Раздел: Дом. Быт. Техника. Строительство. Сельское и приусадебное хозяйство

— рассматривает поведение материалов в космосе или в условиях, приближающихся к космическим. При разработке и эксплуатации материалов возникает ряд основных проблем.

Испарение материалов в глубоком вакууме ниже 10 ~3 мм рт. ст. Испарение носит избират. характер и потеря металла с границ зерен примерно на порядок превышает испарение с тела зерна. Поэтому при оценке поведения материалов в космич. вакууме нельзя руководствоваться только средними хар-ками испарения. Различно ориентированные зерна металла будут испаряться по-разному (следствие анизотропии сил межатомной связи в кристалле), что приведет к нек-рой шероховатости поверхности. В космосе сильно проявляется корпускулярная природа эффектов давления. Свободный пробег частиц составляет величину порядка неск. км. По этой причине компоненты испарения, оторвавшиеся от поверхности космич. корабля, практически больше не встретятся с этой поверхностью.

Изменение плотности газов по мере удаления от Земли приводит к понижению давления, связанного с числом молекул или атомов, сталкивающихся с поверхностью к.-л. тела. Понижение плотности и давления в зависимости от расстояния от Земли характеризуется таблицей. На высотах св. 6500 км давление принимается равным 10~12 мм рт. ст.

повышение темп-ры до 500° К меняет упругость его паров. Этот металл может применяться в качестве космич. материала лишь при условии определ, ограничений по темп-ре и длительности эксплуатации. Такие металлы, как железо, никель, алюминий и бериллий, при 450° К имеют упругость пара порядка или менее 10~14 мм рт.ст. (экстраполированные данные), а при 900°К — Ю-10— 10"9 мм рт. ст. и безусловно пригодны в качестве основы для создания космич. сплавов, хотя придется считаться с некоторым испарением при повыш. темп-рах, к-рое, может быть, будет ограничивать температурный потолок их применения в большей мере, чем возможная жаропрочность. Большинство тугоплавких металлов (Та, W, Мо и др.) хорошо ведут себя в вакууме даже при очень высоких темп-pax. Исключение представляет хром, легко испаряющийся при темп-pax выше 1500—1700°С. Газовые примеси, естественно, легко испаряются в глубоком вакууме, что сказывается на св-вах металла. Испарение летучих компонентов сплава возможно только при достаточно высоких темп-pax, когда путем диффузии реализуются «атомные перевозки» испаряемого элемента к поверхности. Упругость паров какого-либо элемента в сплаве отлична от значений этой хар-ки для чистого металла.

Весьма сложную проблему представляет создание неметаллич. материалов для работы в глубоком вакууме. Испарение отд. компонентов делает непригодными в качестве космич. материалов многие известные в технике композиции неметаллов того или иного назначения.  

Нек-рые металлы, как, напр., цинк и кадмий, широко применяемые в технике в качестве защитных покрытий от коррозии в условиях длит, эксплуатации во влажной атмосфере, не обеспечивают работу в глубоком вакууме. При темп-ре 450° К, к-рая может характеризовать условия работы обшивки спутников в космич. пространстве, цинк и кадмий имеют соответственно упругость паров 5-Ю-7 и 10 ~*мм рт. ст., что исключает возможность их применения в качестве космич. материалов.

Ползучесть и разрушение металлов и сплавов в зависимости от глубины вакуума, темн-ры и длительности испытания. Процесс разрушения при длит, ползучести у большинства металлов идет путем образования и развития трещин по границам зерен. Усиленное испарение металла с границ зерен в глубоком вакууме ускоряет процесс разрушения, если материал работает при высокой темп-ре. Однако, применяя спец. "легирование, можно существенно затормозить локальное испарение с границ зерен. При эксплуатации материала в области сравнительно низких темп-р в земных условиях, когда не проявляется заметным образом испарение, вакуум может оказаться даже полезным, т. к. окисление под напряжением границ зерен металла (на воздухе) понижает сопротивление отрыву.

