Нядаўна я вячэраў са старым аднакласнікам, які працуе ў даследчым інстытуце аэракасмічных матэрыялаў. Мы пагаварылі пра іх апошнія праекты, і ён загадкава сказаў мне: «Ведаеш, які новы матэрыял нас зараз найбольш цікавіць? Ты, магчыма, не паверыш — гэта той парашок, які выглядае як дробны зялёны пясок». Убачыўшы мой здзіўлены выраз твару, ён усміхнуўся і дадаў:Зялёны мікрапарашок карбіду крэмнію«…чулі пра гэта? Гэта можа выклікаць невялікую рэвалюцыю ў аэракасмічнай галіне». Шчыра кажучы, спачатку я быў настроены скептычна: як гэты абразіўны матэрыял, які звычайна выкарыстоўваецца ў шліфавальных і адрэзных колах, можа быць звязаны са складанай аэракасмічнай прамысловасцю? Але, калі ён растлумачыў далей, я зразумеў, што справа значна большая, чым я думаў. Сёння давайце пагаворым на гэтую тэму.
I. Знаёмства з гэтым «перспектыўным матэрыялам»
Зялёны карбід крэмнію — гэта па сутнасці разнавіднасць карбіду крэмнію (SiC). У параўнанні са звычайным чорным карбідам крэмнію, ён мае больш высокую чысціню і менш прымешак, адсюль і яго ўнікальны светла-зялёны колер. Што да таго, чаму яго называюць «мікрапарашком», то гэта звязана з вельмі малым памерам часціц, звычайна ад некалькіх мікраметраў да дзясяткаў мікраметраў — прыкладна ад адной дзесятай да паловы дыяметра чалавечага валасянога покрыва. «Не дазваляйце яго цяперашняму выкарыстанню ў абразіўнай прамысловасці падмануць вас, — сказаў мой аднакласнік, — ён насамрэч мае выдатныя ўласцівасці: высокую цвёрдасць, устойлівасць да высокіх тэмператур, хімічную стабільнасць і нізкі каэфіцыент цеплавога пашырэння. Гэтыя характарыстыкі практычна створаны для аэракасмічнай галіны».
Пазней я правёў некаторыя даследаванні і пераканаўся, што гэта сапраўды праўда. Зялёны карбід крэмнію саступае па цвёрдасці толькі алмазу і кубічнаму нітрыду бору; на паветры ён можа вытрымліваць высокія тэмпературы каля 1600°C без акіслення; а яго каэфіцыент цеплавога пашырэння складае ўсяго ад адной чвэрці да адной траціны ад каэфіцыента звычайных металаў. Гэтыя лічбы могуць здацца крыху сухімі, але ў аэракасмічнай галіне, дзе патрабаванні да характарыстык матэрыялаў надзвычай строгія, кожны параметр можа мець велізарную каштоўнасць.
II. Зніжэнне вагі: вечнае пагоня за касмічнымі караблямі
«Для аэракасмічнай прамысловасці зніжэнне вагі заўсёды з'яўляецца ключом да поспеху», — сказаў ён.аэракасмічная— сказаў мне інжынер. — Кожны зэканомлены кілаграм вагі можа значна зэканоміць паліва або павялічыць карысную нагрузку». Традыцыйныя металічныя матэрыялы ўжо дасягнулі сваіх межаў з пункту гледжання зніжэння вагі, таму ўвага ўсіх, натуральна, звярнулася да керамічных матэрыялаў. Зялёныя керамічныя кампазіты, узмоцненыя карбідам крэмнію, з'яўляюцца адным з найбольш перспектыўных кандыдатаў. Гэтыя матэрыялы звычайна маюць шчыльнасць усяго 3,0-3,2 грама на кубічны сантыметр, што значна лягчэй за сталь (7,8 грама на кубічны сантыметр), а таксама мае відавочную перавагу перад тытанавымі сплавамі (4,5 грама на кубічны сантыметр). Найважнейшае тое, што ён захоўвае дастатковую трываласць пры зніжэнні вагі.
