§ 3. Предпосылки для композитора

 Моцарт: 
     он же гений, 
 Как ты да я. А гений и злодейство - 
 Две вещи несовместные. Не правда ль?

А. С. Пушкин. "Моцарт и Сальери"

Чем же может руководствоваться композитор, сочиняющий свои произведения в области материалов? Поле деятельности здесь огромно. Взяв любой справочник по материалам, мы убедимся, что все вместе они охватывают колоссальный диапазон свойств. Среди металлов, захвативших более 2/3 таблицы Менделеева, есть такие, которые плавятся при температурах ниже 0°С и выше 3000°С, которые имеют модуль упругости около 5·10³ и более 5·10⁵ МПа и, соответственно, на 2 порядка различающуюся теоретическую прочность. Еще богаче разнообразие свойств в оставшейся трети системы элементов. А какое множество химических соединений существует в природе или может быть получено в искусственных условиях. И каждое из них со своим диапазоном свойств.

Рис. 106

Так что выбор материалов для композиций очень богата Задача лишь в том, чтобы совместить несовместимое, чтобы заставить работать вместе "гений и злодейство", "лед и пламень" - материалы с резко различающимися свойствами.

Распространенный пример композиционного материала - железобетон. Известно, что бетон плохо работает на растяжение (он хрупок), а при сжатии может выдерживать большие напряжения. Если сделать из бетона фундамент, то все будет в порядке. Но строительные конструкции часто несут изгибающие нагрузки; при этом внешние слои деталей растягиваются. Если при изготовлении железобетона предварительно растянуть стальные армирующие стержни, то после застывания и снятия внешней силы бетон будет препятствовать упругому сжатию арматуры.

В результате в стальной части композиции будут действовать растягивающие остаточные напряжения, а в бетонной части - сжимающие. Эти остаточные напряжения действуют совместно с напряжениями от рабочих нагрузок при эксплуатации материала. Значит, теперь балка сможет выдержать большую изгибающую нагрузку. Ее можно спокойно увеличивать до тех пор, пока растягивающее напряжение во внешних слоях не превысит остаточного сжимающего напряжения в бетоне. Стали же дополнительные растягивающие напряжения не страшны.

Чаще при создании композиционных материалов используется другой принцип. Обычно композиционные материалы представляют собой мягкую пластичную матрицу, в которой размещены волокна или слои прочного и, чаще всего, более хрупкого материала. Эксперименты показывают, что прочность пучка параллельных волокон обычно ниже средней прочности отдельного волокна. Причина этого - в неоднородности распределения напряжений в пучке. Небольшое различие в длине волокон сразу вызовет разлад в их совместной работе. Более короткие выйдут из строя первыми, когда напряжение в более длинных будет еще довольно низким. Когда придет черед длинных, часть волокон уже будет разорвана, значит, им нужно будет принимать на себя большие напряжения.

Рис. 107

Если же поместить волокна в пластичной матрице, то она будет играть роль посредника, равномерно распределяя нагрузку между прочными волокнами. Здесь, конечно, важны соотношения модулей и пределов упругости матрицы и волокон, прочность их связи, объемная доля волокон в композиции.

Интересно в частности, что прочность композиционного материала немонотонно изменяется с ростом доли сечения, занятой прочными волокнами (рис. 107). Когда мы начинаем вводить волокна в матрицу, то ее прочность вначале снижается. При малой доле волокон они настолько разобщены, что вообще не принимают участия в деформации материала, работает только матрица. Вместе с тем присутствие волокон ослабляет сечение образца - это как бы пустые места, отверстия, не несущие нагрузки. И только, начиная с определенного критического содержания волокон в композиции, они принимают на себя роль прочного скелета, а матрица лишь передает напряжения от одного волокна к другому.

Волокна не обязательно должны быть непрерывными. Существует понятие критической длины волокон. Если она не меньше определенной величины, то композиционный материал лишь незначительно уступает по прочности композиции с непрерывными волокнами.

При создании композиционных материалов возникает много других проблем чисто научного характера, но главная трудность - технологическая. Мы не будем сейчас обсуждать вопросы стоимости композиционных материалов, производительности агрегатов, выращивающих "усы" и тонкие волокна для армирования, сложности при их соединении с матрицей и т. д. Скажем лишь, что хотя некоторые виды композиций уже давно используются в технике, и применение этих материалов постоянно расширяется, все же их следует считать пока материалами будущего. По прогнозам специалистов композиционные материалы составят серьезную конкуренцию сталям и другим металлическим сплавам в различных областях машиностроения лишь к концу нашего столетия.

Закончим этот раздел и всю книгу двумя таблицами, иллюстрирующими возможности материалов будущего, и небольшим комментарием к ним. Отнесемся к табл. 2 со вниманием, она позволяет сделать ряд важных выводов.

Во-первых, сталь даже в виде очень тонкой проволоки оказывается в удельном выражении самым непрочным (σ_В/d) и самым нежестким (E/d) материалом из перечисленных. В больших сечениях хорошая конструкционная сталь при том же удельном весе имеет σ_В ≈ 10³ МПа, а ультравысокопрочная - σ_В ≈ (2 ÷ 2,5)·10³ МПа, следовательно, σ_B/d для стальных изделий с площадью сечения несколько квадратных миллиметров и более составит лишь 20 - 30 км.

Таблица 2

Во-вторых, отпущенный природой резерв прочности сталей использован в большей мере, чем у неметаллов. Ведь модуль упругости бора, углерода вдвое выше, чем у стали, а достигнутая пока прочность (σ_В) - такая же. Если в качестве армирующих волокон в будущем можно будет использовать "усы" этих материалов, то их преимущество еще более возрастет. Например, σ_В тонких прозрачных "усов" сапфира - окиси алюминия - превышает приведенную в таблице цифру в 15 раз!

Таблица 3

Проблема соединения тонких и сравнительно коротких "усов" в единый композиционный материал сложнее, чем создание композиций из непрерывных тонких волокон. Набор таких непрерывных волокон пропитывается тем или иным связующим веществом - и композиция готова. Наиболее распространенные сейчас композиционные материалы состоят из стеклянных, органических, угольных или борных нитей в полимерной матрице. Наполнители (полиэфирные смолы и др.) должны быть легкими и по возможности прочно соединять арматуру в единое целое. Есть композиции и на основе металлических матриц. Свойства некоторых из современных композиционных материалов приведены в табл. 3.

Рис. 108

Видно, что попытка "впрячь в одну телегу" различные по свойствам материалы уже сейчас увенчалась большим успехом. Удельная прочность самой лучшей стали превышена в 2 - 3 раза, удельная жесткость - в 3 - 5 раз. Из боро- и углепластиков изготавливают отдельные детали самолетов и ракет, спортивный инвентарь - невесомые велосипеды, теннисные ракетки, хоккейные клюшки - многое другое. "Автомобиль будущего", целиком изготовленный из композиционных материалов, станет легче на одну треть. Корпус "самолета будущего" тоже станет легче на 30%, что позволит снизить вес двигателей и горючего, а полезную нагрузку увеличить втрое.

В заключение отметим, что композиционные материалы уже побывали на Луне. Потолок кабины экипажа лунного модуля был изготовлен из стеклопластика на основе кремнийорганической смолы, а лестница и площадка для входа и выхода космонавтов - из эпоксидных стеклопластиков.