Большую самостоят, проблему составляет состояние поверхности изделий, работающих в космич. пространстве, т. к. поверхностный слой металла наиболее подвержен вредным остаточным явлениям после различных технологич. операций. Механич. обработка жаропрочных сплавов может явиться источником 2 неблагоприятных явлений: растягивающих остаточных напряжений и пластич. деформации в тонком поверхностном слое металла (глубиной 15—20 мк). Остаточные напряжения после механич. обработки связаны не только и не столько с неравномерной пластич. деформацией в процессе резания, сколько с неравномерным нагревом изделий во время этой операции; чем меньше теплопроводность металла, тем выше уровень остаточных напряжений после резания.

Как и в случае эксплуатации в земных условиях, поверхностный наклеп изделий нежелателен, если темп-pa и длительность работы достаточно велики для протекания диффуз. процессов; для деталей, работающих в области сравнительно низких темп-р, наклеп часто применяется в качестве упрочняющей технологии. Под влиянием пластич. деформации энергия активации процесса диффузии уменьшается в 1,5—2 раза и в поверхностном слое металла при повыш. темп-pax происходит интенсивное достаривание многих гетеро- фазных сплавов, что сокращает срок их эксплуатации. В связи с этим выдвигаются спец. требования к состоянию поверхностного слоя металла. Большой интерес в этом отношении представляет процесс электрополирования на глубину слоя, поврежденного пластич. деформацией. Режим электрополирования должен быть подобран т. о., чтобы не происходило растравливания границ зерен.

Для релаксации остаточных напряжений в ряде случаев рекомендуется отжиг изделий в нейтральной среде. Механизм релаксации остаточных напряжений, возникших при резании в поверхностном слое, имеет двоякую природу: остаточные напряжения могут релаксировать при нагреве за счет повыш. диффузионной подвижности атомов в поверхностном слое (что требует сравнительно низкой темп-ры отжига) и путем пластич. деформации или ползучести под влиянием самих остаточных напряжений (что требует более высоких темп-р нагрева). Нагрев под прокатку и ковку целесообразно вести в нейтральной среде, т. к. наличие окисной пленки может привести к понижению жаропрочности в подокисном слое металла, обедненном легирующими элементами, пошедшими на образование окисной пленки. Оксидирование и фосфатирование металлов, приводящие к созданию на поверхности изделий плотных и стабильных в глубоком вакууме пленок, затрудняют процесс испарения.

В космич. пространстве состояние невесомости, а также отсутствие аэродинамич. сил существенно облегчает работу отд. элементов конструкции. Конечно, напряженность от действия центробежных сил, напр. во вращающихся дисках, такая же, как и в земных условиях; в этом случае необходима высокая уд. прочность. При взлете с поверхности Земли приходится считаться с большими ускорениями и вибрациями. Ряд отсеков конструкции, в т. ч. кабина космонавта, находится под внутр. давлением, что делает целесообразной проверку материалов на чувствительность к образованию и развитию трещин при плоском напряж. состоянии. Необходимость такого рода испытаний станет особенно очевидной, если учесть, что ряд авиац. катастроф за рубежом, внешне представляющих как бы взрыв фюзеляжа самолета, своей непосредств. причиной имел быстрое развитие трещины усталости под влиянием внутр. давления, создавшего в конструкции большой запас потенциальной упругой энергии. Опасность такого разрушения должна быть учтена при выборе материала и разработке конструкции с учетом возможного проникновения метеорита - через оболочку кабины космонавта.

Влияние на материалы глубокого холода. В космич. пространстве темп-ра отдельных элементов конструкции летат. аппаратов может быть ниже —250°, приближаясь к абс. нулю. Поэтому вопросы хладноломкости металлов приобретают огромное практич. значение. Хладноломкость прежде всего связана с чистотой металла в отношении примесей, искажающих кристаллич. решетку, что заставляет предъявлять к космич. материалам особо высокие требования по чистоте металла. Степень чистоты металла по примесям может быть различной в зависимости от «тесноты квартиры», занимаемой ими в кристаллич. решетке с учетом того, что мн. примеси представляют собой не механически вкрапленные включения, а атомы и соединения, взаимодействующие с ион- электронной решеткой осн. металла; нек-рые примеси особенно опасны при расположении их по границам зерен поликристалла и в этом отношении монокристалл должен быть менее хладноломок. «Теснота квартиры» может быть в первом приближении охарактеризована периодом решетки основного металла.

