В связи с этим весьма перспективным становится композиционный материал на основе углеродного волокна. Хотя углеродное волокно известно более 70 лет, интерес к нему возник сравнительно недавно, после того как был разработан процесс получения высокопрочных и высокомодульных углеродистых волокон из полиакрил-нитрида. Этим методом при низкотемпературной графитизации получают углеграфитные волокна прочностью 3500 МПа. Углеграфитные волокна выпускаются в виде нитей, содержащих 1000–2000 элементарных волокон.
Давайте представим себе, что ученые и инженеры нашли метод получения дешевых углеграфитных волокон, а еще лучше — нитевидных кристаллов графита, и разработали эффективную технологию армирования такими кристаллами алюминия или пластмассы. Такой материал может быть в 2–6 раз прочнее легированных сталей и гораздо легче самого легкого металла — алюминия. Но этого мало, материал на основе алюминия должен легко подвергаться горячей деформации при 500–550 °C, а на основе пластмассы — 100–120 °C. Последний можно «ковать», например, нагревая в воде или паре.
Автомобиль из такого материала будет в 3–4 раза легче, его сумеет поднять один человек… Кроме того, в любых погодных условиях кузов автомобиля не будет подвержен атмосферной коррозии, а расход горючего сократится в несколько раз. Фантазия? Нет. Фирма «Форд» уже сделала опытный образец такого легкового автомобиля — его стоимость составила 3,5 миллиона долларов!
Появление сравнительно дешевых автомобилей из прочных и легких композитов — дело недалекого будущего. Получение и применение композиционных материалов в промышленности развивается быстрыми темпами. Так, первый высокопрочный композиционный материал, армированный нитевидными кристаллами, был получен в 1961 году, а в 1975 году такие композиции уже применялись в газотурбинных двигателях, корпусах глубоководных аппаратов в качестве пропитанных тканей, тросов, кабелей и других изделий. Есть все основания надеяться, что скоро композиты будут армировать волокнами с пределом прочности 7000–15000 МПа, а промышленность в достаточно большом количестве будет производить дешевые композиционные материалы на их основе. Итак, будущее за материалами со структурой типа булата.
Сварка по-дамасски
При изготовлении булата и дамасской стали большую роль играли процессы диффузии (перемещения) углерода из жидких, полужидких или твердых масс высокоуглеродистой стали в частицы малоуглеродистого железа, обеспечивающие сварку этих разнородных материалов. Сегодня подобные процессы называют диффузионной сваркой.
Можно ли приварить к стали стекло? Конечно, традиционные способы сварки не могут обеспечить соединение разнородных материалов: металл и неметаллический материал для них несовместимы. Преодолеть барьер такой несовместимости помог сравнительно недавно открытый в СССР Н. Ф. Казаковым способ диффузионного соединения материалов в вакууме и газовых средах. В последние годы диффузионная сварка нашла широкое применение при соединении различных металлов и сплавов между собой и с неметаллическими материалами, в том числе и со стеклом.
Современный процесс диффузионной сварки заключается в следующем. Две детали помещают в вакуумную камеру специальной установки и располагают так, чтобы их свариваемые поверхности хорошо стыковались. Для этой цели стыкующиеся поверхности предварительно шлифуются, после чего обезжириваются каким-либо растворителем. В процессе сварки детали сжимают при помощи гидравлического устройства. Величина прилагаемого давления должна быть достаточной, чтобы в результате деформации поверхности соединяемых деталей все пустоты в области стыка заполнялись свариваемыми материалами. После сжатия в вакуумной камере повышают температуру. Температура сварки для однородных металлов составляет 0,5–0,7 температуры их плавления. При соединении разнородных материалов температура несколько ниже.
Тесный контакт свариваемых поверхностей и исключение их окисления обеспечивают взаимную диффузию атомов контактирующих материалов. Сварочное соединение образуется в результате диффузии атомов через поверхность стыка как в твердом, так и в жидком состоянии. Примечательно, что если процесс соединения протекает при наличии жидкой фазы, то потребность в давлении отпадает, благодаря тому что происходит предварительное смачивание соединяемых поверхностей жидкой пленкой. Таким образом, в последнем случае способ диффузионной сварки повторяет почти в точности, конечно, на современном научном техническом уровне древние приемы, обеспечивающие высокое качество булату.
Под руководством Н. Ф. Казакова разработаны промышленные методы диффузионной сварки разнообразных металлов и неметаллических материалов. Металлы сваривают со стеклом, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллами. Диффузионная сварка обеспечивает создание конструкций, в которых соединения обладают новыми свойствами и прочностью, превышающей прочности исходных материалов. Она делает возможным образование таких форм и соединений, которые не могли быть изготовлены ранее известными способами. Недаром разработанный в Советском Союзе способ диффузионной сварки в вакууме и оборудование для нее запатентованы в США, Японии и ряде стран Западной Европы.
Итак, диффузионная сварка в вакууме или защитном инертном газе обеспечивает прочное соединение между металлами и сплавами. В древности не умели создавать вакуум и не знали газовых защитных сред. Поэтому древние мастера при изготовлении сварочных булатов для предохранения от окисления свариваемых поверхностей пользовались специальными флюсами. Этот факт натолкнул нас на идею, что возможно диффузионное соединение металлов и сплавов на воздухе без применения вакуумного оборудования — при использовании для растворения адсорбированных на свариваемых поверхностях оксидов пленки жидкого флюса (шлака).
Состав флюса был подобран так, чтобы температура его плавления была на 100–200 °C ниже температуры сварки. Кроме того, жидкий флюс (окисный расплав) растворял оксиды железа и легирующих элементов и легко выдавливался сварочными поверхностями при заданном давлении.
Процесс сварки производился следующим образом: свариваемые поверхности двух образцов шлифовались и обезжиривались, после чего они помещались в специальную установку, где осуществлялось обволакивание их пленками жидкого флюса под необходимым давлением. Полученные соединения стали 45 и чугуна, стали 45 и нержавеющей стали, стали 45 и быстрорежущей стали оказались достаточно прочными. Прочностные испытания образцов под действием ударной нагрузки показали, что разрушение происходит не по сварному шву. Металлографическим анализом установлено: диффузия углерода и легирующих элементов обеспечивает формирование прочного сварного соединения. Таким образом, древний метод диффузионной сварки, использовавшийся дамасскими кузнецами, нашел применение в современной технике.
От крицы к крице
Каждый знает, что без генератора двигатель автомобиля работать не может. Ни один генератор не будет работать без медно-графитовых щеток, которые забирают электрический ток с коллектора электромашины.
Сегодня изготовление медно-графитовой щетки не является проблемой, однако в процессе создания этого материала ученые столкнулись с немалыми трудностями. Дело в том, что графит не растворяется в меди, и поэтому получить этот материал традиционным методом сплавления невозможно. Можно, правда, расплавить медь и путем интенсивного перемешивания в ней порошка графита создать медно-графитную эмульсию. Если такая эмульсия будет кристаллизоваться (затвердевать) в условиях невесомости (например, на космическом корабле), то ее состав после затвердевания получится однородным. Изготовленный таким образом материал мог бы применяться для медно-графитовых щеток. Но сегодня такая «космическая» технология является, конечно, неприемлемой для промышленности. В условиях земного тяготения легкие частицы графита не распределяются равномерно в меди, обладающей значительным удельным весом. Поэтому сплавлением получать однородный медно-графитовый материал практически невозможно.