книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

СОРЕВНОВАНИЕ

МАТЕРИАЛОВ

Мы — такие современные сегодня, через несколько веков будем древ­ ними.

Ля Брюйер (1697 г.)

ели бы на заре авиастроения спросили: «Из чего делаются самолеты?», ответ, возможно, был бы таким:

«Самолет —это дерево, завернутое в мануфактуру». Действительно, первые самолеты строили в основном из дерева. Бамбуковые палки, деревянные рейки, со­ единенные гвоздями и растяжками из стальной про­ волоки и обтянутые тканью, были основными мате­ риалами для первых летательных аппаратов.

Ни одна отрасль промышленности не развивалась с такой головокружительной быстротой, как авиа­ строение. Сравните, например, самолеты тридцатых годов с современными. Высокие скорости отбросили назад крылья, вытянули фюзеляж, унесли все лиш­ нее. За всеми этими изменениями — непрерывное раз­ витие аэродинамической науки. На протяжении всей истории авиастроения ожесточенно спорят между со­ бой за право летать дерево, пластмасса, металл. Победителем выходит тот материал, который отвеча­ ет требованию быть самым легким и самым проч­ ным.

Ш

Если в годы второй мировой войны в конструкци­ ях самолетов использовались древесина, древесные пластики, пластмассы и литые алюминиевые сплавы, то в настоящее время, когда скорости полета превы­ сили скорость звука, эти материалы занимают более скромное место. Вперед вырвались материалы, ус­ тойчивые к воздействию высокой температуры, меха­ нических факторов, химических реакций.

Пластмассы начали применять в авиации еще братья Райт. Они использовали пластмассовую пас­ ту для того, чтобы сделать водонепроницаемой само­ летную обшивку из ткани. Вначале пластики приме­ нялись в фюзеляже, крыльях, пропеллерах самоле­ тов. Во многих деталях пластмасса сочеталась с дре­

из дюралюминия. Это был конструкционный металл, который вытеснил древесный каркас, а затем и тка­ невую обшивку. По объему и весу он занял первое место в конструкциях самолетов.

Однако с увеличением скорости многим алюми­ ниевым сплавам пришлось отойти на задний план: при повышении температуры они теряли первона­ чальную прочность. Достаточно сказать, что детали из алюминиевых сплавов при нагреве до 260° теряют четверть первоначальной прочности. Легирующие до­ бавки в виде железа, никеля и титана, образующие соединения, которые замедляют пластическую дефор­ мацию, способствовали сохранению эксплуатацион­ ных свойств этих сплавов. Введение в алюминий бе­ риллия повысило модуль его упругости, а совсем не­ значительное количество лития улучшило его сопро­ тивляемость окислению. Сплавы алюминия с этими присадками используют для изготовления самолетных

112

деталей, работающих в температурном интервале

200—350°.

Более высоким скоростям, а значит, и росту тем­ пературы, должны были соответствовать новые алю­ миниевые сплавы. Выручили спеченные алюминиевые порошки и спеченные порошковые алюминиевые спла­ вы, выдерживающие температуру 600—800° (о них мы уже рассказывали).

Сплавы алюминия и магния в значительной степе­ ни способствовали успеху битвы за килограммы. Ведь магний легче алюминия, его удельный вес всего 1,74 г/см3. Самому магнию было трудно состязаться с алюминием из-за невысокой коррозионной стойко­ сти, возможного брака при литье и относительно не­ большого температурного потолка эксплуатации. Однако сплавы магния, легированные торием, ит­ трием, неодимом и другими присадками, из-за высо­ кой теплоемкости оказались прекрасными конструк­ ционными материалами, особенно для кратковремен­ ной эксплуатации в температурном интервале 350— 450°. Они нашли применение в ракетостроении. Их использовали для обшивки корпуса, топливных и кислородных баков, баллонов пневмосистем, стаби­ лизаторов и других частей американских ракет «Юпитер», «Атлас», «Титан», «Поларис» и спутников «Авангард» и «Дискаверер».

