Знак Вопроса 1997 № 04

В реализации этих задач призваны сыграть свою роль современные прогрессивные конструкционные материалы, которые позволяют принципиально изменить сам процесс проектирования. Если раньше конструктор, создавая конструкцию будущей машины, агрегата, аппарата и т. д., предполагал использование уже разработанных материалов, и в его задачу входило подобрать из имеющейся номенклатуры наиболее подходящий по своим свойствам материал для реализации в проектируемой конструкции, то теперь конструктор получает возможность наряду с проектированием конструкции проектировать и материал для ее изготовления, который позволит наилучшим образом воплотить в жизнь конструкторские идеи. Проектируя конструкцию машины, конструктор рассчитывает величину и направление действующих в ее элементах силовых потоков, возникающих под воздействием внешних сил и нагрузок, учитывает возможные концентраторы напряжений, которые могут стать причиной разрушения, оценивает возможность проявления различных случайных воздействий. Зная эти силовые факторы, конструктор проектирует материал таким образом, чтобы напряжение в элементах конструкции от воздействия внешних сил было наименьшим, последствия от концентрации напряжений в местах технологических отверстий и вырезов были минимальными, внезапное изменение внешних условий компенсировалось соответствующим изменением свойств материала уже в самой конструкции. Принципиальным при этом является то обстоятельство, что для каждой оригинальной конструкции строится свой материал, учитывающий особенности именно этой конструкции.

Такое положение стало возможным с развитием нового направления в материаловедении — материалостроения, которое включает комплекс мероприятий, позволяющих

• изменять прочностные характеристики материала в зависимости от направления силовых потоков в конструкции;

• изменять физико-механические свойства материала соответствующим подбором его компонентов;

• предотвращать разрушение элементов конструкции при появлении усталостных трещин и внезапных повреждений;

• изменять форму и свойства материала в зависимости от изменения внешних условий его эксплуатации.

При этом следует особо подчеркнуть, что управление свойствами материала становится возможным как на стадии его изготовления, так и в процессе его непосредственной эксплуатации путем использования т. н. «умных» материалов, позволяющих создавать самостроящиеся и адаптирующиеся конструкции.

В данной работе приводится краткий обзор современных достижений материалостроения и связанных с ним проблем конструирования и производства прогрессивных материалов. Обзор делается на примере рассмотрения композитных материалов, материалов с эффектом памяти формы и «умных» или адаптирующихся материалов с нетрадиционными свойствами, которые призваны стать одним из существенных слагаемых в обеспечении технологического прорыва экономики на более высокий качественный уровень.

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Исследования и разработки в области создания материалов, отличающихся по своим свойствам от известных традиционных материалов, и прежде всего от металлов, продолжаются непрерывно, что приводит к появлению все новых и новых материалов, которые идут на изготовление машин, станков, приборов, оборудования. Среди них наиболее интенсивно разрабатываются материалы, получившие название композиционных. В последнее время эти материалы чаще называют композитными материалами или композитами.

Композитными материалами (КМ) принято называть не встречающиеся в природе материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:

1. Наличие в материале двух или более компонентов, существенно различающихся по своему составу, геометрической форме, свойствам и разграниченных поверхностью раздела.

2. Запрограммированным сочетанием компонентов и их распределением внутри материала.

3. Наличием существенного влияния на свойства КМ каждого из его компонентов.

4. Наличием свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности.

5. Однородностью состава и структуры в макромасштабе.

Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытием, сотовые, трубчатые структуры, которые сами по себе являются скорее конструкциями, чем материалами.

Человек использовал композитные материалы еще с древних времен. Известно, что в южных районах Средней Азии, на Ближнем Востоке, в Египте человек строил глинобитные жилища, упрочненные соломой, стеблями тростника, папоротника, папируса и т. д. Израильтяне при изготовлении кирпича также использовали солому, которая предохраняла кирпич от растрескивания в сухом и жарком климате и способствовала повышению прочности сооружаемых построек. В Японии в VIII в. изготавливали статуэтки Будды из сухого лака, пропитыванием полотна лаком. Во всех указанных случаях удавалось получить материалы с более высокими, чем у взятых в отдельности исходных материалов, характеристиками.