книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

Чем больше в стекольной шихте тугоплавких окислов, тем выше прочность стеклянных волокон. Предел прочности свежевытянутого стеклянного во­ локна— величина весьма высокого порядка. Веревка из стеклянных нитей толщиной в палец выдержит тяжесть самого большого грузового автомобиля. Вспомним Г. Уэллса, который в одном из своих фан­ тастических романов рассказывал о веревочной лест­ нице, сплетенной из волокон не толще паутины. В на­ ши дни промышленность получает стеклянное волок­ но в виде нитей из 200 и более элементарных воло­ кон диаметром от 3 до 10 микрон в количествах, превышающих сотни тысяч тонн.

Стекловолокно стало одним из компонентов мно­ гих композиционных материалов. Возьмем, к приме­ ру, синтетические полимеры. Они отличаются низким удельным весом, устойчивостью против коррозии и, к сожалению, невысокой прочностью, которая более чем в 10 раз уступает прочности мягкой стали. Как повысить их прочность с тем, чтобы использовать их

да и коэффициенты теплового расширения у пласт­ масс и металлов различны.

Когда удалось соединить пластмассы со стекло­ волокном, был получен совершенно новый композици­ онный материал, названный стеклопластиком. Он быстро нашел дорогу в авиационную, автомобиль­ ную, судостроительную и другие отрасли промышлен­ ности.

Производство изделий из металла невозможно без ограничений для их габаритов. Это связано с сортаментом проката, размерами, форм литья и штам­ пов. Крупногабаритные металлические изделия соби-

100

вкосмос

ИВ ГЛУБИНЫ ОКЕАНА

Повышение прочности посредством образования мелкозернистой струк­ туры может идти и другими пу­ тями, не обязательно через на­ чальную стадию разрушения.

П. А. Ребиндер

аправленная кристаллиза­ ция — один из важных разделов научного поиска по созданию высокопрочных

конструкционных материалов, которых сейчас уже немало. Среди них можно назвать двойные эвтекти­ ческие сплавы и стеклокристаллические материалы.

Прежде полагали, что для металлов типична ден­

Ф. Вейнберг и Б. Чалмерс показали, что металл кри­

идет в трех взаимно перпендикулярных направлениях их ребер. Однако он наблюдается только тогда, когда расплав переохлажден. Лишь небольшая доля такого расплава затвердевает дендритно.

Металловеды и кристаллофизики затратили наи­ большие усилия для раскрытия тайн процессов за­ рождения и роста кристаллов. Весомый вклад в раз­ работку теории твердофазной кристаллизации внесли

102

и специалисты по силикатам. Открытие метода на­ правленной кристаллизации стекла оценивается как одно из важных событий в области создания новых конструкционных материалов с двухфазной структу­ рой— кристаллической и стекловидной.

особенностью всех этих материалов является микро­ кристаллическая структура в виде высокодисперсных кристалликов размером 0,1 — 1 микрон, в то время как средний размер кристаллов в высокоглиноземис­ той керамике составляет 10—20, а иногда и 40 мик­ рон. Высокодисперсные кристаллики соединены тон­ кой стекловидной пленкой, затрудняющей развитие трещин по границам и внутри каждого из них.

В 1932 году, когда о стеклокерамике ничего не было известно, профессор И. И. Китайгородский пи­ сал: «...изменяя химический состав, температуру и время термической обработки, можно регулировать ход процесса кристаллизации и влиять на образова­ ние той или другой кристаллической структуры. По­ следняя же, в свою очередь, обусловит необходимые физико-химические свойства полученного вещества и изделий из него».

Понадобились время и усилия, прежде чем были созданы двухфазные силикатные материалы на осно­ ве стекла. Состав и строение беспорядочно ориенти­ рованных кристалликов, «склеенных» стекловидной пленкой, связаны с составом и строением исходного стекла. Обычные промышленные стекла отличаются от стекол, используемых для изготовления стеклоке-

103

рамики. Важное требование к составам стекол, пред­ назначенных Для ее производства, заключается в воз­ можности направленной кристаллизации при специ­ альной термообработке в короткий промежуток вре­ мени.

Весьма высокой прочностью обладает стеклокера­ мика магниевоалюмосиликатной системы, в которой главной кристаллической фазой является кордиерит

2MgO-2Al2O3-5SiO2. Стеклокерамика литиевоалюмо­ силикатной системы обличается низким коэффициен­ том линейного расширения. Уменьшение стеклофазы до минимума повышает химическую стойкость мате­ риала. А повышение содержания в нем кремнезема и окислов алюминия, цинка и щелочноземельных ме­ таллов благоприятствует его химической стойкости.

