Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

• Название: Почему мы не проваливаемся сквозь пол
• Автор: Джеймс Гордон
• Жанр: Строительство

Еще в первые десятилетия нашего века ответ на вопросы о свойствах материалов искали в эксперименте. И лишь последние 40 лет ученые, специалисты в области материаловедения, стали серьезно изучать строение материалов, убедившись, что их свойства зависят от совершенства в расположении атомов. Обо всем этом живо и с юмором рассказывает автор книги профессор университета в Рединге (Великобритания) Джеймс Эдвард Гордон. Книга рассчитана не только на школьников и студентов, но и на тех, кого по роду работы интересует поведение современных материалов и прочность конструкций.

---

Лично я не считаю, что попытки заставить экзотические материалы вести себя подобно металлам очень уж многообещающи.

Допустим, все это верно. Что же нам тогда делать? По-моему, чтобы ответить на этот вопрос, надо забыть нашу приверженность (даже больше, чем приверженность) к металлам и обратиться к материалам вроде древесины или армированных пластиков. В этом случае придется оставить попытки повысить пластичность за счет увеличения подвижности дислокаций и обратиться к волокнистым материалам, в которых внутренние поверхности могут тормозить развитие трещин. Конечно, если мы решим связать волокна между собой с помощью пластичного металла, то получим какой-то выигрыш и от его пластичности, но опыт показывает, что этот вклад может быть и незначительным.

Какие вещества следует нам выбирать для волокон? С точки зрения дислокационной подвижности мы должны требовать всего или ничего. Если дислокации по-настоящему подвижны, мы можем получить обычный пластичный материал, и нам нет смысла связываться с волокнами. Но если уж мы принялись за волокна, то нам нужно исключить какое бы то ни было движение дислокаций. Пользы от такого движения не будет никакой, а вреда может быть много - оно разупрочнит волокна. Поэтому бериллий и окись магния здесь не подойдут.

Большинство остальных веществ, приведенных в табл 3 имеют направленные ковалентные связи, при нормальных температурах дислокации в них остаются неподвижными. Как раз это-то нам и нужно. Но почти во всех других отношениях эти вещества представляют собой, мягко выражаясь, крепкий орешек для материаловедов. Их получение связано, вообще говоря, со значительными трудностями и возможно лишь при высоких температурах. Даже если они сами по себе и нетоксичны, то содержат одну, две или более добавок, которые могут сделать их токсичными. Наконец, некоторые из соединений, которые необходимы при получении этих веществ, почти наверняка будут разрушать стенки технологических аппаратов.

В главе 3 подчеркивалось, что задача теории прочности не столько в том, чтобы объяснить, почему материалы прочны, сколько в выяснении причин их разрушения. Все тела прочны “от природы”, если они не ослаблены дефектами; но дело в том, что дефекты почти всегда присущи твердым телам. Напомним, что в случае хрупких тел, в которых дислокации неподвижны, ослабляющими дефектами являются небольшие геометрические искажения, на которых возникает концентрация напряжений. В тех случаях, когда внутри кристалла все обстоит более или менее благополучно, опасность могут представлять поверхностные дефекты. Большинство ковалентных керамических материалов, приведенных в табл. 3, существует в виде порошка или неправильной формы кусков. Дело теперь за тем, чтобы получить эти вещества в форме нитей, однородных внутри и гладких снаружи.

Как раз над этим и работают последнее время многие лаборатории в разных странах, теперь мы знаем довольно много путей, которые ведут к получению прочных жестких волокон, но ни один из них не легок и не очень дешев. Достаточно упомянуть, что для получения таких волокон требуется температура в пределах от 1400 до 3500° C. Сейчас волокна обычно обрабатываются при высокой температуре в течение часов и даже дней. Сделать печь, которая работала бы при этих температурах в коррозионных условиях и позволяла бы поддерживать приемлемую химическую чистоту в реакционной камере,- очень серьезная техническая задача.

Такие “сверхволокна” обычно делятся на два больших класса - непрерывные волокна и усы. Непрерывные волокна имеют, конечно, большую длину; часто их можно наматывать на бобину, как нейлон или стекловолокно. Они могут иметь любую толщину, но чаще всего она лежит в пределах от 5 до 100 мкм. Обращаться с ними можно, как со стекловолокном, но более толстые волокна жестче на изгиб, и работать с ними, понятно, труднее. Толщина усов обычно 1 мкм, а длина порядка миллиметра, хотя некоторые усы вырастают длиною до нескольких сантиметров.

Модули упругости большинства этих волокон лежат где-то в области между 3,5 x 104 и 7,0 x 104 кГ/мм2, а поскольку их плотность колеблется примерно от 2 до 4, то удельные модули вполне оправдывают ожидания в десять раз превышая соответствующие константы обычных технических материалов. Прочность всех непрерывных волокон довольно высока, но в настоящее время ее нельзя назвать исключительно высокой. Обычно она лежит между 175 и 350 кГ/мм2 - эти величины близки к прочности обычных стекловолокон и отражают чрезвычайные трудности изготовления длинных волокон, свободных от микродефектов. Усы часто намного прочнее, их средняя прочность может достигать 700-1000 кГ/мм2, то есть они могут быть раза в три прочнее большинства непрерывных волокон.

