1. Тенденции развития конструкционных материалов

Современная техника использует 4 основных группы (класса) материалов со специфическим комплексом технологических и эксплуатационных свойств: металлы, керамика, полимерные и углеродные материалы. Их свойства определяются прежде всего типом связей, образующих соответствующие структуры; металлы – металлическая связь (соединения ионов в кристалле при помощи свободных подвижных электронов) с энергией связи 110-350 кДж/моль; керамика – ионная, углеродные материалы – сопряженные ковалентные связи.

Кроме того, присутствуют связи: водородная с энергией связи до 50, обычно 13-30 кДж/моль; ван-дер-ваальсовое взаимодействие (дисперсное до 40; ориентационное до 20 и диффузионное до 2 кДж/моль).

В конкурирующих с полимерными композиционными материалами (ПКМ) областях известны следующие тенденции развития:

- В металлах - литий-алюминиевые сплавы, дающие выигрыш в весе до 15%; дисперсно-упрочненные сплавы (выбираются эвтектики, в которых одна из составляющих кристаллизуется в виде волокон с длиной кристаллов больше критической); аморфные металлы, в основном радиошумопоглощающие), имеется до 100 технологий аморфизации металлов; металлы с памятью; металлические КМ. Трудностями в области металлов являются: уход горных выработок на глубину, вовлечение в разработки все более бедных руд (для меди с содержанием 0,5%), что приводит к росту цен. Разведанные запасы не создают проблем, из расчета уровня добычи 1985 г: по железной руде, хрому, литию и др. до 2100; молибдену – до 2070; никелю – до 2060; меди – до 2050; цинку – до 2030; вольфраму, олову и нефти – до 2020 года. Кроме того, технология производства стали в России из передовой в начале 50-х годов стала теперь отстающей.

- В керамике керамические покрытия на металлах и углерод-углеродных материалах (начали применять французы на самолете «Гермес»); борные волокна; карбид-кремниевые волокна; объемная керамика; керамические КМ (наиболее типичны кварц-кварцевые, применяемые для покрытия самолета «Буран», выдерживающие температуры от 1200 до 1600оС на обтекателе и крыльях), получают спеканием супертонких (наружный диаметр 1 мкм) волокон с керамической матрицей; высокотемпературная сверхпроводящая керамика.

Прогрессирующее вытеснение стали и алюминиевых сплавов новыми ПКМ связано с их уникальными свойствами. Еще в 1928 г. будущие академики А.П.Александров и С.Н.Журков установили, что стеклянная нить диаметром 22 мкм имеет прочность 220 Н/мм², диаметром 2,5 мкм – 5600 Н/мм², то есть в 25 раз выше. Вот почему специалисты обратились к волокнам, изготавливая их из стали, стекла, бора, углерода, оксидов алюминия, органических соединений. При этом установлено, что максимальной удельной прочностью (измерена в километрах и характеризуется длиной свободно висящего каната, при которой он разрывается под действием собственной массы) обладают не стальные, а углеродные волокна. Они в 5 раз легче стали и в 3 раза превосходят по прочности ее лучшие сорта. А свободная длина каната из сверхпрочных органических волокон в 25 раз превышает длину стального каната. Удельный модуль упругости наиболее высокомодульного углеродного волокна почти в 20 раз превосходит удельный модуль упругости стали. Одним из примеров влияния модуля на конструкцию является самолет со стреловидностью крыльев, направленной вперед (схема «утки»), а не назад, как обычно. Такая конструкция дает крупный аэродинамический выигрыш, но при этом от крыльев требуется очень высокая жесткость, что не обеспечивает ни один металлический сплав. Реализовать такой проект удалось только применением ПКМ – углепластика.

По типу матриц КМ разделяют на три класса: полимерные, металлические, керамические [2].

В качестве армирующих систем в самолетостроении и аэрокосмической технике используют: борные волокна, но технология их получения сложна и волокна дороги и тяжелы; углеродные волокна (получают из полиакрилонитрильных и вискозных волокон или нефтяных и каменноугольных пеков). Используют их и с полимерной и с углеродной матрицами. Углерод-углеродные КМ имеют высокую жаропрочность и применяются в головных частях ракет. Они не отторгаются организмом и пригодны для эндопротезов – костей, суставов, частей черепной коробки, корней зубов, на которых после вживления устанавливаются фарфоровые или полимерные коронки.

При очень высоких температурах более жаростойкими являются менее прочные, чем углеродные, волокна из карбида кремния. Они производятся в виде «усов» и непрерывных бескерновых волокон, разработаны в Японии и названы никалоном. Используются и с полимерной матрицей и с матрицей из карбида кремния.

В 1971 году американская фирма Дu-Роnt (США) выпустила первые партии органических арамидных волокон типа кевлар.

