная вязкость, характеризуемая коэффициентом ударной вязкости а [кг см/ см2]. Значения этих характеристик для ряда материалов приведены в табл. 1 и 4. Там же можно проследить влияние этих коэффициентов на величину коэффициента интенсивности напряжений Кс.

Наиболее эффективным путем повышения стойкости КМ к разрушению является создание гибридных композиционных материалов, состоящих из комбинации высокомодульных углеродных волокон и слоев или переплетений из органических или стеклянных волокон. Принципиально новый этап в создании композитов с повышенной усталостной и ударной прочностью связан с появлением, благодаря успехам химии волокнообразующих полимеров, высокопрочных, высокомодульных органических синтетических волокон с повышенными тепло- и термостойкостью. Отечественного волокна такого типа, как СВН, терлон, армос и др. имеют достаточно высокую жесткость, а по удельной прочности превосходят многие известные длинноволокнистые армирующие наполнители. Основные характеристики армирующих волокон приведены в табл. 3. Несомненным успехом в создании композитов повышенной прочности явилось появление органоволокна кевлар, разработанного фирмой Du Pont (США). Предел прочности при растяжении (σв) некрученого волокна, пропитанного связующим, составляет 367 кг/мм2, крученой пряжи — 281 кг/мм2 при плотности ρ = 1,44 г/см3. Относительное удлинение (δ) волокна кевлар составляет 2,5 %. Волокно обладает хорошей термостабильностью и сохраняет свойства в диапазоне температур от -70 °C до +180 °C с устойчивостью к усадке (0,2 % при температуре 60 °C). Оно стойко к химическим воздействиям, растворителю, жидкому топливу, морской воде. Обладает повышенными демпфирующими свойствами.

Гибридные полимерные композитные материалы на основе углеродных волокон с добавлением органических волокон представляют собой наиболее перспективные конструкционные композитные материалы, поскольку по своим прочностным характеристикам ни в чем не уступают традиционным конструкционным материалам-металлам, значительно превосходя их по весовой отдаче. Органические волокна, добавленные в углепластик, уменьшают плотность КМ и увеличивают его демпфирующие характеристики, сопротивление ударному, эрозионному и коррозионному воздействию. В результате гибридизации повышается ударная вязкость и трещиностойкость КМ по сравнению с углепластиками на углеродной основе.

Обычно для изготовления углеорганопластиков используется органическая ткань и углеродная лента; в качестве связующего используется эпоксидная смола. В настоящее время наиболее перспективными материалами являются композитные материалы марки УТ-900, изготовленной на основе высокопрочных углеродных волокон УКН и по переплетению волокон в материале напоминающий структуру сатиновой ткани (ткань сатинового плетения), и углеорганопластик УОЛ-300-К на основе комплексной ленты УОЛ, содержащей одну основную нить из органических волокон армос на четыре основных нити из углеродных волокон. В этих материалах применено особое связующее, обладающее достаточно высокой температурой отвердения, что позволяет повысить рабочую температуру изделия до 150 °C. Основные характеристики углеорганопластиков приведены в табл. 4. Там же для сравнения приведены характеристики стеклопластика, традиционного углепластика КМУ-3 и органопластика (органотекстолита).

Помимо управления структурным составом композиции КМ — использования гибридных волокон, повышение стойкости к разрушению может быть обеспечено особыми конструктивными мероприятиями внутри проектируемого материала. Эти конструктивные мероприятия основаны на наблюдениях особенностей разрушения в нагруженной конструкции, состоящей из нескольких составных элементов. Развитие усталостной трещины или сквозной пробоины, появившейся в одной из двух состыкованных пластин (например, в элементах обшивки крыла самолета или корпусе автомобиля), останавливается на поверхности раздела этих пластин и не переходит на соседнюю неповрежденную пластину. Это наблюдение послужило основой для создания т. н. стоперов трещин, которые представляют собой дополнительные включения в структуру материала, предотвращающие катастрофическое развитие усталостных трещин, пробоин или глобальных расслоений, вызванных ударными нагрузками.

Различают стоперы двух типов — высокомодульные (ВМС) и низкомодульные (НМС). Они формируются путем местного изменения жесткости и вязкости разрушения композитного материала. Их функция заключается в создании зон повышенной вязкости разрушения по сравнению с основным материалом конструкции, в которых происходит остановка распространяющейся трещины. Кроме того, высокомодульные стоперы, воспринимающие большую часть нагрузки, снижают интенсивность напряжений на кончике трещины, находящейся в основном материале, препятствуя тем самым ее развитию.

