В. Жуков - Химия в бою

Простейшие композиционные материалы давно всем известны. Это прежде всего железобетон, состоящий из бетонной массы и скрепляющей ее стальной арматуры. Еще — текстолит, внутренняя структура которого представляет собой слои прочной ткани, скрепленные затвердевшей смолой. В последние годы, благодаря успехам химии, широко стал применяться «стеклопластик» — тоже составной, композиционный материал. Из «стекловолокна»— неорганического соперника нейлона и других высокопрочных синтетических волокон — методом «намотки» с последующей пропиткой полимеризуемыми, затвердевающими смолами изготавливаются сейчас даже крупные, высоконагруженные конструкции — корпуса ракет, катеров, части самолетов, вертолетов. В печати сообщалось, например, о первом полете экспериментального самолета, конструкция которого почти целиком выполнена из стеклопластиков. Однако особый, повышенный интерес специалистов вызывают не эти композиционные материалы, а другие. Они строятся на принципиально новой основе.

Наукой установлено, что применяемые в современной практике конструкционные материалы обеспечивают лишь 10–15 процентов своей идеальной, то есть теоретически достижимой прочности, твердости и других важных характеристик. Происходит это потому, что внутреннее строение этих материалов представляет собой неупорядоченную, хаотически сросшуюся при остывании расплава смесь кристаллических зерен. Таким структурам, содержащим к тому же примеси, присущи различного рода микродефекты. Если же материал подвергнуть тщательной очистке, а внутреннее строение образца «выправить», построив атомы металла в такую же строгую кристаллическую решетку, как, например, у драгоценных камней, то прочность его и другие свойства станут близкими к идеальным.

Однако получать целиком детали или их заготовки в виде монолитных кристаллов пока не удается. Чистые монокристаллы получают сейчас в ряде стран посредством весьма сложной технологии лишь в виде тончайших нитей, диаметром до 0,1 миллиметра и длиной до нескольких сантиметров. Зато прочность таких монокристаллических нитей на разрыв может достигать 1400 кг/мм 2, что примерно в десять раз больше, чем у большинства конструкционных сталей. Идея создания новых композиционных материалов именно в том и состоит, чтобы использовать сверхпрочные монокристаллические нити в качестве арматуры применяемых сегодня конструкционных материалов, «укрепить» их нитями так же, как железная арматура укрепляет бетон. При этом матрицей, то есть связующей основой, служат различные металлы, керамика и другие материалы.

Конечно, прочностные характеристики созданных таким образом материалов оказываются ниже, чем у идеальных монокристаллов, но зато они могут быть значительно, при некоторых сочетаниях в несколько раз, выше, чем у обычных, исходных конструкционных материалов. Так, упрочение алюминиевых сплавов нитевидными кристаллами сапфира позволяет увеличить их прочность в 2–3 раза. С точки зрения ювелиров, сапфир — драгоценный камень, а для химика — это окись алюминия, из которой получаются нитевидные кристаллы высокой прочности. В лабораторных условиях, как указывает печать, удается получать также монокристаллы химически чистого алюминия, железа, окиси кремния, карбида бора и многих других элементов и их соединений.

В отличие от известных ранее волокнистых материалов нитевидные кристаллы в принципе могут обладать близкой к идеальной прочностью, поскольку у них отсутствуют ослабляющие микротрещины, резкие переходы в структуре и другие «дефекты». Поэтому-то специалисты четко разграничивают монокристаллические нити и прочие материалы, используемые ныне в качестве арматуры — стекловолокно, проволока.

Чистые нитевидные кристаллы получают в настоящее время различными способами «выращивания» при процессах кристаллизации из жидких, паровых и газообразных фаз. Изготовить длинные монокристаллические нити в виде непрерывного волокна, которые можно было бы использовать для изготовления конструкций методом намотки, как из стекловолокна, сообщает печать, пока не удается. С увеличением длины и диаметра монокристаллических нитей уменьшается их прочность, так как повышается вероятность появления микротрещин и других дефектов структуры.

Установлено, что близкая к идеальной структура возможна лишь в тонких кристаллических нитях диаметром менее 0,1 мм. Длина таких нитей составляет, как правило, от нескольких миллиметров до двух-трех сантиметров. Однако разрабатываются методы получения все более длинных нитевидных кристаллов. В печати сообщалось, что одной из английских фирм удалось получить нити из графита длиной до 90 см. Специалисты этой фирмы надеются в недалеком будущем получить нити длиною до 4,8 километра, то есть практически непрерывное графитовое волокно.