Из числа металлов с объемноцентрированной кубич. решеткой ниобий имеет большой период решетки и не обладает хладноломкостью в широком интервале темп-р. Никель, медь и алюминий, имеющие кубич. гранецентрированную решетку, также не относятся к числу хладноломких металлов, однако установлено, что медь под влиянием нейтронного облучения при комнатной темп-ре становится хладноломкой при 78°К — здесь проявляется влияние внедренных в междуузлия собственной решетки атомов меди. Среди гексагональных металлов бериллий имеет самую «тесную квартиру» и он хладноломок даже при ничтожном содержании нек-рых примесей. В случае эксплуатации материалов в области низких темп-р приходится считаться с их более высокой чувствительностью к концентрации напряжений, что особенно имеет место в металлах и сплавах, у к-рых с понижением темп-ры резко возрастает предел текучести, а пластичность понижается.

Примеси и укрупнение зерна обычно понижают сопротивление отрыву металла, мало зависящее от темп-ры. Сопротивление пластич. деформации возрастает с понижением темп-ры у тех металлов, к-рые имеют для примесей «тесную квартиру», т. к. термич. сжатие кристаллич. решетки усиливает влияние цримесей. Согласно схеме акад. А. Ф. Иоффе, при той темп-ре, когда предел текучести достигает значения сопротивления отрыву, наступает явление хрупкого разрушения — хладноломкость.

Внешнее трение и износ материалов в зависимости от глубины вакуума. С увеличением глубины вакуума теряется эффект смазывающего действия атм. газов и между сухими поверхностями, испытывающими трение, может наступить схватывание металла, являющееся проявлением межатомного взаимодействия. Высокая упругость паров исключает применение мн. смазок, хорошо работающих в земных условиях. Густые смазки с низкой упругостью паров и малой скоростью испарения могут работать огранич. время, если вакуум не очень глубок (10~в мм рт. ст.). Эти особенности трения в глубоком вакууме предъявляют специфич. требования к ряду конструкций и материалам, работающим в космич. пространстве.

Воздействие метеоритных частиц на материалы. Особенность этой проблемы связана с тем, что при встрече метеоритных частиц с поверхностью летат. аппаратов имеет место явление удара, напоминающее микроскопич. взрыв, т. к. скорость этих частиц относительно Земли весьма велика (от 10 до 70 км/сек). Нельзя исключать возможность поверхностного повреждения летат. аппаратов, причем размеры повреждения могут значительно превышать «калибр» метеоритного снаряда. Размеры метеоритов различны — от долей микрона (метеорная пыль) до неск. десятков километров. Вероятность встречи с крупными частицами тем меньше, чем крупнее они по размерам. Вероятность встречи с такими метеоритами, к-рые способны пробить обшивку корабля в околоземном пространстве, невелика, но реально существует — один случай в год, если поверхность летательного аппарата будет равна 100 м2, а толщина обшивки из алюминиевого сплава — 2 мм. Сейчас далеко не ясно, какой энергией будет обладать метеорит, пробивший обшивку, и какую опасность он представит для целостности кабины и жизни космонавта. Необходимо также считаться с тем, что на внутр. поверхности обшивки возможны отколы, как это наблюдается в земных условиях при обстреле нек-рых типов брони.

Образование изъязвлений и мелких кратеров на поверхности космич. корабля безусловно меняет ее излучательную способность. Известно, что шероховатая поверхность металла примерно в два раза сильнее излучает тепло, чем полиров, поверхность. Спец. покрытия, обладающие высокой степенью черноты, практически не реагируют на мелкие изъязвления, если при этом не обнажается осн. поверхность материала с иной излучат, способностью. «Обстрел» космич. пылью стекол, конечно, меняет их оптич. св-ва в местах поражения. Метеорная опасность особенно велика для энергетич. установок, имеющих большую площадь холодильников-излучателей.

