Cтратегические угрозы металлургии? (Часть II) 
В первой части этой статьи мы сравнили предельные возможности металлов и ряда новых материалов, претендующих на их замену. Прежде всего речь идет о композитных материалах, создаваемых на основе особо прочных волокон и связующих.
Теперь посмотрим на реальные свойства «конкурентов» – естественно, в сравнении с металлами и сплавами.
Начнем с типового, наиболее изученного компонента – стекла. И, естественно, с композита на его основе – стеклопластика. Отметим сразу, что это вовсе не устаревший материал. Самый современный американский самолет – Boeing 787 Dreamliner – на 50% строится из стеклопластиковых композитных материалов (и только на 20% из алюминия, на 15% из титана и на 10% – из стали). По удельной прочности, т.е. отнесенной к весу (и далее – к цене), стекло – это второй после углерода материал, о чем мы писали в первой части нашей статьи. Такие характеристики обеспечивает стеклопластикам основная химическая связь стекол кремний – кислород. Она является весьма прочной, причем образуется сравнительно легкими атомами.
Чистое кварцевое стекло лишь немного уступает по предельной прочности углеродным структурам (алмаз, нить). Модуль его упругости очень высок – около 74 ГПа: это чуть ниже, чем у алмаза (88,3 ГПа), но почти в 6 раз выше, чем у железа. Притом в материале, который легче железа и стали почти в 4 раза.
Однако реализация высокой потенциальной прочности стекла оказалась весьма непростой задачей, хотя первый патент на стекловолокно появился еще в 1870 г.
Долгая технологическая эволюция, создавшая особо чистые и кварцевые стекла, прочные волокна, методы защиты поверхности и многое другое, тоже была недостаточной. Получив предел прочности на сжатие стеклянных изделий лучше, чем у большинства сталей (выше 500 МПа), даже лучшие – оптически чистые кварцевые стекла – имеют крайне невысокие показатели на фактическое растяжение, сдвиг или изгиб (20–120 МПа). Причем при ударном изгибе или минимальном локальном повреждении поверхности прочность снижается еще на два порядка, до 0,2–1,5 МПа.
Особый толчок как производству стекловолокна, стеклоткани и нужных пластиков, так и общей теории прочности дали теоретические и экспериментальные работы 1930-х гг. В первую очередь – А.А. Гриффитса, в тот период – молодого сотрудника Авиационного исследовательского центра в Фарнборо (Великобритания).
Фактически именно он четко показал роль поверхностной энергии, трещин и других дефектов конструкционных материалов при разрушении, а также построил и объяснил график растущей прочности стеклянной нити при снижении ее диаметра (рис. 1).
Практически в те же годы с появлением первых связующих полимеров (полиэфирной смолы) поя-
вилось и промышленное производство стеклопластиков. Моментально началось их внедрение в авиацию, судостроение и многие другие отрасли индустрии. Особенно этот процесс активизировался с началом Второй мировой войны.
Сейчас эти материалы применяются везде, вплоть до водопроводных труб и столбов уличного освещения. Но лучшие (и самые дорогие) достижения композитов были и остаются в военной промышленности, в аэрокосмическом комплексе, а также в большом спорте уровня «Формулы-1».
Причем это не только стеклопластики, но и их аналоги и прямые родственники – широкая гамма углеродных (карбоновых, углеволокнистых), органоволокнистых, базальтоволокнистых и прочих композитных материалов.
Общим для всех современных композитов является применение высокопрочных и сверхпрочных нитей (волокон) или тканей на их основе.
Любопытно, что первый источник очень прочных волокон – природа. Нить льна имеет среднюю прочность на разрыв до 70 МПа – на уровне хорошей стали, а нить шелка (прочность до 450 МПа) – на уровне лучших сталей и сплавов, причем при удлинении до 15%.
Первые углеродные нити промышленного изготовления были запатентованы знаменитым Томасом Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электролампах. Причем он получал их пиролизом природного хлопка или вискозы (искусственного волокна из природной целлюлозы), но качества и надежности нитей обеспечить не смог.
Реанимация этих технологий произошла почти через сот...
...
...
Извините!
Доступ к полному тексту настоящего материала
имеют только подписчики.
|
С 01.02.2004 тестовый доступ для зарегистрированных пользователей прекращен.
Оформить подписку Внимание!!! Копирование, перепечатка или распространение иным образом материалов, размещенных в разделах "Аналитика" сайта MetalTorg.Ru, возможна только с письменного разрешения редакции © |