Для формирования высокомодульных стоперов обычно используют однонаправленную борную ленту, пропитанную связующим ЭНФБ, а для изготовления низкомодульных стоперов применяют однонаправленную кордную стеклоткань Т-25, также пропитанную связующим ЭНФБ.

По сравнению с панелями, усиленными ВМС, развитие начального дефекта в изделиях с НМС происходит при меньших нагрузках. Дальнейший характер разрушения для обоих типов стоперов одинаков.

Проведенные испытания показали, что с помощью стоперов можно остановить катастрофическое развитие начального дефекта в виде острой прорези (трещины) и повысить остаточную прочность в зависимости от ширины стопера и межстоперного расстояния в два-три раза по сравнению с неусиленной панелью, содержащей дефект, равный меж-стоперному расстоянию.

Использование стоперов разрушения с выбранным по условиям прочности конструкции межстоперным расстяжением позволяет разрабатывать, так называемые безопасно-повреждаемые конструкции — конструкции, в которых появление локальных повреждений не приводит к катастрофическому разрушению всей конструкции. Например, крыло, горизонтальное оперение, киль боевого самолета, обшивка которых разделена стоперами на безопасно повреждаемые квадраты, прямоугольники, могут выдержать попадание нескольких осколочно-фугасных снарядов средств ПВО противника без каких-либо серьезных последствий для самолета в целом, поскольку разрушение пространства, ограниченного стоперами, не ведет к развитию разрушения на всю конструкцию.

Аналогично размещению внутри КМ стоперов разрушения, можно предусмотреть установку в теле материала специальных датчиков, например, тензодатчиков, которые обеспечат контроль за появлением трещин и ходом развития разрушения. Возможность прогнозирования разрушения позволит обеспечить повышенную надежность, живучесть и предсказуемость изделий из композитных материалов.

Наряду с отмеченными конструктивными особенностями композитные материалы обладают и значительными технологическими преимуществами по сравнению с традиционными конструкционными материалами. Отметим главные из них.

1. Прежде всего процесс изготовления материала и изделия из него представляют единый технологический цикл и это позволяет исключить в дальнейшем многие этапы последующей механической обработки деталей из КМ, поскольку процесс формообразования идет с учетом необходимых допусков для соединения деталей и обеспечения технологической сборки.

2. Отсутствие механической обработки делает технологию изготовления изделий из композитных материалов практически безотходной.

3. При изготовлении изделий из КМ отпадает необходимость во внешней отделке этих изделий. А это связано с исключением из технологического цикла таких экологически небезопасных производств, как лакокрасочные, гальванические, термические цеха, а также участки шлифования.

Объем использования различных материалов в конструкции самолетов и вертолетов ВВС США.

4. Компактность исходных материалов, необходимых для формирования материала — рулоны тканевой или ленточной структуры наполнителя, емкости со связующим не требуют столь больших складских помещений, которые необходимы, например, при складировании металлопроката.

В настоящее время невозможно четко очертить границы использования композитных материалов — настолько прочно они вошли практически во все области техники несмотря на свой относительно небольшой возраст. Однако наиболее широкое применение композиты получили в авиастроении, поскольку именно в авиастроении идет борьба за каждый килограмм веса летательного аппарата, но не в ущерб его основным качественным показателям — летным характеристикам, прочности, надежности, экономичности. Использование композитов в конструкции планера современных самолетов позволяет добиться снижения массы конструкции для различных агрегатов планера по условиям прочности в пределах 7-18 %. При этом конструктор, изменяя направление укладки армирующих волокон, добивается оптимальной прочности конструкции при растяжении, сжатии, изгибе и крутильных колебаниях, неизбежных при полете на высоких скоростях и, в особенности, при выполнении маневров.

Объем использования различных материалов в конструкции самолетов авиации США приведен в табл. 5. Как видно из этой таблицы объем использования композитов непрерывно возрастает.

Следует отметить также работы по созданию самолета-невидимки по программе «Стэлс». В этом самолете используются только композитные материалы и керамика, поскольку они обладают повышенной радиопрозрачностью, и летательные аппараты, изготовленные из них становятся невидимыми для радаров противника. Первые испытательные полеты самолета в рамках программы «Стэлс» уже состоялись.