Влияние солнечной и космич. радиации на структуру и свойства материалов. Под радиацией понимается тот или иной поток волн или частиц, к-рые могут быть электрически заряженными или нейтральными. Солнечная радиация представляет собой спектр рентгеновых, ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей, а также поток частиц малых энергий; при хромосферных вспышках, охватывающих до 25 млрд. км2 солнечной поверхности и увеличивающих до 10 000 раз общий фон космич. излучения, увеличивается не только общая яркость света в 5—10 раз, но и возникает поток частиц (протонов) высоких энергий (до 10—20 Мэв), соизмеримых с энергией космич. частиц. Космич. радиация представляет собой 3 вида излучений: а) первичная радиация, состоящая в осн. из протонов (ок. 85%) с энергией 0,1 Бэв, а-частиц (ок. 15%) с энергией 0,1 Бэв и небольшого числа ядер тяжелых атомов (азота, кислорода и углерода) с огромной энергией (105 Бэв); б) вторичная радиация — электроны (250 Мэв), позитроны (250 эв), нейтроны (до 10 Мэв), улучи (до 120 Мэв), рентгеновы лучи (до 120 кэв), мезоны (1 Бэв)\ в) пояса радиации вокруг Земли, состоящие, по-видимому, из электронов (до 600 кэв) и протонов (до 650 Мэв).

В настоящее время принято говорить о следующих поясах радиации: 1) самый внешний пояс — частицы малых энергий (сотни кэв), являющиеся пришельцами из Галактики, интенсивность радиации очень мала; 2) внешний пояс — электроны и протоны с энергией до 1 Мэв\ 3) внутренний пояс — частицы высоких энергий порядка 100 Мэв, по нек-рым амер. данным (возможно завышенным), энергия протонов может достигать 650 Мэв\ 4) искусственный пояс — результат взрыва амер. водородной бомбы на большой высоте, образовавшего огромную каверну в магнитном поле Земли, и породившего частицы, в основном электроны, большой интенсивности и большой энергии порядка 1,5 Мэв. На большой высоте искусств, пояс радиации может существовать годы, а в плотных слоях атмосферы — сравнительно короткое время.

За пределами радиационных поясов простирается межпланетное пространство, в к-ром непрерывно действует «солнечный ветер», несущий с собой частицы с энергией порядка 1 кэв. Коротковолновое (1—20 А) солнечное излучение приводит к очень слабому смещению атомов в материалах, излучение с длиной волны от 1000 до 2000 А вызывает ионизацию атомов, а еще более длинные волны (2000—3000 А) возбуждают электроны. На Земле нет излучения с длиной волны меньше 3000 А — оно просто не доходит. Тепловой баланс в основном определяется длинноволоновым излучением и волны короче 3000 А вносят в общий баланс не больше 1 % энергии. Энергия отдельного кванта излучения с длиной волны меньше 3000 А равна 4 в. Под влиянием солнечного излучения может понизиться коэфф. отражения анодированной поверхности алюминиевых сплавов.

Солнечная радиация даже в земных условиях, где она обладает значительно меньшей интенсивностью, чем в космосе, оказывает большое влияние на структуру и св-ва неметаллич. материалов, к-рые в осн. имеют органич. природу. В космосе этот эффект усиливается, причем приходится считаться не только с испарением, но и циклич. нагревами, вызывающими термич. напряжения,, к-рые способствуют растрескиванию. При радиац. воздействии на неметаллич. материалы имеют значение все частицы, несущие с собой энергию. Независимо от характера облучения, решающим фактором является количество энергии. Изменение химич., физич. и меха- нич. св-в неметаллич. материалов связано с протеканием при облучении двух осн. необратимых процессов: а) распадом молекул, их деструкцией, при этом прочность понижается; б) «сшиванием» цепочек молекул, вследствие появления поперечных связей между ними, при этом прочность и теплостойкость увеличиваются, а пластичность уменьшается. Эти две необратимые реакции могут идти одновременно с преобладанием одной из них на том или ином этапе облучения (напр., деструкции материала при длит, радиации). Образование нового вида межатомной связи (поперечной связи) у мн. неметаллич. материалов можно рассматривать как следствие ионизации, к-рая сравнительно легко возникает у этих материалов при различных видах облучения.

