книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

Переход в эту форму сопровождается разрывом свя­ зей, изменением плотности решетки. Наиболее устой­ чива форма корунда а-А120з с тригональной решет­ кой. При прокаливании гидрата окиси алюминия можно получить у-А12О3 с гранецентрированной ку­ бической решеткой, которая при высокой температуре неустойчива и переходит в а-А120з.

Новая керамика требует специальной очистки ис­ ходного сырья. К технологическим способам ее про­ изводства относятся литье из парафинированных масс, горячее прессование и гидростатическое формо­ вание. Спекание зачастую производят в специальных газовых средах. При этом материал уплотняется. Оно значительно замедляется, если решетка окислов не содёржит большого количества дефектов точечного типа.

Наиболее широкое распространение в технике по­ лучила корундовая керамика, которая удачно соче­ тает ценные физико-химические и химические свойст­ ва тугоплавких окислов. Высокая твердость, тепло­ проводность, химическая устойчивость к расплавлен­ ным металлам, газам и кислотам, включая плавико­ вую, позволяют широко использовать корундовую керамику в современной технике. Корунд применяют в качестве защитных температуроустойчивых покры­ тий, для протяжки стальной проволоки, при изготов­ лении электроизоляторов и фильеров и т. п. Это важ­

Окись бериллия обладает высоким коэффициен­ том замедления тепловых нейтронов, поэтому кера­ мика на ее основе применяется для ядерных высоко­ температурных реакторов в качестве замедлителя нейтронов. Керамика на основе двуокиси циркония

60

используется при изготовлении огнеупоров тепловых агрегатов и в качестве покрытия на металлах.

Самый тугоплавкий окисел — двуокись тория. Он применяется в тех случаях, когда нельзя использо­ вать окись алюминия и циркония. Устойчивость в окислительной среде и в расплавленных металлах позволяет изготавливать из него керамику для пла­ вильных тиглей и деталей для высокотемпературных печей. Изделия из керамики на основе двуокиси то­ рия обладают большой механической прочностью.

Новый тип композиционного материала — керами­ ка из компонентов окиси тория и окиси иттрия за­ патентован в США под названием «иттрийлокс». Он обладает высокой жаростойкостью и прозрачностью в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Его широко применяют в смотровых окнах высоко­ температурных печей. По сравнению с оптическими силикатными стеклами у него низкий показатель преломления, исключающий оптическое рассеяние.

Шпинелевая керамика обладает высокой механи­ ческой прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Она используется для изготовления кон­ денсаторов и металлокерамических спаев. Для того чтобы спаять керамические детали с металлическими, керамику металлизируют.

Перечень сфер применения керамики чистых окис­ лов весьма велик. Можно с уверенностью сказать, что область ее использования будет непрерывно рас­ ширяться. Век космоса предъявляет к керамике но­ вые требования: высоких пределов прочности при растяжении, повышенной ударной вязкости, хорошей термостойкости. Улучшить свойства керамики можно, армируя ее металлическими волокнами. Большое значение при этом имеет геометрия волокон и их ори­ ентация.

61

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Ученым в лабораториях уже уда­ лось показать реальность получе­ ния материалов с прочностью, сравнимой с идеальной.

И. А. Одинг

звестный французский спеле­ олог Де Каспере, автор кни­ ги «Десять лет под землей», находил в пещерах

гибкие волокна карбоната кальция и гипса, свисав­ шие с потолка и со стен. Они так хорошо гнулись, что их можно было даже завязывать в узел.

камень). Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иног­ да волосовидных агрегатов. Его цвет может меняться в зависимости от содержания в нем FeO, от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древней­ ших времен нефрит ценят как необычайно прочный поделочный камень. Из него изготовляли предметы культа, украшения. В Самарканде в мавзолее ГурЭмир выделяется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие завоевателя XIV века Тимура.

Нередко в горном хрустале встречаются игольча­ тые и волосовидные кристаллы рутила ТіОг, назва­ ние которого происходит от латинского слова «рутилус» — красноватый. В давние времена думали, что

63

эти волосовидные кристаллы — «волосы Венеры» — переходное звено между живой материей и минера­

лами.

В природе часто встречаются минералы в волок­ нистой форме. Среди них наиболее известен асбест, «несгораемый». Его узнали задолго до нашей эры. Сначала его называли хризолитом (по-гречески «хри-

ляют теплоизоляцонные и электроизоляционные ма­ териалы. Микроскопическое исследование асбеста по­ казало, что он состоит из эластичных, очень прочных волокон диаметром 0,02—0,005 микрона.