В конце мая 1957 года многие газеты и журналы США запестрели сообщениями о создании специаль­ ной высокопрочной стеклокерамики с микрокристал­ лической структурой, названной пирокерамом. Фирма «Корнинг» сообщала, что из разных видов пирокерама предполагается изготовлять детали реактивных двигателей, лопатки газовых турбин, трубопроводы на химических заводах.

Новый материал стал незаменимым для произ­ водства обтекателей — одной из самых ответственных деталей современного летательного аппарата, которая не только рассекает воздух, но и защищает приборы управления от неблагоприятных воздействий окру­ жающей среды. А воздействия могут быть самыми разными — здесь и резкие перепады температур и давления, и вибрация. Даже капли дождя опасны для аппарата, летящего со сверхзвуковой скоростью. У ма­ териала, из которого делают обтекатели, должны быть определенные и строго постоянные диэлектрические свойства —он должен пропускать радиоволны, для то-

104

го чтобы можно было управлять полетом без помех. И еще три важных требования к этому материалу — минимальный вес, умеренная стоимость и возмож­ ность производить изделия в массовом масштабе.

Судя по сообщениям зарубежной печати, для из­ готовления обтекателей зачастую применяют корун­ довую керамику и некоторые виды стеклопластиков. У каждого из этих двух материалов есть свои недо­ статки. Серьезными их конкурентами служат стекло­ кристаллические материалы.

Инженеры фирмы «Корнинг» установили, что для производства обтекателей из пирокерама наиболее целесообразен способ центробежного формования. Машина, предназначавшаяся для производства кону­ сов стеклянных телевизионных трубок, была приспо­ соблена для формования обтекателей. Одна из труд­ ностей заключалась в том, что толщина стенок об­ текателя должна была быть выдержана в пределах микрон. Полученные на машине центробежного литья обтекатели тщательно шлифуют и полируют.

Шлифовать и полировать конусообразную или стреловидную поверхность намного труднее, чем плоскую. К тому же пирокерам обладает значитель­ ной твердостью. Исследования показали, что для уда­ ления при шлифовке слоя пирокерама толщиной в полтора миллиметра требуется в 4 раза больше вре­ мени, чем для снятия слоя стекла такой же толщины. Стреловидные обтекатели формуют из незакристаллизованного стекла и шлифуют, когда они находятся еще в стеклообразном состоянии, а после этого с по­ мощью специальной термообработки изменяют струк­ туру материала, превращая ее в микрокристалличе­ скую. Огненная струя стекломассы вытекает из пита­ теля стекловаренной печи в стальную коническую форму центробежной машины. Форма быстро враща-

105

ется, центробежная сила заставляет стекломассу рав­ номерно распределяться в форме. После охлаждения изделие немедленно отправляют в отжиговую печь.

Проверенные заготовки шлифуют и полируют, доводят их размеры до заданных. Затем заготовки снова поступают в печь, где их подвергают термо­ обработке по заданному режиму. В состав стеколь­ ной шихты вводят одно или несколько веществ (нуклеаторов), способных образовывать зародыши крис­ таллов. Их кристаллическая решетка подобна ре­ шетке выделяющихся при термообработке из стекла кристаллических фаз. Для успешного осуществления процесса необходимо правильно выбрать химический состав исходного стекла и нуклеаторы кристаллиза­ ции, а также режимы термической обработки изде­ лий.

Термическая обработка проводится ступенчато. На первой температурной ступени образуются заро­ дыши кристаллов, в стекле возникает жесткий кар­ кас, который и позволяет перескочить на вторую сту­ пень с более высокой температурой, где происходит дальнейшая кристаллизация. Некоторые результаты этого процесса видны невооруженным глазом: про­ зрачный материал становится непрозрачным. Окон­ чательная доводка размеров—-и обтекатель готов.

Испытания пирокерама под высоким давлением на глубине более 9 километров показали, что это перспективный материал для постройки подводного корабля, который может достигать самых больших глубин без помощи поплавков или других плавучих средств. Фирма «Корнинг» разработала проект под­ водного аппарата из пирокерама для перевозки лю­ дей. Его длина 60, а диаметр 8 футов. В 1980 году в США намечено построить подводный дом из пиро­ керама, который будет находиться на глубине 12 ты-

106

сяч футов. В нем смогут жить два или три исследо­ вателя.

Отечественные стеклокристаллические материалы не уступают лучшим образцам фирмы «Корнинг». Оказывается, что их можно изготавливать даже из, казалось бы, никому не нужного отхода — шлака, из которого получается шлакоситалл. Слово «ситалл» составлено из слов «стекло» и «кристалл».