Осн. эффекты радиац. воздействия на металлич. материалы таковы: 1) Ионизация атомов — результат упругою столкновения космич. частицы с орбитальными электронами, причем легче всего «отрываются» наружные электроны. В металлах конструкц. профиля ионизация не имеет существ, значения, но в приборных материалах, напр. изоляторах или полупроводниках, смещенные электроны могут попасть в полосу проводимости, что сделает их проводниками тока.

Образование в кристаллич. решетке «пар Френкеля», т. е. вакансий и внедренных атомов,— результат упругого столкновения космич. частицы с ядром ионизи- ров. атома. Этот эффект оказывает решающее влияние на св-ва конструкц. металлов. Если частица передает атому металла большую энергию, этот атом, в свою очередь, может стать источником образования «пар Френкеля». Энергия образования «пары Френкеля» сравнительно невелика (ок. 25 эв) и частицы с большой энергией способны вызвать существ, изменения в строении металла. Нейтроны, вследствие отсутствия заряда, способны проникать далеко в глубь кристаллич. решетки. На сравнительно большую глубину могут проникать также протоны ноясов радиации и протоны, возникающие в большом числе при солнечных .вспышках и обладающие высокой энергией. Мн. физич. и механич. св-ва структурно чувствительны. В результате появления внедренных атомов и вакансий электросопротивление металлов возрастает, а механич. св-ва меняются определ. образом: возрастает сопротивление пластич. деформации, особенно в начальной ее стадии (предел текучести), и понижается пластичность; в ряде случаев возникает хладноломкость металлов (напр., у молибдена); вероятностьхрупкого разрушения тем выше, чем больше доза облучения. Тепловое воздействие уменьшает эффект радиац. облучения за счет рекомбинации «пар Френкеля». Здесь диффуз. подвижность атомов, устраняющая дефекты в строении решетки под влиянием облучения, играет положит, роль.

Протоны со сравнительно небольшой энергией (порядка 100 кэв), входящие наряду с электронами в излучение, вызывающее полярное сияние, способны, как и ряд др. частиц, вызвать распыление поверхности оболочки космич. ракет. Атом, находящийся на поверхности материалов, под влиянием удара космич. частицей может, потеряв связь со своими соседями, внедряться не внутрь вещества (что приводит к образованию «пар Френкеля»), а во внешнюю среду, оторвавшись от материала. Скорость такого распыления может составить в околоземном пространстве — 1 мк в год. Распыление за счет космич. радиации будет менять физич. св-ва поверхности материала и будет влиять на работу мн. систем (солнечные батареи, зеркала и др.), где качество поверхности (оптич. св-ва в первую очередь) имеет значение. Это распыление можно рассматривать как испарение под воздействием космич. радиации, т. к. в обоих случаях происходит нарушение межатомной связи на поверхности материала с потерей атомов во внешнюю среду.

Внедрение космич. частицы внутрь тела сопровождается упругими колебаниями кристаллич. решетки, с чем связан тепловой эффект при облучении. По расчетам Ф. Зейтца при нейтронном облучении возможно местное повышение темп-ры до 10 000°К за время порядка Ю-11 сек. «Тепловой пик» вдоль пути внедряющейся частицы подобен «микроатомному взрыву», охватывающему миллионы атомов. Если атомы близки к поверхности, не исключено их испарение в момент образования «термического пика». Подсчеты показывают, что за время 10~п сек. металлы, имеющие энергию активации самодиффузии меньше 92 000 кал/г-атом, а таких металлов большинство, успеют расплавиться в зоне «термич. пика». При этом весьма вероятна рекомбинация части дефектов Френкеля. Мн. тугоплавкие металлы (W, Мо, Та), несмотря на столь высокую темп-ру (10~4оК), просто не успеют расплавиться и для них маловероятна рекомбинация «пар Френкеля». Может быть, в этом одна из причин, почему молибден сильно охруп- чивается при облучении.

