Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Тенденции развития материалов

Идеальный металлический конструкционный материал должен характеризоваться следующими свойствами:

небольшая плотность (например, как у магния-1,8 г/см3);

высокая прочность (предел текучести Ss2-103 МПа);

высокий модуль  упругости  (> 200 х х 103 МПа);

отсутствие хрупкости;

хорошая свариваемость;

коррозионная стойкость по отношению ко всем средам;

высокая стабильность структуры;

способность собираться в конструкции с максимальными размерами 8000 х х 4000 х 100 мм;

изотропность (т.е. свойства должны быть одинаковы во всех направлениях).

Нереальной была бы попытка объединить все эти свойства в одном материале. Невозможно также их комбинировать с разнообразнейшими особыми требованиями, так что ближайшее будущее не подарит нам универсального материала. Уже сегодня мы можем убедиться в том, что названные в предыдущих главах широко применяемые материалы -такие, как чугун, сталь, полиэтилен, поливинилхлорид, полиуретан, стекло, бетон и другие, сохранят свое значение. Их свойства могут быть модифицированы с помощью новых технологических способов. Внутри различных групп материалов следует ожидать появления представителей с особыми свойствами, применение которых, однако, из-за высокой стоимости будет ограничено и распространится только на отдельные области. Такие специальные материалы описаны, например, в главе о высокочистых веществах. Быстро растет число сплавов со специфическими, созданными для определенной области применения свойствами. В табл. 32 показан прогресс в развитии металлических материалов, которым ввиду их высокой пластичности и все увеличивающейся прочности и в будущем отводится ведущее место среди конструкционных материалов.

Общественное развитие человечества было и будет тесно связано с материальным производством. Материал, преобладавший при производстве орудий труда, определял целые периоды в истории человечества: каменный век, бронзовый век, железный век. Сейчас доминируют металлы, которые все больше и больше дополняются разнообразными органическими и неорганическими материалами.

В конце нашего столетия должны производиться все известные сегодня металлы. Новые сплавы на основе редких или еще малоизученных платиновых металлов и лантаноидов обогатят список применяемых материалов. На возможность этого указывают новые теплостойкие сплавы на основе рения, рубидия, осмия и иридия. Мы будем тогда в состоянии производить металлы такой высокой степени чистоты, которая встречается сейчас только в материалах для полупроводниковой техники. Этим же путем надеются значительно улучшить пластичность многих известных нам сегодня своей хрупкостью металлов, например хрома.

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в обозримом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Прочность некоторых волокнистых материалов приведена в табл. 33.

Как видно из таблицы, значения прочности у волокон достойны внимания, к тому же опубликованные здесь цифры еще далеки от пределов возможностей (разработка этих материалов в промышленно развитых странах еще не завершена). В рамках интенсивной разработки новых материалов должны еще решаться многие частные проблемы.

На интересную возможность создания идеального высокопрочного материала указал известный советский ученый, академик П. М. Ребиндер. Он исходил из того, что «путь к прочности идет через разрушение». При этом он представил себе любое реальное тело размолотым на мельчайшие частицы, которые практически свободны от структурных дефектов. Если такие сверхпрочные частицы путем прессования и обжига соединить, то возникнет тело почти без пор и полостей. Таким образом были бы достигнуты прочности, очень близкие к теоретическим значениям, рассчитанным исходя из сил межатомного взаимодействия.

Измельчение материала, безусловно, не единственный путь повышения прочности. При образовании мельчайших кристаллов-зародышей в расплавах и растворах, а также при конденсации паров тоже достигается желаемая  тонкозернистая  структура.

У материалов с дисперсионными покрытиями, уже очень часто применяемых, например для электрических контактов, увеличение прочности достигается за счет очень тонко распределенных в металлической основе твердых частиц оксидов или других веществ.

Новые возможности в переработке открывают металлические сверхпластичные материалы, выдерживающие растяжение до 1000% и более.

Новые комбинации свойств, которые мы себе не можем сегодня даже представить, предлагает развивающаяся технология нанесения покрытий, основанная подчас на совершенно новых принципах. Ее методами являются химическое и электрохимическое (гальваническое) осаждение, напыление, плакирование, конденсация паров и диффузионные процессы.

Даже такие эффекты в металлах, которые мы сегодня считаем мешающими, осознанно используются для разработки материалов со специальными новыми свойствами. Так, например, можно представить себе сплавы и изделия из них, износ которых при воздействии нагрузок компенсируется непрерывным увеличением объема.

Из приведенных примеров становится очевидным, что новые материалы требуют и новых технологий производства и переработки. При их разработке технические науки базируются на знаниях, накопленных естественными науками с их физическими, химическими или даже биологическими принципами исследования.

Надеемся, что эта глава убедила вас в том, что в распоряжении конструкторов имеются новые виды источников энергии для обработки материалов.

Уже сегодня конструкторы и технологи могут воспользоваться обширными данными о характеристиках материала, что помогает для определенной области применения выбрать самый целесообразный материал. В то время как в прошлом поиск новых материалов с определенными свойствами проходил эмпирически, в будущем на основе атомных структурных моделей можно будет предсказывать, предварительно рассчитывать и улучшать все его важнейшие характеристики. С помощью вычислительной техники можно установить структуру и состав материала с наилучшими свойствами.

Чем лучше мы поймем необходимость использования важнейших достижений науки и техники и чем быстрее это будет реализовываться на практике, тем скорее будут внедрены в производство новые технологические процессы и тем большим количеством материалов с заданными свойствами мы будем обладать в 2000 году.