История технического титана не менее интересна, чем история алюминия, а темпы роста производства намного выше. В 1947 году было получено всего 2 тонны технического титана, а через 13 лет мировое производство этого металла перевалило за 100 тысяч тонн. Сочетание высокой удельной прочности с хими­ ческой стойкостью выдвинуло титан на одно из пер­ вых мест по использованию в авиации. Он на 40 про­ центов тяжелее алюминия (удельный вес 4,5 г/см3),

но его температура плавления в 3 раза (1700°), а прочность — в 6 раз выше, чем у алюминия. К тому же титан хорошо поддается всем видам обработки и обладает замечательной устойчивостью против кор­ розии.

Однако и у этого замечательного металла, по праву называющегося титаном, есть ахиллесова пята. При' температуре около 350° при небольших напря­ жениях он обнаруживает склонность к ползучести. Для увеличения сопротивления ползучести, повыше­ ния прочностных и других свойств титана были соз­ даны титановые сплавы, которые могут работать при более высокой, чем технический титан, температуре, не становясь хрупкими и не корродируя. Легирующи­ ми присадками в этих сплавах служат алюминий, хром, марганец и железо. Для повышения жаро­ прочных свойств в сплавы вводят молибден и ва­ надий.

Долго не находивший промышленного примене­ ния бериллий с развитием сверхзвуковой авиации стал в ряде случаев незаменимым. Обладая удель­ ным весом 1,85 г/см3, он по модулю упругости пре­ восходит сталь, титан и алюминий соответственно в 1,5, 2,5 и 4 раза. Не испытывая аллотропических превращений, бериллий плавится при температуре

1300°.

Весьма заманчива перспектива получения компо­ зиционного материала на основе алюминиевой мат­ рицы и тонкой проволоки бериллия или нитевидных кристаллов карбида бериллия. Конструкционный материал, в котором содержится 50 процентов про­ волоки бериллия, при удельном весе 2,5 г/см3 обла­ дает пределом прочности 70 кг/мм2 и модулем упру­ гости 20 тысяч кг/мм2.

Композиционный материал локэллой, разрабо-

114

тайный в США фирмой «Локхид», состоит из высо­ копрочных частиц бериллия, вкрапленных в мягкую пластичную алюминиевую матрицу. Небольшой удельный вес обоих компонентов и высокие эксплуа­ тационные свойства композиционного материала обеспечивают ему значительный выигрыш в весе по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами.

В сравнении с бериллием локэллой обладает более высокой пластичностью, он менее чувствите­ лен к поверхностным дефектам, более технологичен, лучше сваривается с другими металлами и легче обрабатывается. Слоистый композиционный матери­ ал из листов бериллия и титанового сплава получа­ ют методами прокатки и прессования смеси порош­ ков. Такой материал отличается высокими проч­ ностью и модулем упругости и низкой плотностью.

Допустим, что обычный самолет из алюмомагниевых сплавов весит около 60 тонн. Стальной самолет весил бы не менее 200 тонн. Это означало бы не­ сравненно меньший потолок, небольшую грузоподъ­ емность и гигантский расход топлива. При таких условиях авиация вряд ли получила бы столь широ­ кое развитие, как теперь. Все больше и больше де­ талей современных самолетов делают из стеклопла­ стиков. Это и носовые обтекатели, и задняя часть кабины, и верх фюзеляжа, и трубопроводы. Кстати, наиболее уязвимы в пожарном отношении гибкие топливо- и маслопроводы. Трубопроводы считаются огнестойкими, если выдерживают действие пламени в течение 15 минут при температуре жидкости 95°. Такие трубопроводы были изготовлены английской фирмой «Резистофлекс Корпорейшн» из политетрафторэтиленовой трубки и гибкого асбестового изоля­ ционного материала с покрытием из силиконового каучука.