Полностью композитный планер имеют отечественные спортивные самолеты Су-26, Су-26М, Су-31. Летчики на этих самолетах не раз завоевывали призы на чемпионатах мира по высшему пилотажу.

Отечественные вертолетостроители с успехом используют стеклопластики для изготовления лопастей винта своих винтокрылых машин. Композитные материалы практически полностью вытеснили металлы в конструкции лопастей вертолетов новейших модификаций.

Последние сообщения свидетельствуют об успехе использования композитов в конструкции пропеллеров самолетов. Научно-производственное предприятие «Аэросила» впервые в истории российской авиации получило сертификат Авиарегистра РФ на воздушный винт СВ-34 для турбовинтового двигателя самолета ИЛ-114. Это массивное на вид изделие из композитных материалов не только вдвое эффективнее своих предшественников из металла, но и производит меньше шума в полете, а по весу легче пробки — в воде не тонет. Появление СВ-34 открывает дорогу в небо новому поколению турбовинтовых машин.

Особо следует отметить использование композитных материалов в т. н. средствах индивидуальной защиты — бронежилетах. Известно, что древнерусские воины носили кольчуги, предохранявшие их в бою от ударов оружия тех времен — меча, сабли, копья, попадания стрелы. Кольчуги изготавливались из железа в виде набора мелких кованых колец, или чешуек, которые представляли набор железных или стальных пластинок, соединенных между собой по принципу рыбьей чешуи. Кольчуга надежно предохраняла воина в бою, но будучи достаточно тяжелой, несколько сковывала его движения.

По подобию кольчуг, предохранявших от применения холодного оружия, в настоящее время для предохранения от огнестрельного оружия используются бронежилеты. Использование металлов в бронежилетах практически полностью исключается, так как полноценная защита в этом случае потребует значительной массы металла, что сразу же снизит эффективность применения бронежилета.

Наиболее эффективными материалами для бронежилетов оказались углеорганопластики. Особенно возросла надежность бронежилетов с появлением волокна кевлар, которое значительно увеличивает ударную вязкость материала. В сочетании с другими армирующими волокнами такая защита при сравнительно небольшой собственной массе способна предохранить владельца бронежилета от поражения пулей при выстреле из пистолета, автомата или карабина.

Композитные материалы прочно вошли в наш быт. Корпуса современной видео-, радиоаппаратуры, изготовленные из специального углепластика, очень легки, имеют красивый внешний вид, ударостойки и не царапаются при соприкосновении с острыми предметами. При этом ни в коей мере не нарушаются акустические характеристики системы, в которой они используются.

Рыболовам широко известны телескопические удочки из стеклопластика, мало в чем уступающие бамбуковым удилищам. Теннисные ракетки из КМ практически вытеснили деревянные и металлические ракетки. Колеса трековых и шоссейных гоночных велосипедов, изготовленные полностью из КМ взамен стальных спиц, обеспечивают лучшую аэродинамику велосипеда. Лыжи, традиционно изготавливаемые из дерева по специальным технологиям методом склеивания слоев из различных пород дерева, изготавливаются из пластиков, обеспечивающих легкость, надежность, прочность, комфортность для истинных любителей лыжного спорта.

В настоящее время производству композитных материалов во всем мире уделяется повышенное внимание. В Японии, например, комплекс задач по изготовлению изделий из КМ включен как один из важнейших в национальную программу экономического развития. В США в 1988 г. было потреблено 26,6 млн. т пластиков и 1,3 млн. т композитов. Если же сравнивать использование материалов по объемам, измеряемым в кубических метрах, то оказывается уже в 1988 г. в США потреблено пластиков и композитов в 1,8 раза больше, чем стали. Для сравнения отметим, что в России объем потребления пластиков и композитов в 5 раз меньше, чем объем потребления стали.

Применение композитных материалов открывает практически неограниченные возможности для создания принципиально новых машин, аппаратов, механизмов, отвечающих всем современным требованиям. Отмеченные особенности композитов и, прежде всего, открывшаяся возможность управлять их свойствами в соответствии с новейшими достижениями химии, кристаллографии, материаловедения, позволяют с уверенностью прогнозировать, что композитные материалы будут основным конструкционным материалом грядущего тысячелетия.