Сравнивать преимущества и недостатки обоих типов волокон довольно трудно. К тому же эти сравнения могут быстро устареть. В некоторых случаях требуется очень тщательно уложить армирующие волокна в одном направлении, иногда этого добиваются путем намотки непрерывных волокон и пропитки их связующей смолой, то есть делают своего рода кокон. Часто так делают сосуды давления и трубы. Это, казалось бы, преимущество непрерывных волокон, но вот недавно был разработан способ, по которому короткие волокна (например, усы) сортируются, разбраковываются, а затем во влажном состоянии перерабатываются в непрерывную пряжу, вроде хлопчатобумажной, с которой потом можно обращаться так же, как с непрерывными волокнами. В ряде случаев из усов получают суспензию в какой-нибудь жидкости, которую можно легко формовать, как бумажную массу.

Выбор волокон зависит в некоторой степени от типа матрицы, которую решено использовать. Пластики и смолы имеют малый удельный вес и с ними легко работать, их нетрудно формовать, они вообще обладают многими преимуществами. С другой стороны, их прочность и модуль упругости малы, поэтому они не очень хорошо передают нагрузку от одного волокна к другому, то есть их нельзя пожалуй, считать хорошими связующими материалами. По этой причине в тех случаях, когда в качестве матрицы используется смола, применяются длинные непрерывные волокна. Смола позволяет очень эффективно использовать свойства непрерывных волокон и не годится в качестве матрицы для коротких волокон - например, усов.

Металлические матрицы заведомо лучше смол ведут себя, начиная примерно со 150° C. Они и нагрузку от волокна к волокну передают лучше смолы и потому более подходящи для связывания усов: позволяют лучше использовать прочность и жесткость усов. Однако армировать металлическую матрицу труднее, поскольку температура и давление формования здесь высоки. Сегодня можно предположить, что в будущем волокнистые материалы на основе смол найдут свое место в крупных элементах конструкций, работающих при низких температурах, а металлы, армированные усами, которые могут обладать более высокой прочностью и жаростойкостью, но которым труднее придавать нужную форму, будут, по-видимому, использоваться в более мелких деталях. Впрочем, это такая область, в которой события развиваются довольно бурно и предугадать что-нибудь очень трудно.

Какие же “сверхволокна” в настоящее время известны и как они делаются? Сейчас разрабатываются непрерывные волокна бора, карбида кремния и углерода. Усы же время от времени выращивают из самых разных веществ, не всегда практически годных. Наибольшие усилия затрачены на усы карбида кремния, нитрида кремния и окиси алюминия (сапфира). Информации о процессах получения волокон почти нет.

Непрерывные волокна.

Бор. Бор осаждается на тонкую нагретую нить - подложку, которая непрерывно протягивается через реакционную камеру. Камера содержит одно из газообразных соединений бора, например трихлорид бора ВСl3 или гидрид бора В2Н2, которое, коснувшись горячей нити, разлагается с образованием чистого бора.

Карбид кремния. В общих чертах процесс получения волокна карбида кремния подобен процессу получения волокна бора. В этом случае, конечно, используются подходящие газообразные соединения, содержащие кремний и углерод.

Углерод. Это очень интересное волокно. Оно получается из непрерывного органического волокна - вискозы пли синтетического полимера по технологии, аналогичной получению угольных нитей для ламп накаливания. Если правильно поставить процесс, углерод рекристаллизуется в непрерывное графитовое волокно.

Усы.

Известен целый ряд процессов получения усов. Механизмы протекания этих процессов весьма сложны Обычно лучшие усы получаются из газовой фазы, то есть химическая реакция в высокотемпературной печи идет между газообразными реактивами. Если азот или кислород нетрудно подать в зону реакции в виде газов, то такие элементы, как кремний, углерод, алюминий и т.д., сами по себе не транспортируются. Поэтому приходится прибегать к так называемым транспортным веществам. Ими могут служить такие соединения, как SiO2, SiCl4, СН4, Аl2О3 и т.д. Обычно стремятся получить весомые количества бездефектных прочных усов возможно более быстрым и дешевым путем. К сожалению, когда реакция ускоряется, качество получаемых усов, как правило, страдает, что сильно усложняет всю проблему. Чрезвычайно сложные реакции, которые могут протекать при выращивании усов, приходится анализировать с помощью вычислительных машин. К настоящему времени количество усов высокого качества измеряется килограммами, цена их довольно высока, поэтому ведутся усиленные работы как над увеличением выхода усов, так и над уменьшением их стоимости.