«Мы даследуем выкарыстанне зялёных кампазітных матэрыялаў з карбіду крэмнію для карпусоў рухавікоў», — паведаміў канструктар аэракасмічных рухавікоў. «Калі б мы выкарыстоўвалі традыцыйныя матэрыялы, гэты кампанент важыў бы 200 кілаграмаў, але з новым кампазітным матэрыялам яго можна знізіць прыкладна да 130 кілаграмаў. Для ўсяго рухавіка гэта зніжэнне на 70 кілаграмаў значнае». Больш за тое, эфект зніжэння вагі мае каскадны характар. Больш лёгкія структурныя кампаненты дазваляюць адпаведна знізіць вагу апорных канструкцый, як эфект даміно. Даследаванні паказалі, што ў касмічных караблях зніжэнне вагі структурнага кампанента на 1 кілаграм можа ў канчатковым выніку прывесці да зніжэння вагі ўсёй сістэмы на 5-10 кілаграмаў.
III. Устойлівасць да высокіх тэмператур: «стабілізатар» у рухавіках
Працоўныя тэмпературы авіяцыйных рухавікоў пастаянна растуць; у сучасных турбавентылятарных рухавіках тэмпература на ўваходзе ў турбіну цяпер перавышае 1700°C. Пры гэтай тэмпературы нават многія тэмпературнастойкія сплавы пачынаюць выходзіць з ладу. «Кампаненты гарачай часткі рухавіка ў цяперашні час пашыраюць межы характарыстык матэрыялу», — сказаў мой аднакласнік з даследчага інстытута. «Нам тэрмінова патрэбныя матэрыялы, якія могуць стабільна працаваць пры яшчэ больш высокіх тэмпературах». Зялёныя кампазіты з карбіду крэмнію могуць адыграць вырашальную ролю ў гэтай галіне. Чысты карбід крэмнію можа вытрымліваць тэмпературу вышэй за 2500°C у інэртным асяроддзі, хоць на паветры акісленне абмяжоўвае яго выкарыстанне прыкладна да 1600°C. Аднак гэта ўсё яшчэ на 300-400°C вышэй, чым у большасці тэмпературнастойкіх сплаваў.
Што яшчэ важней, ён захоўвае высокую трываласць пры высокіх тэмпературах. «Металічныя матэрыялы «размякчаюцца» пры высокіх тэмпературах, праяўляючы значную паўзучасць», — растлумачыў інжынер па выпрабаваннях матэрыялаў. «Але кампазіты з карбіду крэмнію могуць захоўваць больш за 70% сваёй трываласці пры пакаёвай тэмпературы пры 1200°C, чаго вельмі цяжка дасягнуць для металічных матэрыялаў». У цяперашні час некаторыя навукова-даследчыя ўстановы спрабуюць выкарыстоўвацьзялёны карбід крэмніюкампазіты для вырабу невяртальных кампанентаў, такіх як накіроўвальныя лапаткі соплаў і ўкладышы камеры згарання. Калі гэтыя прымяненні будуць паспяхова рэалізаваны, чакаецца далейшае паляпшэнне цягі і эфектыўнасці рухавікоў. IV. Тэрмаўлічны менеджмент: прымушэнне цяпла «паслухмянасці»
Аэракасмічныя апараты сутыкаюцца з экстрэмальнымі цеплавымі ўмовамі ў космасе: бок, звернуты да сонца, можа перавышаць 100°C, а заценены бок — апускацца ніжэй за -100°C. Гэтая велізарная розніца тэмператур стварае сур'ёзную праблему для матэрыялаў і абсталявання. Зялёны карбід крэмнію мае вельмі пажаданую характарыстыку — выдатную цеплаправоднасць. Яго цеплаправоднасць у 1,5-3 разы вышэйшая, чым у звычайных металаў, і больш чым у 10 разоў вышэйшая, чым у звычайных керамічных матэрыялаў. Гэта азначае, што ён можа хутка перадаваць цяпло з гарачых участкаў у халодныя, памяншаючы лакальны перагрэў. «Мы разглядаем магчымасць выкарыстання зялёных кампазітаў на аснове карбіду крэмнію ў сістэмах цеплавога кантролю спадарожнікаў, — сказаў адзін з аэракасмічных канструктараў, — напрыклад, у якасці корпуса цеплавых трубак або ў якасці цеплаправодных падкладак, каб зрабіць тэмпературу ўсёй сістэмы больш раўнамернай».