 

МАТЕРИАЛЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ

Материалы, о которых речь пойдет ниже, наделены на первый взгляд фантастическими свойствами, и то, что происходит с ними у вас на глазах, напоминает фокус, в котором всегда есть что-то загадочное. Представьте себе, что вам дают кусочек металлической довольно пластичной проволоки и предлагают ее согнуть произвольным образом. Затем согнутую проволоку опускают в сосуд с горячей водой (кипятком)!!! Проволока мгновенно распрямляется, становясь жесткой и упругой. Более того, вам предлагают согнутую проволоку связать несколькими витками ниток, препятствующих ее распрямлению. Но и в этом случае согнутая и связанная проволока, погруженная в кипяток, распрямляется, разорвав связывающие ее нитки.

Наблюдаемое явление не может не вызвать недоумения у непосвященных.

Однако ничего сверхъестественного не происходит. На ваших глазах произошла демонстрация эффекта памяти формы (ЭПФ), которым обладают целый ряд металлических сплавов. Создание таких материалов является одним из наиболее значительных достижений современного материаловедения и лишний раз подтверждает мысль о том, что человек, познавший глубину законов природы, может в буквальном смысле творить чудеса.

У истоков открытия эффекта памяти формы стояли ученые — академик Г. В. Курдюмов и доктор физико-технических наук Л. Г. Хандрос. В 1948 г. ими был открыт новый тип мартенситных превращений, так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы. Однако, как это часто, к сожалению, случается, открытие Курдюмова прошло в России незамеченным и было незаслуженно забыто. Только после того, как в иностранной печати появились работы, посвященные материалам с памятью формы, у нас начались серьезные научные исследования в этой области.

Эффект памяти формы обнаружен у широкого круга сплавов систем титан-никель (Ti — Ni), железо-никель (Fe- Ni), медь-алюминий (Си — Al), серебро-кадмий (Au — Cd)), медь-цинк-алюминий (Си — Zn — Al), медь-алюминий-никель (Си — Al-Ni), железо-никель-титан (Fe — Ni — Ti) и др. Наиболее ярким представителем материалов с памятью формы, получившим наибольшее распространение, является сплав Ni — Ti, так называемый никелид титана, или, в другой терминологии, нитинол. Характеристики основных материалов с эффектом памяти формы приведены в таблице 6.

В настоящее время общепризнанным является тот факт, что эффект памяти формы в сплавах связан с термоупругим мартенситным превращением. Образование мартенситной структуры впервые было подмечено немецким ученым Мартенсом, чьим именем оно названо, при наблюдении за структурой стали, в которой в результате закалки от высокой температуры происходит переход от обычной аустенитной структуры в специфическую мартенситную структуру, сопровождающейся повышением твердости закаленной стали. Эта структура состоит из линзообразных или пластинчатых областей, в которых произошла перестройка атомов в кристаллических зернах аустенита в объемно центрированную тетрагональную решетку мартенсита. При образовании линзообразных или пластинчатых областей в исходной фазе атомы движутся не по отдельности, а как единый комплекс; деформация сдвига осуществляется как бы ряд за рядом, в результате чего происходит перестройка решетки исходной фазы в решетку мартенсита. При подобном превращении сохраняется однозначное соответствие — связь между узлами решетки исходной фазы и решеткой мартенсита. Существование этой связи приводит к упругой энергии, величина которой зависит от величины упругих констант и от способа перестройки решеток.

Феноменологию эффекта памяти можно с помощью рис. 20 объяснить следующим образом.

Образец материала с эффектом памяти формы в виде ленты, проволоки, пластины и т. п. деформируется при температуре Тф выше температуры начала мартенситного превращения Мн (на рис. 20 область температур I, где Тф > Мн) с целью придания ему заданной формы. Затем материал охлаждают до температуры, обеспечивающей протекание (полное или частичное) мартенситного превращения в структуре материала (область температур II, где Т <МК).

В этой температурной области (области II) материал деформируют до получения исходной плоскостной формы. Таким образом осуществлен процесс так называемого прямого мартенситного превращения. Схематично процесс прямого и обратного мартенситного превращения показан на рис. 20.

При достижении некоторой температуры мартенситный кристалл приобретает определенные размеры, после чего рост мартенситного кристалла прекращается и устанавливается термоупругое неустойчивое равновесие между кристаллом мартенсита и исходной фазой. Дальнейшее охлаждение вызывает увеличение разности химически свободных энергий и приводит к дальнейшему росту мартенситного кристалла. Сплавы, обладающие ЭПФ, достаточно легко деформируются при температурах ниже Мк — температуры окончания мартенситного превращения при охлаждении.