О некоторых свойствах ситалла можно судить по таким факторам. Пластинка из этого материала не окисляется и не изменяет своих габаритов при нагре­ вании свыше 1000°. Она хорошо сопротивляется термоударам — не растрескивается, если опустить ее раскаленной до 800° в воду. По твердости некоторые марки ситаллов превосходят сталь. Они не подвер­ жены действию смеси кислот (царская водка), кото­ рая разрушает сталь, алюминий, медь и магний. Син­ тезированы ситаллы с отрицательным и близким к нулю коэффициентом линейного расширения. Все эти факты свидетельствуют о том, что технические воз­ можности материалов, полученных на основе стекла с микрокристаллической структурой, очень широки.

Ситаллометаллические композиции могут исполь­ зоваться для изготовления деталей узлов трения. В Институте проблем материаловедения АН УССР определили, что при этом из зоны контакта трущихся поверхностей должно интенсивно отводиться тепло. Кроме того, обязательна разделительная металличе­ ская пленка. Испытания показали, что при введении в ситалл олова, никеля и меди наилучшие показате­ ли получаются в последнем случае. Такой компози­ ционный материал можно применять для узлов тре­ ния, работающих в условиях вакуума.

Направленную кристаллизацию используют для формирования волокнистой фазы непосредственно в

107

пластичной металлической матрице. Исходным слу­ жит эвтектический сплав, т. е. такой, точка плавления которого ниже точек плавления входящих в его со­ став компонентов, если последние не образуют между собой химического соединения. Эвтектический сплав может находиться в равновесии с твердыми фазами, число которых равно числу фаз компонентов систе­ мы. При охлаждении жидкой эвтектики твердые фазы выделяются из нее, при нагреве они вновь растворя­ ются.

По диаграмме состояния сплава исследователь может узнать состав образующихся твердых фаз, их весовое и объемное содержание. Однако сведений, полученных из диаграммы, недостаточно, чтобы ска­ зать определенно, можно ли путем направленной кристаллизации получить в данной системе упрочнен­ ные материалы непосредственно из расплава.

Существуют различные мнения о механизме денд­ ритного роста. Металл заливается в изложницу. На ее стенках начинается кристаллизация — появляется мелкозернистая корка. Затем процесс кристаллизации распространяется на среднюю часть слитка, где об­ разуются столбчатые кристаллы. Они растут в направ­ лении отвода тепла. Вначале появляется своеобраз­ ный столб, потом ответвления от него. Так рождается дендрит — древовидный кристалл. Рост дендритов всегда идет в строго кристаллографических направ­ лениях.

Дендритная структура хорошо различима после травления даже невооруженным глазом. Она роднит дендриты с природными и искусственными волокна­ ми. Д. Чернов так писал о строении булатной стали: «...в момент кристаллизации происходит нарушение однородного состава, оси кристаллов бросаются ве­ ществом, выделенным из общего состава и обладаю-

108

щим другими свойствами против окружающего их металла, вещество, не участвующее в бросании осей, обволакивает эти оси и отлагается на них некоторым слоем. ...как оси или ветви кристаллов, так и про­ слойки металла между ними чрезвычайно тонки. ...при закалке более твердое вещество сильно закаливается, а другое вещество остается слабозакаленным, но так как оба вещества в тонких слоях и фибрах тесно пе­ ревиты одно с другим, то получается материал, об­ ладающий одновременно и большой твердостью, и большой вязкостью».

Взяв за основу явление столбчатой кристаллиза­ ции, наблюдаемое при литье горячего металла в холодную изложницу, специалисты за последнее десятилетие достигли известных успехов в полупро­ мышленном освоении метода направленной кристал­ лизации. Весьма перспективной эвтектикой для по­ лучения жаропрочных материалов является эвтектика №зА1 + №зЫЬ. Использование метода направленной кристаллизации привело в данном случае к порази­ тельным результатам — полученцые композиционные материалы превосходят многие жаропрочные сплавы на никелевой основе.

При направленной кристаллизации сплавов эвтек­

равномерно располагаются в медной матрице по на­ правлению затвердевания. В эвтектике AI+AI3NÌ «усы» интерметаллида AI3N1, занимающие объем до 10 процентов, окружены алюминиевой матрицей. В эвтектической системе Al—CuA12 содержание ин­ терметаллида может достигать 50 процентов.

Исследование фаз показало, что между ними су­ ществует кристаллографическое соответствие. Одной из причин высокой прочности сплавов с упорядочен­

ие