Нитевидные кристаллы или очень тонкие моно­ кристаллы игольчатой формы могут быть образова­ ны чистыми металлами. Первыми из таких кристал­ лов, которые подверглись тщательному исследова­ нию, были нитевидные кристаллы олова и кадмия. Они возникали на защитных пленках олова и кадмия, нанесенных на сталь. Из-за их роста возникало ко­ роткое замыкание, выходили из строя электронные приборы, использовавшиеся в армиях США и Англии в период второй мировой войны. После войны стали исследовать причины их возникновения и их свойст­ ва. Определили, что прочность их приближалась к теоретической благодаря весьма совершенной струк­ туре. После сообщения об этом в журнале Амери­ канского физического общества в 1952 году многие фирмы и университеты начали интенсивные и широ­ кие эксперименты по изучению условий образования и особенностей строения нитевидных кристаллов, или «усов», как их стали называть.

Движущая сила спонтанного роста «усов» на кад­ мии, олове, цинке до сих пор окончательно не выяс-

64

йена. Выдвинутые объяснения роста «усов» основы­ ваются на дислокационном механизме.

Известно, что прочность технического железа на разрыв составляет всего 25—30 кг/мм2, тогда как его теоретическая прочность — не менее 2200 кг/мм2. Ког­ да удалось получить монокристальные «усы» желе­ за длиной от долей миллиметра до нескольких мил­ лиметров с диаметром несколько тысячных долей миллиметра, то их прочность оказалась ошеломляю­ щей— 1340 кг/мм2.

Исследование поверхности нитевидных кристаллов показало, что она не имеет микроскопических тре­ щин, остается «атомно гладкой». Структура их ха­ рактеризуется почти полным отсутствием дислокаций. Необходимо приложить огромное усилие для того, чтобы нарушить связь атомов кристаллической решет­ ки, расположенных в плоскости скольжения. Высокая энергия межатомной связи, свойственная тугоплав­ ким соединениям, обусловливает большинство ценных качеств кристаллов.

Вначале полагали, что высокая прочность ните­ видных кристаллов позволит широко использовать их в композиционных материалах. Однако это оказалось делом нелегким. Потребовалось фундаментальное изучение процесса получения волокон, их совместимо­ сти с разными матрицами, исследование зависимости свойств композиционных материалов от различных факторов.

Выращивать нитевидные кристаллы («усы») ока­ залось возможным как для металлов, так и для не­ металлов. Определились способы выращивания ните­ видных кристаллов таких соединений, как SiC, А12О3, SÌ3N4, AIN, В4С, 'MgO и т. д. Это конденсация из газовой (паровой) фазы, восстановление солей, раз­ ложение некоторых соединений, окисление метал-

лов и др. Существует более 100 методов получения монокристаллов. Основной недостаток этих спосо­ бов— крайне низкая производительность. Нитевид­ ные кристаллы, полученные осаждением из газовой фазы, обладают наиболее совершенными поверх­ ностью и свойствами. В Советском Союзе в шести­ десятых годах Е. Савицкий с сотрудниками получил монокристаллы практически всех тугоплавких метал­ лов, а также некоторых редкоземельных металлов.

Одним из первых в СССР изучением сверхпроч­ ных материалов начал заниматься И. А. Одинг. Он составил оригинальную диаграмму, которая показы­ вает, что наибольшую сопротивляемость пластическо­ му деформированию, а следовательно, и наиболее вы­ сокую прочность имеет либо металл с очень высо­ кой плотностью дислокаций, либо металл, у которого плотность дислокаций весьма незначительна. В обоих случаях сопротивление кристаллической решетки воз­ действию внешней растягивающей нагрузки резко увеличивается. Диаграмма Одинга наглядно показы­ вает причину ошеломляющей прочности нитевидных кристаллов.

В настоящее время получены нитевидные кристал­ лы железа, олова, золота, платины, кадмия, герма­ ния, серы и окислов алюминия, магния, циркония, молибдена, ниобия и др. Еще в конце прошлого века был запатентован способ получения нитевидных кристаллов серебра путем восстановления его хлори­ стой соли в атмосфере водорода. За последнее вре­ мя этот способ претерпел значительные усовершенст­ вования.