Восстановить заданную форму образца, которая была ему придана при температуре Тф > Мн, можно при нагреве его до температуры Ак — соответствующей окончанию обратного мартенситного превращения.

Обратное мартенситное превращение обусловлено упругой энергией, накопленной в результате предшествующего прямого мартенситного превращения. Важно отметить, что в процессе нагрева, если образцу препятствуют восстановить заданную форму, внутри него возникают достаточно большие напряжения. Причем, если для деформации ниже Мк требуются небольшие напряжения, то при нагреве до более высоких температур (Т > Ак) возникают большие восстанавливающие форму напряжения. Именно эти напряжения разрывают нитки, связывающие согнутую проволоку, в рассмотренном в начале данного раздела примере.

Весь процесс прямого и обратного мартенситного превращения можно представить в виде замкнутого цикла (рис. 20), в процессе которого форма образца из материала с ЭПФ как бы следует за температурой: при нагреве Т > Мн заготовка получает определенную форму, при охлаждении до температуры Т < Ак образец становится плоским, а при последующем нагреве вновь обретает форму, приданную ему при Тф > Мн.

При дальнейшем цитировании эффект повторяется вновь. Исследования показали, что эффект памяти формы в сплавах может наблюдаться многократно. Например, нитинол может обеспечить несколько миллионов циклов без каких-либо заметных необратимых изменений в структуре и свойствах материала.

Можно представить себе некий генератор или «двигатель», действующий в указанном температурном режиме и использующий энергию, высвобождающуюся при восстановлении формы образца. Важно только для получения механической работы в процессе нагрева обеспечить необходимый подвод тепловой энергии.

С появлением сплавов с эффектом памяти формы конструкторы получили возможность использовать в своих разработках следующие уникальные свойства этих материалов:

— эффект изменения формы;

— усилия, восстанавливающие форму;

— эффект изменения формы с восстанавливающими эту форму усилиями.

Наиболее перспективными областями техники, где материалы с памятью формы находят широкое применение, являются космическая, авиационная, радиоэлектронная и электротехническая промышленность, медицинское оборудование, приборостроение и т. д. Чтобы отчетливее представить себе значение материалов с ЭПФ, рассмотрим некоторые конкретные примеры их практического использования.

Первоначально сплавы с ЭПФ использовались в качестве однонаправленных элементов памяти при создании соединительных муфт трубопроводов. Для муфты использовался сплав Ti — Ni — Fe, температура окончания мартенситного превращения которого значительно ниже комнатной (см. табл. 6). Внутренний диаметр муфты изготавливался приблизительно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. Перед соединением муфта погружалась в жидкий воздух и выдерживалась при низкой температуре (Тф = — 150 °C). В таком состоянии в муфту вводили специальный дорн с определенной конусностью, с помощью которого расширялся внутренний диаметр муфты на 7–8 %. В расширенную таким образом муфту, температура которой поддерживалась низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы (рис. 21-1). Затем удаляется устройство для поддержания низкой температуры, после чего температура муфты повышается до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до того диаметра, который муфта имела перед расширением (рис. 21-2). Происходило прочное соединение труб. Свыше 100 тысяч таких муфт используется для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14 (США); каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено.

Рис. 21. Соединение труб с использованием ЭПФ: 1 — введение труб после расширения муфты; 2 — нагрев 　

Преимуществом муфт, изготовленных из сплава с памятью формы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высокотемпературного нагрева, который неизбежен при соединении с помощью сварки. Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Муфты с ЭПФ позволяют соединять трубы из материалов, трудно поддающихся сварке, например алюминиевые сплавы. Кроме того, при необходимости легко осуществляется разборка соединения при низкой температуре. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты достаточно большого диаметра.

Аналогичным образом идет применение муфт с ЭПФ в радиоэлектронной и особенно электротехнической промышленности, где такие соединения служат для замены пайки — основной технологической операции при монтаже электрических схем.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяют заклепки и болты. Однако, если невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметически пустотелой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности. Штифты из сплава с ЭПФ позволяют в этих случаях осуществить крепление, используя пространственное восстановление формы. Штифты изготовляются из сплава с ЭПФ, у которого температура мартенситного превращения ниже комнатной, причем в исходном состоянии штифт имеет раскрытый торец (рис. 22,а). Перед осуществлением операции крепления штифт погружается в сухой лед или жидкий воздух и охлаждается, после чего выпрямляются его торцы, как это показано на рис. 22,б. Затем стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рис. 22,в). При повышении температуры до комнатной происходит восстановление исходной формы штифта, его торцы расходятся, и операция крепления завершается (рис. 22,г).