Аналогичные волокна произведены в Нидерландах - тварон, в Японии – технор, в бывшем СССР – терлон, СВМ, вниивлон, армос и ряд их модифицированных аналогов. Интерес представляют новые классы волокон на основе жидкокристаллических полигетероциклов и термотропных полимеров (полибензозолов, полиазометилов и др.).

Практическую реализацию получили высокопрочные волокна из сверхвысокомодульного полиэтилена. Половина потребления таких волокон идет на изготовление канатов, шлемов, ремней, спортивных товаров, бронекасок, пуленепробиваемых жилетов. Жесткость таких волокон в 10 раз больше, чем капроновых.

Базальтовые волокна созданы в Институте проблем материаловедения АН Украины под руководством академика В.И. Трефилова и превосходят стеклянные по термостойкости и химической устойчивости. Использование базальтобетона вместо железобетона позволяет сократить применение арматурной стали на 5-10 млн т ежегодно.

Создан, впервые в Голландии, металлополимерный материал – арал (арамидные волокна – алюминий). Имеет в сравнении с алюминиевыми сплавами пониженную плотность, значительно более низкую скорость развития усталостной трещины и выдерживает большее число циклов до разрушения при усталостных испытаниях. Он предназначается для обшивки фюзеляжа и отдельных элементов нижней обшивки крыла.

В транспортных самолетах-гигантах «Руслан» и «Мрия» генерального конструктора П.В.Балабуева использовано 6 тонн КМ, что позволило сэкономить 16 тонн металла, снизить расход топлива за период эксплуатации на 20000 тонн. КМ применены также в трансконтинентальном самолете ИТ-96 генерального конструктора И.В.Новожилова и пассажирском самолете ТУ-204 генерального конструктора А.А.Туполева. В вертолете генерального конструктора С.В.Михеева из КМ изготовлено 60% всех узлов и деталей, вследствие чего его масса уменьшилась, что позволило повысить защиту летчика, увеличить боекомплект, ресурс увеличился в 2-3 раза, а трудоемкость изготовления снизилась в 1,5-3 раза.

Американский самолет «Вояджер», совершивший беспосадочный облет земного шара, полностью изготовлен из КМ.

В проектируемых аэрокосмических самолетах, летающих со скоростью несколько тысяч км в час на высоте 3 км и способных достигать Владивостока или Нью-Йорка за 1 час, также предусмотрено широкое использование КМ. Использование дорогих углепластиков в европейских аэробусах А320-А360 существенно повышает их долю в общей стоимости фюзеляжа от 20,5 до 73,8%, однако затраты на изготовление фюзеляжа уменьшаются с 79,5 до 22,9%, снижается масса, что позволяет снизить расход топлива, увеличить массу полезного груза и дальность полета. Кроме того, в случае катастрофы время разрушения конструкции из алюминиевых сплавов составляет 1 минуту, при использовании обшивки типа сэндвич из углепластика 51 мин.

В последние десятилетия ХХ века все шире КМ начали использоваться в автомобилестроении и в других видах транспортных средств. При этом используются более дешевые стеклопластики и органопластики. Причем, выпускаются серийные машины с широким применением стеклопластиков. Автомобиль «Корвет» имеет из ПКМ: кузовые панели, панели обрамления, облицовки радиаторов, боковины переда кузова, обрамление окон, а также детали, подвергающиеся высоким нагрузкам: детали бампера, рессоры, панели и других.

На автомобилях фирмы «Рено» – крышка из стеклопластика, стеклопластиковые кузова на автомобилях фирм «Симка», «Лотус», стеклопластиковые колеса на некоторых автомобилях фирмы «Ситроен» и т.п.

Экономический эффект от снижения массы изделия за счет КМ всего на 1 кг составляет в долларах: для самолета – 150; вертолета – 300; ракеты, спутника – 10000, космической станции 50000. Удельные затраты энергии на производство (кВт.ч) 1 кг готового изделия: эпоксиуглепластик - 72,7; сталь – 200,4; алюминий – 392,4; титан – 1543,2. Основными преимуществами КМ являются: уменьшение веса, экономия топлива, коррозионная стойкость, уменьшение опасности для человека при аварии, укрупнение деталей, уменьшение шума и вибрации, снижение расходов на производство, более низкие капитальные затраты. Но при этом необходимо решить следующие задачи: разработать высокоскоростные процессы изготовления узлов и деталей из КМ, соответствующих ритму конвейера; создать разветвленную сеть предприятий, преимущественно мелких, для ремонта деталей из КМ и переработки отходов.

В Российской Федерации работы по созданию транспортных средств из КМ в начале пути. Причин для этого много. Одна из них - совершенно недостаточная информация о КМ, методах их переработки и свойствах.