Помоги проекту - поделись книгой:
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.
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).
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).
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.
З. С. Семенова
Поделиться книгой: