Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Гордон Джеймс Эдвард

Впрочем, сейчас уже многие трудности преодолены, и в ряде лабораторий регулярно делают небольшие партии армированных волокнами материалов, свойства которых оказываются довольно близкими к теоретически предсказанным. Приводить здесь конкретные величины, пожалуй, бесполезно, поскольку каждый материал нужно характеризовать целым набором свойств. Но я не побоюсь утверждать, что некоторые из новых материалов вдвое лучше тех, что были известны до сих пор. Впервые в истории человек стал управлять своими конструкционными материалами, целеустремленно и рационально создавать материалы, удовлетворяющие определенным нуждам.

Прежде всего такие материалы будут использованы в тех областях, где к конструкциям предъявляются повышенные требования. Быть может, они вызовут необыкновенные преобразования

в авиации, позволив резко снизить стоимость воздушных перевозок. На это можно возразить, что подобные рассуждения напоминают попытку перелить старое вино в новые бутылки. Возможно, так оно и есть, только всегда ли это плохо? Впрочем, не следует исключать того, что с появлением новых материалов появятся принципиально новые устройства. Такую перспективу не следует исключать, но предсказать здесь что-нибудь определенное невозможно. Приведем небольшой пример, который касается большинства из нас. Зубные пломбы беспокоят многих. Керамика (фосфатный цемент), которую используют зубные врачи, всегда была слишком хрупкой; металлы (например, золото) обычно слишком мягки. Сейчас изучаются возможности армирования золота усами. Такой материал будет сочетать высокую прочность и твердость с вязкостью, что очень важно для пломб. В этом случае относительно высокая стоимость золота и усов серьезного значения не имеет.

Массовое применение новых материалов, несомненно, зависит от снижения стоимости производства волокон до действительно приемлемого уровня. Трудно сказать, сколько еще ждать, но уже сейчас возможен интересный компромисс - использование асбестов. Асбест, можно сказать, представляет собой природные усы, которые донимаются в карьерах; он довольно дешев. Механические свойства волокон асбеста уступают лучшим усам, но они значительно превосходят и металлы, и стекловолокно, особенно если принять во внимание их вес. В прошлом асбест часто использовался для армирования пластиков, но эта идея была дискредитирована безобразной технологией. Сейчас есть возможность применить для асбестовых волокон методы, созданные для переработки усов. Это позволит резко улучшить свойства таких армированных материалов. Композиционные материалы типа смола - асбест должны найти широкое применение.

Армированные материалы довольно хороши в промышленных условиях, здесь они могут играть важную роль, хотя производство их довольно трудоемко. Мне кажется, мы очень нуждаемся, кроме того, в улучшенных материалах для самого широкого потребителя, материалах, которые не требуют сложного оборудования для обработки. Ясно, что образцом при создании таких материалов должна быть древесина. Механические свойства дерева превосходны, хотя никто не возражал бы, если бы они были еще лучше. Недостатки древесины определяются ее биологическим происхождением. Она усыхает, разбухает, гниет, нуждается в окраске, требует ухода. Эффективность древесины в легких конструкциях, простота ее обработки (а именно в этом каждый из нас и заинтересован в первую очередь) определяются малой плотностью этого материала.

На нынешнем уровне знаний можно было бы взять армированный, но практически инертный материал и заполнить его порами нужных размеров и формы, чтобы получить вещество с удельным весом примерно 0,5, которое можно легко резать и обрабатывать. Если в качестве связующего использовать один из термопластов, то такой материал можно было бы не только пилить, строгать, сверлить, но также гнуть и формовать при подходящей температуре. Такой материал потребовал бы тонких научных разработок, но, будучи дешевым, он имел бы и очень много достоинств. И они определялись бы не только удобствами для любителей и кустарей, такой материал был бы незаменим для экспериментальных разработок. Именно скорость разработки, от опытных образцов до серийного производства, была самым сильным аргументом в пользу деревянных самолетов во время войны. Неизбежные задержки в разработках, более чем что-либо другoe, становятся пороком и причиной срывов при реализации сложных технических проектов.

Есть еще один подход к решению проблемы новых материалов, о котором мы еще не говорили. По-видимому, ему уделяется больше внимания в Японии. Мы уже подчеркивали, что польза древесины и

целлюлозы вообще определяется ее низкой плотностью в сочетании с отличным модулем Юнга. Удельный модуль древесины вдоль волокна практически тот же, что и у технических металлов.

Целлюлозная молекула, как мы видели в главе 5, состоит из сахарных колец, то есть из сложных цепей, построенных в значительной степени из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связь между углеродными атомами жесткая: это ведь та же связь, что и в алмазе.

Большинство синтетических полимеров также построено из цепей атомов углерода. Полиэтилен, например, состоит просто из (СН2)n. Другие синтетические полимеры химически несколько сложнее, но их упругие свойства не очень отличаются от полиэтилена. Далее, модуль упругости алмаза изменяется примерно от 8x104 до 12x104 кГ/мм2 в зависимости от того направления, в котором он измеряется. Алмаз имеет плотность около 3,5, то есть атомы углерода упакованы в нем более плотно, чем в полиэтилене, имеющем плотность около 0,92. Если мы введем все необходимые поправки, то найдем, что модуль полиэтилена в направлении цепочек должен быть примерно 2,5x104 кГ/мм2. Другие полимеры должны иметь жесткость того же порядка.

Однако экспериментально определенный модуль упругости полиэтилена равен приблизительно 200 кГ/мм2, то есть примерно в сто раз меньше теоретического. Почти такое же положение с другими синтетическими полимерами. Удивительно, что авторы учебников (описывающие химическое строение полимерных цепочек в умилительных подробностях) не только не объясняют такого расхождения, но даже не замечают его.

Здесь напрашивается объяснение, ставшее возможным после работ Франка и Келлера (Бристольский университет). Уже давно известно, что молекулы-цепочки большинства природных и искусственных полимеров в некоторой степени кристалличны, наподобие натуральной целлюлозы (глава 5). Однако работы Франка и Келлера показали, что природа кристаллов в природном и синтететическом полимере различна. В целлюлозе как сами молекулы, так и продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому на практике реализуется большая доля теоретического модуля. В материалах же типа полиэтилена Келлер обнаружил, что цепочки (СН2)n уложены совсем иначе. Если взглянуть на эту структуру глазами инженера, сразу станет ясным, что лишь очень малая доля жесткости углеродной цепочки реализуется в макроскопическом модуле пластика: здесь работают фактически не первичные ковалентные связи, а лишь вторичные силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют между складками цепочки.

Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуются с известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярных кристаллов типа фталоцианина (глава 1).

Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров (таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрения существует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способом во время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахариды и, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче. Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозы в качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основания журналам мод писать о “хрустящем” хлопке.

Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкость трудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтилена в условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этих кристаллов превышал 3500 кГ/мм2. Ему все еще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в 15 раз выше, чем все достигнутое на полиэтилене прежде.

Как будет это направление развиваться и будет ли оно развиваться вообще - трудно сказать. Ясно лишь, что полиэтилен с цепочками, вытянутыми при кристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом по сравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существует также принципиальная возможность делать неармированные пластики с модулем Юнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, что прочность и вязкость такого материала также будут высоки.