Акрамя таго, яго каэфіцыент цеплавога пашырэння вельмі малы — усяго каля 4×10⁻⁶/℃, што складае прыкладна адну пятую ад каэфіцыента алюмініевага сплаву. Яго памер практычна не змяняецца пры зменах тэмпературы, што асабліва каштоўна ў аэракасмічных аптычных сістэмах і антэнных сістэмах, якія патрабуюць дакладнага выраўноўвання. «Уявіце сабе, — прывёў прыклад канструктар, — вялікую антэну, якая працуе на арбіце, з розніцай тэмператур у сотні градусаў Цэльсія паміж бакамі, звернутымі да сонца, і зацененымі. Калі выкарыстоўваюцца традыцыйныя матэрыялы, цеплавое пашырэнне і сцісканне могуць выклікаць структурную дэфармацыю, што ўплывае на дакладнасць навядзення. Калі выкарыстоўваць зялёныя кампазітныя матэрыялы з карбідам крэмнію з нізкім пашырэннем, гэтую праблему можна значна палегчыць».
V. Скрытнасць і абарона: больш, чым проста «вытрымліваць»
Сучасныя аэракасмічныя апараты прад'яўляюць усё больш высокія патрабаванні да стэлс-характэрыстыкі. Радарная стэлс-характэрыстыка дасягаецца ў асноўным за кошт распрацоўкі формы і матэрыялаў, якія паглынаюць радар, і зялёны карбід крэмнію таксама мае кіраваны патэнцыял у гэтай галіне. «Чысты карбід крэмнію — гэта паўправаднік, і яго электрычныя ўласцівасці можна рэгуляваць з дапамогай легавання», — прадставіў эксперт па функцыянальных матэрыялах. «Мы можам распрацоўваць кампазітныя матэрыялы на аснове карбіду крэмнію з удзельным супраціўленнем для паглынання радарных хваль у пэўным дыяпазоне частот». Нягледзячы на тое, што гэты аспект усё яшчэ знаходзіцца на стадыі даследаванняў, некаторыя лабараторыі ўжо вырабілі ўзоры кампазітных матэрыялаў на аснове карбіду крэмнію з добрымі характарыстыкамі паглынання радарных хваль у дыяпазоне X (8-12 ГГц).
Што тычыцца абароны прасторы, перавага цвёрдасцізялёны карбід крэмніютаксама відавочна. У космасе існуе вялікая колькасць мікраметэароідаў і касмічнага смецця. Нягледзячы на тое, што маса кожнага з іх вельмі малая, іх хуткасць надзвычай высокая (да дзясяткаў кіламетраў у секунду), што прыводзіць да вельмі высокай энергіі ўдару. «Нашы эксперыменты паказваюць, што зялёныя кампазітныя матэрыялы з карбіду крэмнію маюць у 3-5 разоў большую ўстойлівасць да ўдару высакахуткасных часціц у параўнанні з алюмініевымі сплавамі такой жа таўшчыні», — сказаў даследчык касмічнай абароны. «Калі іх выкарыстоўваць у ахоўных пластах касмічных станцый або зондаў глыбокага космасу ў будучыні, гэта можа значна палепшыць бяспеку».
Гісторыя развіцця аэракасмічнай прамысловасці — гэта, у пэўным сэнсе, гісторыя матэрыяльнага прагрэсу. Ад дрэва і палатна да алюмініевых сплаваў, а затым да тытанавых сплаваў і кампазітных матэрыялаў — кожная матэрыяльная інавацыя прывяла да скачка ў характарыстыках самалётаў. Магчыма, зялёны парашок карбіду крэмнію і яго кампазітныя матэрыялы стануць адной з важных рухаючых сіл для наступнага скачка наперад. Тыя навукоўцы-матэрыялолагі, якія старанна праводзяць даследаванні ў лабараторыях і імкнуцца да дасканаласці на заводах, могуць ціха змяніць будучыню неба. І зялёны карбід крэмнію, гэты, здавалася б, звычайны матэрыял, можа стаць «чароўным парашком» у іх руках, які дапаможа чалавецтву лятаць вышэй, далей і бяспечней.