Асбестовые волокна широко используются в про­ изводстве электрооборудования для самолетов. Ка­ белями с изоляцией из асбестового волокна и сили­ конового каучука с оплеткой из стекловолокна с си­ ликоновым покрытием снабжены американские са­ молеты «Комета». Удачный пример использования в самолетостроении армированных асбестом пласт­ масс— сбрасываемые топливные баки, которые при­ меняются на американском реактивном самолете

по-видимому, никогда не потеряет своей актуально­ сти ввиду бурного развития новых отраслей техники. Пока мы пользуемся ограниченными сведениями о взаимодействии атомов примесей с несовершенства­ ми структуры кристаллической решетки при высо­ ких температурах и о механизме процессов ползуче­ сти и релаксации напряжений. Продолжаются ин­ тенсивные исследования по изучению закономерно­ стей физико-механических и химических свойств жа­ ропрочных сплавов при изменении их химического состава и структурного состояния.

Внастоящее время крайне неполны наши знания

офизико-химических процессах, определяющих об­ разование упрочняющей .фазы. Мы не всегда рас­ полагаем данными о термодинамической активности

ипараметрах взаимодействия компонентов даже для многих двойных систем, тогда как матрицу совре­ менных жаропрочных сплавов составляют многоком­

понентные растворы. Такие насыщенные растворы с введенными в них легирующими элементами, со­ держание которых превышает предельную раствори­ мость, можно получить, используя термическую об-

116

работку— закалку с последующим старением. При этом избыточное количество легирующих элементов, выделяясь, образует дисперсные включения, равно­ мерно распределенные в структуре сплава.

Для решения проблемы жаропрочных материа­ лов взята на вооружение счетно-электронная техни­ ка. С ее помощью в определенных случаях можно рассчитать, как получить сплав, обладающий нуж­ ным комплексом свойств.

Первоклассным материалом для эксплуатации при высокой температуре служит графит. Отличаясь высокой теплопроводностью и небольшим коэффи­ циентом теплового расширения, он весьма термосто­ ек. От тепловых ударов он не разрушается. Лишь при температуре 3590° графит начинает испаряться, минуя жидкое состояние. Это единственный матери­ ал, модуль упругости и прочность которого при рас­ тяжении увеличиваются с повышением температуры.

Прочность графита при 2600° вдвое больше, чем при комнатной температуре, -модуль упругости изме­ няется почти линейно — от 700 кг/мм2 при комнатной температуре до 980 кг/мм2 при 1985°. Причинй этого до сих пор неизвестна. Для графита характерна ползучесть. Ее кривая похожа на кривые ползучести металлов при высоких температурах.

Американские конструкторы используют графит в качестве конструкционного материала дря обшив­ ки гиперзвуковых летательных аппаратов и деталей ракет, соприкасающихся с раскаленными газами. Скорость реакции окисления не очень велика. Успехи по защите графита от окисления весьма весомы.

В ряде случаев на смену обычному графиту при­ ходит пиролизный графит с добавками бора. Он превосходит обычный графит прочностью и тепло­ изоляционными показателями. В управляемых сна-

117

ПРОЧНОСТЬ, УПРУГОСТЬ И ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ

Исторически развитие, авиацион­ ной техники всегда стимулирова­ ло успешные работы по созданию качественных материалов.

Г.-М. Аулт, У.-В. Барклей, Х.-П. Мюнгер

егенда о Дедале и Икаре, сказка о ковре-самолете, проект летательного аппарата Леонардо да Винчи были

воплощены в самолете братьев Райт, о котором мы уже упоминали. «Сначала идут мысль, фан­ тазия, сказка. За ними шествует научный расчет»,— писал К. Э. Циолковский. Научившись летать, че­ ловек захотел летать быстро. За скорость летатель­ ных аппаратов борются люди самых разных специ­ альностей. За последние 30 лет скорость военных самолетов стала в 2—3 раза, а ск&рость баллисти­ ческих ракет —в 10—15 раз превышать скорость звука.

Скоростной .напор воздуха вызывает трение, от­ чего аппарат нагревается, особенно в плотных слоях атмосферы.

Требования, которым должны отвечать материа­ лы для аппаратов, претендующих на право летать со сверхзвуковой скоростью, таковы: плотность — до 3 г/см3, модуль упругости— 15 000—20 000 кг/мм2, ко-

119