В трубчатой печи размещают муллитовую, алундовую или кварцевую лодочку длиной в несколько сантиметров с хлористой солью металла. При нагре­ ве происходит возгонка соли. Через печь про-

66

пускают водород, который восстанавливает соль до металла. Хлористый водород удаляется. Нитевидные кристаллы появляются на стенках и кромке лодочки в виде пушистых наростов. Процесс занимает от по­

соли, стабильностью режима восстановления. Однако температура и скорость прохождения водорода в пе­ чи в ряде случаев являются определяющими. Таким способом получают кристаллы диаметром от субми­

менее 1000° из газовой фазы.

Методы механического выдавливания, электроли­ тического осаждения, химического переноса и разло­ жения оказались малопроизводительными. Промыш­ ленная методика получения «усов» пока не разрабо­ тана.

тельном удлинении 0,4 процента, а модуль упругости составляет 100 000 кг/мм2. Известны два способа по­ лучения «усов» графита: в дуге с графитовыми элек­ тродами, горящей при высоком давлении, и при тер­ мическом разложении углеводородов. Получаемые в лабораторных условиях графитовые «усы» диаметром 0,5—5 микрон могут быть использованы в качестве нитей накаливания идеально-линейных источников света, для вакуумных нагревателей. На повестке дня стоит весьма сложная проблема использования

67

«усов» графита как армирующего материала для ту­ гоплавких металлов.

В настоящее время доказана перспективность ни­ тевидных кристаллов как армирующего компонента различных металлических матриц. Стеклянным во­ локном армируют преимущественно пластики, и объ­ ем продукции из стеклопластиков достигает многих сот тысяч тонн. Есть надежда, что использование ни­ тевидных кристаллов со временем приобретет такой же размах.

Были времена, когда тот или иной металл произ­ водили в ничтожных количествах, и стоимость про­ изводства была чрезвычайно высока. Взять хотя бы алюминий. Сегодня никто не станет носить ювелир­ ных украшений из алюминия, а на Всемирной вы­ ставке 1855 года его демонстрировали под названи­ ем «серебро из глины». Уже в то время в алюминии видели металл будущего. В романе «Что делать?» Н. Г. Чернышевский мечтал о том времени, когда серебристый легкий алюминий придет на смену чер­ ным и тяжелым металлам.

В настоящее время освоено промышленное ПрОИЗ; водство «усов» карбида кремния. Цена на них сни­ зилась более чем в 200 раз. В форме нитевидных кристаллов выращено свыше 30 элементов и 140 со­ единений. Нитевидные кристаллы сапфира и карбида кремния в будущем станут широко использоваться в качестве армирующих материалов. Они очень проч­ ны, у них большой модуль упругости, низкая плот­ ность и большое сопротивление деформации при вы­ соких температурах. При растяжении при комнатной температуре их прочность равна соответственно 7Ö0 кг/мм2 и 1200 кг/мм2, а модуль упругости нахо­ дится в пределах 40 000—60 000 кг/мм2. С повышени­ ем температуры он снижается незначительно. Усовер-

68

шенствование технологии изготовления нитевидных кристаллов из тугоплавких материалов с высоким модулем упругости откроет широкие перспективы для получения сверхпрочных композиционных материа­ лов.

Чтобы нитевидные кристаллы в композиционном материале были высокопрочными, необходима их на­ правленная ориентация в металлической матрице. Одним из перспективных методов получения полу­ фабрикатов из нитевидных кристаллов нитрида алю­ миния, сапфира и рутила со степенью ориентации 80—90 процентов является метод осаждения в элек­ тростатическом поле.

Прочность композиционных материалов зависит не только от прочности самих нитевидных кристал­ лов, но и от способности металла матрицы передавать им приложенные нагрузки. Передача касательных на­ пряжений на волокне возможна в случае прочной связи на границе раздела компонентов. Для чистых металлов это зачастую неосуществимо. В таком слу­ чае необходимо уменьшить межфазное натяжение в системе. Для этого можно изменить поверхност­ ные свойства окисной фазы путем адсорбционного плакирования или изменить свойства металлическо­ го расплава, вводя в него межфазно-активные при­ садки.

Недавно стало известно, что покрытие из сплава системы Fe — Ni — Со, нанесенное на поверхность «усов» сапфира вакуумным напылением, обеспечива­ ет достаточно прочное сцепление со сплавом ни­ кель-палладий, а введение в никель титана и хрома создает благоприятные условия для смачивания сап­ фира никелем. Наилучшее решение проблемы — в соз­ дании на границе раздела компонентов мономолеку­ лярной пленки со структурой шпинели №О-А12Оз.

69