В делящихся материалах (уран и др.) результатом неупругого столкновения частицы с ядром, приводящим к распаду ядра, является образование новых элементов. Учитывая, что энергия частиц первичной космич. радиации на много порядков превышает энергию нейтронного излучения в атомных котлах, можно ожидать, что некоторые космич. частицы не только изменят структуру и св-ва металлов, но и приведут к ядерному превращению.

Теоретически предвидеть результат взаимодействия космич. частиц высоких энергий первичной радиации с ядрами кристаллич. решетки различных металлов, не зная механизма этого взаимодействия, очень трудно, как трудно оценить в этом случае и возможность взаимопревращения одних элементарных частиц в др., хотя с рядом изменений поверхностного слоя придется считаться. Может быть детальный анализ железных метеоритов, к-рые очень длительное время могли облучаться в космич. пространстве частицами разных энергий и в разных температурных условиях, поможет решению этой задачи, тем более, что преодоление атмосферы Земли при попадании метеора на нашу планету портит поверхность этого небесного тела всего лишь на глубину порядка 1 см. По нек-рым источникам уже обнаружено в метеоритах значит, число изотопов железа. Очень большой интерес представит изучение различных материалов Луны, не имеющей атмосферы, к-рая принимает на себя в земных условиях осн. удар космич. частиц и метеоритов.

Космич. радиация, по-видимому, не представляет большой опасности для прочности корпуса ракеты (сравнительно мала доза облучения). Но опасность разрушения нек-рых жаропрочных сплавов, работающих в зоне интенсивного нейтронного излучения, возникающего в атомных установках двигателя, несомненна.

Влияние аэродинамического нагрева (преодоление «теплового барьера»). Аэродинамический нагрев имеет место во время как взлета, так и возвращения в атмосферу Земли. Взлет летат. аппарата совершается по определ. программе, заданной при его проектировании; в этом случае проблема аэродинамич. нагрева решается по этапам, причем больших скоростей летат. аппарат достигает в верхних слоях атмосферы, где аэродинамич. нагрев проявляется слабее, чем у Земли. Возвращение в атмосферу Земли может совершаться по крутой траектории (управляемый снаряд) и по плавной траектории (спутник или космич. корабль с человеком), когда продвижение в атмосфере растягивается на длит, время с целью уменьшения аэродинамич. нагрева.

Перечисл. условия, в к-рых работают космич. материалы, определяют далеко не все требования, предъявляемые к этой группе материалов. Дополнит, специфич. требования предъявляются к реакторным материалам, покрытиям со спец. оптич. и др. физич св-вами, материалам для прямого преобразования энергии и мн. др. материалам, к-рые необходимы для тех или иных летат. аппаратов, будь то спутники или космич. корабли, предназнач. для межпланетных полетов. К. м. как новая область науки и техники развивается в чрезвычайно трудных условиях, т. к. теоретически рассчитать многие св-ва материалов пока не удается вследствие их чувствительности к структуре, а точный эксперимент возможен лишь в космич. условиях, к-рые нелегко имитировать в земных лабораториях.

Для интегральной оценки влияния различных факторов, имитирующих космич. пространство, на поведение материалов, отдельных приборов и сложных конструкций применяются камеры с глубоким вакуумом, в к-рые могут быть помещены как объекты исследования, так и различные источники облучения. Наилучшими лабораториями для оценки поведения материалов и готовых конструкций, работающих в космич. условиях, являются искусств, спутники Земли, в особенности, когда они возвращаются из космоса на нашу планету по спец. программе, обеспечивающей сохранность важнейших элементов конструкции.

Высокочистые кристаллические материалы в природе и технике

точного приборостроения, исследования космического пространства и многих других областей науки и техники. … Итак, можно утверждать, что дальнейший прогресс в материаловедении все больше...

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА. Жорес Алфёров

Вот уже почти четверть века подобные батареи — основной источник энергоснабжения космических аппаратов. … и полупроводникового материаловедения происходит развитие гелиоэнергетики.