Рис. 22. Принцип действия оггифта с ЭПФ　

Материалы, обладающие эффектом памяти формы, стали использовать для выполнения функций, до сих пор вообще несвойственных конструкционным материалам. Примером тому может служить использование никелида титана в конструкции летательного аппарата в качестве привода одноразового действия.

На рис. 23. схематично изображена конструкция привода для расстыковки в полете блоков летательного аппарата. Приводом является сильфон 1, имеющий в полете до расстыковки форму, показанную на рис. 23 а. Технология изготовления сильфона-привода следующая. Из листовой заготовки никелида титана изготавливают цилиндр, который подвергается термической обработке на память в вакууме или в среде инертных газов. После охлаждения и пластической деформации заготовке придается форма, показанная на рис. 23, а, позволяющая установить привод в шину блока. Затем устанавливается спираль для обогрева привода, и в таком виде привод готов к установке на борт. В полете, после прохождения команды на расстыковку блоков, включается система электрического обогрева с помощью спирали 2. В результате прогрева привода выше практической (Т > Мк) происходит восстановление формы сильфона и расстановка блоков (рис. 23). В процессе обратного мартенситного превращения при нагреве никелида титана генерируются значительные напряжения, позволяющие осуществить расстановку и при этом изменить скорость движения блоков (патент США № 31744861).

Рис. 23. Конструкция приводя одноразового действия зля расстыковки блоков: а — блоки в полете до расстыковки; б — блоки в полете после нагрева привода в момент расстыковки　

В зарубежных публикациях появились сообщения о двигателе, работающем на принципе попеременного нагрева-охлаждения спиц, меняющих свою форму.

Основной его частью является колесо со спицами из никелцца титана, прямыми в нагретом состоянии и изогнутыми в холодном. В горячей воде спица, выпрямляясь, толкает колесо, которое начинает вращаться; за счет этого спица оказывается в холодной воде и изгибается. На ее месте оказывается другая спица, и цикл повторяется. Для работы такого двигателя достаточно перепада температуры в 23 °C.

При вращении колеса движение передается генератору, вырабатывающему электроэнергию, достаточную для свечения лампы накаливания небольшой мощности. С помощью такого двигателя можно рациональнее использовать солнечную энергию.

Характерной особенностью материалов с памятью является то, что на их действие влияет не среда или атмосфера, а только температура. Поэтому изделия из материала с ЭПФ могут одновременно выполнять функции датчиков пороговой температуры и функции исполнительных элементов одновременно. Широкое распространение этих материалов в качестве исполнительных механизмов обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что исполнительный элемент состоит из одного сплава.

Свойства сплавов с ЭПФ открывают возможности использования их в таких отраслях, в которых трудно было предположить применение новых материалов, в частности, в медицине.

При применении таких сплавов в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только выполнение механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойств в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), а также биологическую надежность (биосовместимость, отсутствие токсичности, концерогенности, сопротивления образованию тромбов и антигенов). Наибольшей биологической стабильностью обладают сплавы титан — никель (нитинол).

Эффективность использования нитинола в медицине можно показать на примере стержня Харинтона, применяемого при искривлении позвоночника. Различные искривления позвоночника (врожденные, обусловленные вредной привычкой, нервозностью, рахитом или болезненным состоянием) приводят к сильной деформации позвоночника при ходьбе. Это не только вызывает боль, но и оказывает вредное влияние на внутренние органы, поэтому в этих случаях необходима ортопедическая хирургическая операция. В настоящее время при такой операции применяют стержень Харинтона, изготовленный из нержавеющей стали. При установке корректирующего стержня необходимо, чтобы сила, воздействующая на позвоночник, не превышала определенной, строго заданной величины. Однако в некоторых случаях возникает сила, превышающая допустимую, что приводит к повреждению фиксирующих приспособлений, появляется опасность повреждения не только позвоночника, но и нервных волокон. Кроме того, хотя корректирующий стержень и устанавливается таким образом, чтобы корректирующая сила была строго заданной, но спустя 30 мин после установки, она уменьшается на 20 %, а через 10–15 дней — на 30 % от первоначального значения. При этом возникает сильная физическая боль. Для восстановления необходимой корректирующей силы необходима повторная операция.

Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз. Если после операции стержень Харинтона из сплава с ЭПФ нагреть до температуры на 5 °C превышающей температуру тела, то можно создать необходимую корректирующую силу. Необходимость в повторной операции отпадает.

Примером широко осуществляемого практического применения материалов с эффектом памяти формы может быть использование проволоки из нитинола для закрепления очковых линз. Проволока из этого сплава, введенная в канавку очковых линз, обеспечивает постоянную силу их крепления. В отоларингологии проволока из Ti — Ni применяется для риноскопов, необходимых для диагностики и лечения заболеваний носа, для молоточков ушной раковины (в случае повреждения молоточков при воспалении среднего уха), для проволочных петель, необходимых для удаления полипов и миндалин. Сплавы с ЭПФ находят также применение при изготовлении искусственных мышц-протезов, искусственных суставов, Вправлении вывихов, исправлении положения зубов.

В настоящее время трудно представить себе все области применения сплавов с памятью формы, однако с уверенностью можно предположить, что наиболее перспективное применение такие материалы найдут в тех областях техники, где требуются так называемые само-сооружаемые конструкции, о которых речь пойдет в следующем разделе.

 

«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ

Известный герой русских народных сказок мечтал о том, чтобы терем строился «по щучьему велению, по его хотению», избушка на курьих ножках поворачивалась по волшебному слову, а «ступа с бабою Ягой» брела куда-нибудь «сама собой». Эти пожелания сказочного героя, похоже, начинают выполняться благодаря внедрению так называемых умных материалов, обладающих некоторыми характеристиками живых существ.

«Умными» материалами называют обычные металлы, керамику или композиты, в которые внедрены датчики, возбудители, специальные химические вещества, позволяющие изменять форму, физическое состояние или механические характеристики материала в процессе эксплуатации без воздействия движущихся частей.

В космической технике разрабатываются проекты построения в космосе пространственных конструкций, антенн, ферм, платформ и т. д., которые доставляют на орбиту в сложенном (свернутом) состоянии; а затем по команде включается теплоноситель, который нагревает свернутую конструкцию, и она, распрямляясь, обретает форму, приданную ей на Земле. В дальнейшем полете эта конструкция обладает необходимой прочностью и жесткостью и не требует никаких дополнительных источников энергии для поддержания ее в заданном состоянии. Чем не сказочный терем, построенный «по щучьему велению».

Умные материалы позволяют создавать адаптирующиеся конструкции, которые могут воспринимать изменения окружающих условий и реагировать на них. Уже созданы «умные» системы подвески в автомобилях, позволяющие гасить вибрации. Идет работа над «умными» металлами, снабженными встроенными датчиками, которые будут вовремя предупреждать инженеров об опасности разрушения формы моста. ВВС США финансируют работы над несущим винтом вертолета, который может адаптироваться к среде: воспринимая степень турбулентности воздушного потока, он в ответ увеличивает свою жесткость. Достигается это с помощью семейства электро-реологических жидкостей, которые после пропускания слабого электрического тока переходят из жидкого состояния в твердое. Насыщая частичками этих жидкостей материал винта, можно гасить вибрации, которые возникают в винте. Датчики, расположенные на поверхности винта, реагируют на появление опасных завихрений и посылают сигнал, под воздействием которого частицы электро-реологических жидкостей переходят в твердое состояние, в результате чего увеличивается жесткость лопастей винта.

Военные ведомства США финансируют также работы по созданию «умной» керамики, предназначенной для носка крыла самолета. Такой носок будет сам подгонять свою форму в изменяющихся полетных условиях, дабы в любой момент достигалась максимальная подъемная сила, а в итоге улучшался коэффициент полезного действия по топливу и повышалась безопасность полета.

