Материалы новейшей техники. Достижения последних десятилетий

Развитие современной цивилизации тесно связано с возросшей способностью людей изменять окружающую среду и приспосабливать ее к своим нуждам. Первобытные люди могли рассчитывать только на природные материалы-камень и дерево. Позднее они научились видоизменять эти материалы, т. е. делать из них посуду, кирпичи и емкости. Но лишь в течение последнего столетия материаловедение позволило технологам создавать материалы с заданными свойствами, способные выдерживать исключительно жесткие условия, нередко связанные с современными процессами (получение ядерной энергии или сверхзвуковые полеты самолетов).

Сплавы. Тысячелетиями сплавы играли важную роль в развитии человечества, что нашло свое отражение в названии длительного исторического периода-бронзового века.

Бронза-чаще всего сплав меди с оловом, причем содержание этих компонентов в сплаве может значительно изменяться. Современные сплавы обычно состоят из компонентов, свойства которых улучшаются при добавлении к ним определенных количеств тщательно подобранных примесей. От нержавеющей стали - широко известного сплава железа с небольшим количеством углерода, хрома и никеля-техника перешла к жаропрочным никелевым сплавам, сохраняющим прочность даже при температурах белого каления, а в последнее время-к титановым сплавам [2], которые находят применение в реактивных двигателях.

Самолет YF-12A з фирмы «Локхид» в мае 1965 г. побил четыре мировых рекорда, а его модификация -SR-71 -до сих пор держит официальный рекорд скорости полета (свыше 3529 км/ч).

Корпус выполнен в основном из титана-металла, который технически стал доступен в послевоенное время. Титан обладает прочностью стали, но вдвое легче ее. По распространенности в земной коре занимает 9-е место среди других элементов.

Достижения последних десятилетий. После 1950-х гг. принципы, использованные для разработки (и улучшения) заменителей алмаза, например нитрида бора, распространились на другие области техники. В частности, стремясь достичь высоких скоростей и эффективности резания, механическую обработку стали проводить в более жестких условиях. В результате возникла необходимость в разработке не только новых конструкционных материалов, но и новых видов смазки. Во многих случаях традиционные минеральные масла были заменены специально созданными. Так, смазки, содержащие серу, оказались особенно полезными при «приработке» машин. Даже методы современной механической обработки не позволяют избавиться от некоторой шероховатости на поверхности деталей, что во время работы машины вызывает образование так называемых «горячих точек». Поэтому ввод машины в эксплуатацию приходится осуществлять очень осторожно. Если смазка содержит серу, то в горячей точке происходит ее взаимодействие с металлом и металл удаляется в виде мелких частиц мягкого сульфида, менее опасных для машины, чем частицы металла или его оксида.

Не менее важную роль новые материалы сыграли в хирургии, когда требовалась замена отдельных органов у человека [7]. Здесь особо следует упомянуть силиконовые полимеры, поскольку эти материалы не вступают в реакции с тканями и жидкостями человеческого организма. Искусственный клапан сердца должен противостоять коррозионному воздействию тех нескольких литров крови, которые его омывают; аномальная реакция крови на присутствие в ней чужеродного материала недопустима. Сейчас в биомедицинской технике стремятся использовать материалы, близкие к природным.

Самые сложные «материалы» - живые ткани: кожа, кости, мышцы, хрящи. Перед учеными и технологами-материаловедами стоит задача разработать искусственные заменители изношенных или поврежденных органов человека. Для этого нужны стойкие материалы, способные противостоять воздействию среды и не вызывать побочных явлений (воспаления окружающих тканей). Протезы конечностей, особенно руки, желательно выполнять из таких материалов, которые удовлетворяли бы не только эстетическим требованиям, но и полностью имитировали функции утраченного органа

Материалы, которые предполагают применять в медицине, должны отличаться повышенной чистотой. Возможность изготавливать сверхчистые материалы- один из основных факторов развития ряда отраслей промышленности, в частности производства полупроводниковых материалов. Свойства металла изменяются не только в результате его легирования другими элементами-они могут изменяться и при глубокой очистке металла, скажем от 99 до 99,99%. Зонная плавка (при которой примеси концентрируются на одном конце прутка во время его последовательного плавления) и соответствующее оборудование для глубокой очистки материалов дали возможность в 50-х гг. получить полупроводниковые материалы, достаточно чистые для изготовления транзисторов.

Спортивные самолеты делают из современных материалов с заданными свойствами. Воздушный винт [А] выполнен из алюминиевого сплава; крылья [Б] собраны из алюминиевых нервюр, покрытых дакроном, а их концы сделаны из стеклопластика. Фюзеляж самолета имеет конструкцию в виде тюбинга из молибденовой стали, обшитого дакроном. Прозрачный материал на окнах перспекс [В]; покрышки колес [Г] шасси сделаны из синтетической резины; стойка шасси - из высокопрочной стали.

Создание композиционных материалов. Другим важным направлением материаловедения является создание комбинаций, когда несколько материалов образуют новый, так называемый композиционный материал, свойства которого отличаются от свойств исходных материалов. Полученные таким способом пластмассы, упрочненные стеклянным волокном, сейчас широко применяются для изготовления корпусов автомобилей, легких катеров и лодок, заменяя старые конструкционные материалы – металлы и дерево.

Не все попытки создания новых композиционных материалов были успешными.

Несколько лет назад предсказывалось, что композиционные материалы вскоре заменят кожу в производстве обуви. И хотя создан ряд синтетических материалов, однако не всегда удается получить материалы, конкурирующие с натуральной кожей. Другой пример относится к выбору материала для лопаток компрессора газотурбинного двигателя RB2-11 фирмы «Роллс-Ройс». В первоначальном проекте предполагалось изготовить лопатки из композиционного материала, упрочненного углеродными «усами» [5]. Но они пока оказались неудачными и пришлось довольствоваться более дорогими и тяжелыми титановыми лопатками. Несостоятельность предложенной технологии способствовала банкротству фирмы в 1971 г. Несмотря на отдельные неудачи, можно надеэться, что по мере накопления знаний технологи будут создавать все новые материалы с заранее заданными свойствами.

Волокна чистого углерода («усы»), выращенные в тщательно контролируемых лабораторных условиях, в 60-х гг. считались диковинной новинкой. В 70-е гг. выяснилось, что этот легкий, дешевый материал в 8 раз прочнее высокопрочной стали. Он незаменим в космической технике и автомобильной промышленности.