Под руководством профессора Ньюихэма в университете штата Пенсильвания (США) разрабатывается материал, предназначенный для того, чтобы сделать корпуса подводных лодок невидимыми для гидролокаторов. Материал в процессе движения лодки будет изгибаться и менять форму корпуса таким образом, чтобы уменьшить турбулентность водных потоков, обтекающих лодку. Без этих завихрений лодку невозможно обнаружить гидролокаторами противника. Крейг Родмерс, директор Центра систем и структур из «умных» материалов при Вирджинском политехническом институте (США) предложил использовать проволоку из сплава никель-титана (нитинол) в углепластиковых композитах. Обычные эпоксидные смолы, используемые в качестве связующего в композите при температуре выше 150 °C теряют половину своей жесткости, что является существенным сдерживающим фактором при использовании композитов в крыле современного сверхзвукового самолета. По мнению Роджерса, если в углепластик ввести волокна материала с памятью, то при возрастании температуры его прочность будет увеличиваться. Нагреваясь в процессе полета, волокна стремятся вернуться к той форме, которую они запомнили. Это сообщает материалу добавочную упрочняющую энергию. При высоких температурах жесткость нового композита более чем в 10 раз превосходит жесткость материалов, применяемых сегодня в авиастроении.

Эта же идея использования нитей из сплавов с ЭПФ в композиции со стекло- и органопластиками положена в основу мероприятий, направленных на повышение боевой живучести авиационных конструкций, т. е. стойкости этих конструкций к боевым повреждениям от попавших снарядов или попадания осколков при взрыве боевых частей ракет. При действии кратковременной динамической нагрузки, которая определяет процесс пробивания или разрушения материала при взрыве, начальная кинетическая энергия ударной волны или осколков переходит в работу упругой и особенно пластической деформации материала. Чем больше требуется затратить энергии на преодоление работы по деформированию материала, тем, естественно, труднее его разрушить (пробить). Нитинол, например, обладает 10 % относительной деформацией при растяжении. (Заметим, что у традиционных материалов и композитов она не превышает 2 %.) Поэтому добавление нитей нитинола в композитный материал повышает стойкость последнего к пробиванию. Новый материал предполагается использовать для защиты самолетов от последствий взрывов в трюмах (например, при террористических актах), столкновений с птицами, ударов камней при посадке на взлетно-посадочную полосу, а также в автомобилестроении.

Обновляются и металлические сплавы. Например, оборонные ведомства США, НАСА и семь фирм — изготовителей реактивных двигателей, начали совместное финансирование 15-летней программы стоимостью 6 млрд, долларов. Ставится задача добиться к 2003 году удвоения тяги авиационных двигателей без увеличения их размеров и веса. Сложность задачи заключается в том, что очень трудно найти материалы, которые способны выдерживать разогрев до 425 °C. При подобных температурах с топливом вступает в реакцию больше кислорода, и оно сгорает полнее, повышая КПД двигателя. Титан — традиционный материал для реактивных двигателей — не выдерживает такого режима и начинает выгорать. Группа исследователей в рамках указанной программы ведет поиск в области т. н. интерметаллидов — особых химических соединений, в которых металлы взаимодействуют, не подчиняясь правилу нормальной валентности и создавая особую кристаллическую структуру. Интерметаллиды, созданные на основе титана и алюминия или никеля и алюминия обладают достаточно низкой плотностью и выдерживают температуру до 760 °C. А если еще в них ввести керамические волокна, то получаются композиты, которые при той же массе будут обладать втрое большей прочностью, чем сплавы, используемые сейчас в реактивных двигателях.

Современные научные достижения в области материаловедения поистине не знают предела. Совсем недавно появились публикации о применении гидридов металлов в качестве источников топлива для водородных двигателей. На дорогах штата Джорджия (США) начались испытания автобуса с водородным двигателем, который практически не производит вредных выбросов. Автобус, разработанный при содействии Технологического института штата Джорджии и министерства энергетики США, стал одним из первых транспортных средств, в котором источником водорода являются не топливные элементы, а гидриды металлов. При нагревании гидридов происходит медленное восстановление водорода. Газ поступает в обычный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение электрогенератор, который, в свою очередь, подзаряжает аккумуляторную батарею. Пробег автобуса до пополнения запаса водорода составляет не менее 160 км.

Таким образом, мы познакомились с некоторыми нетрадиционными конструкционными материалами, которые обладают принципиально новыми физико-химико-механическими и потребительскими свойствами и которые несомненно представляют собой конструкционные материалы будущего третьего тысячелетия. Движение научно-технического прогресса предполагает перенесение акцентов на ресурсосберегающие технологии получения перспективных материалов, научные исследования, по которым находятся в стадии непрерывного развития. Внедрение перспективных, специально разработанных для решения конкретных задач материалов позволит добиться не только значительной экономии металла, снижения массы изделий и улучшения их потребительских качеств, но и получить решение многих научных, конструкторских, технологических проблем, принципиально недостижимых при использовании традиционных материалов.