Жақында мен аэроғарыштық материалдарды зерттеу институтында жұмыс істейтін ескі сыныптасыммен кешкі ас іштім. Біз олардың соңғы жобалары туралы әңгімелестік, ал ол маған жұмбақ түрде: «Қазір бізді қандай жаңа материал көбірек қызықтыратынын білесің бе? Сенбеуіңіз мүмкін – бұл ұсақ жасыл құмға ұқсайтын ұнтақ», – деді. Менің таң қалған жүзімді көріп, ол күлімсіреп: «Жасыл кремний карбидінің микроұнтағы«Сіз бұл туралы естідіңіз бе? Бұл зат аэроғарыш саласында шағын төңкеріс тудыруы мүмкін». Шынымды айтсам, мен алдымен күмәндандым: тегістеу дөңгелектері мен кесу дискілерінде жиі қолданылатын абразивті материалдың күрделі аэроғарыш өнеркәсібіне қалай қатысы болуы мүмкін? Бірақ ол әрі қарай түсіндіргендей, мен ойлағаннан әлдеқайда көп нәрсе бар екенін түсіндім. Бүгін осы тақырып туралы әңгімелесейік.
I. Осы «үмітті материалмен» танысу
Жасыл кремний карбиді негізінен кремний карбидінің (SiC) бір түрі болып табылады. Қарапайым қара кремний карбидімен салыстырғанда, оның тазалығы жоғары және қоспалары аз, сондықтан оның ерекше ашық жасыл түсі бар. Неліктен ол «микроұнтақ» деп аталады дегенге келетін болсақ, ол оның өте кішкентай бөлшектерінің мөлшерін білдіреді, әдетте бірнеше микрометрден ондаған микрометрге дейін – адам шашының диаметрінің оннан бір бөлігінен жартысына дейін. «Абразивті өнеркәсібінде қазіргі қолданылуы сізді алдамасын», – деді сыныптасым, – «ол шын мәнінде керемет қасиеттерге ие: жоғары қаттылық, жоғары температураға төзімділік, химиялық тұрақтылық және термиялық кеңею коэффициентінің төмендігі. Бұл сипаттамалар іс жүзінде аэроғарыш саласына арналған».
Кейінірек мен біраз зерттеу жүргізіп, бұл шынымен де шындық екенін анықтадым. Жасыл кремний карбидінің қаттылығы гауһар мен кубтық бор нитридінен кейін екінші орында; ауада ол тотықпай шамамен 1600°C жоғары температураға төтеп бере алады; ал оның термиялық кеңею коэффициенті кәдімгі металдардың төрттен бірінен үштен біріне дейін ғана. Бұл сандар сәл құрғақ болып көрінуі мүмкін, бірақ материалдың өнімділігіне қойылатын талаптар өте қатаң болатын аэроғарыш саласында әрбір параметр үлкен құндылық бере алады.
II. Салмақты азайту: ғарыш кемесінің мәңгілік ізденісі
«Әуе-ғарыш саласы үшін салмақты азайту әрқашан маңызды», - депаэроғарышинженер маған айтты. «Үнемделген әрбір килограмм отынды айтарлықтай үнемдеуге немесе пайдалы жүктемені арттыруға мүмкіндік береді». Дәстүрлі металл материалдары салмақты азайту тұрғысынан өз шегіне жетті, сондықтан барлығының назары керамикалық материалдарға аударылды. Жасыл кремний карбидімен күшейтілген керамикалық матрицалық композиттер ең перспективалы кандидаттардың бірі болып табылады. Бұл материалдардың тығыздығы әдетте текше сантиметрге 3,0-3,2 граммды құрайды, бұл болаттан айтарлықтай жеңіл (текше сантиметрге 7,8 грамм) және титан қорытпаларынан айқын артықшылық береді (текше сантиметрге 4,5 грамм). Ең бастысы, ол салмақты азайта отырып, жеткілікті беріктікті сақтайды.
«Біз қозғалтқыш корпустары үшін жасыл кремний карбидті композиттерін пайдалануды зерттеп жатырмыз», - деп мәлімдеді аэроғарыштық қозғалтқыш дизайнері. «Егер біз дәстүрлі материалдарды пайдалансақ, бұл компоненттің салмағы 200 килограмм болар еді, бірақ жаңа композиттік материалмен оны шамамен 130 килограммға дейін азайтуға болады. Барлық қозғалтқыш үшін бұл 70 килограммдық азайту айтарлықтай». Одан да жақсысы, салмақты азайту әсері каскадты. Жеңіл құрылымдық компоненттер домино эффектісі сияқты тірек құрылымдарындағы салмақты тиісінше азайтуға мүмкіндік береді. Зерттеулер ғарыш кемелерінде құрылымдық компонент салмағының 1 килограммға төмендеуі жүйе деңгейіндегі салмақтың 5-10 килограммға төмендеуіне әкелуі мүмкін екенін көрсетті.
III. Жоғары температураға төзімділік: қозғалтқыштардағы «тұрақтандырғыш»
Аэромобильді қозғалтқыштардың жұмыс температурасы үнемі жоғарылап келеді; қазіргі уақытта озық турбовентиляторлы қозғалтқыштардың турбина кірісінің температурасы 1700°C-тан асады. Бұл температурада тіпті көптеген жоғары температуралы қорытпалар да істен шыға бастайды. «Қозғалтқыштың ыстық секциялық компоненттері қазіргі уақытта материалдың өнімділігінің шегін арттырып жатыр», - деді ғылыми-зерттеу институтындағы сыныптасым. «Бізге одан да жоғары температурада тұрақты жұмыс істей алатын материалдар шұғыл қажет». Жасыл кремний карбиді композиттері бұл салада маңызды рөл атқара алады. Таза кремний карбиді инертті ортада 2500°C-тан жоғары температураға төтеп бере алады, дегенмен ауада тотығу оны пайдалануды шамамен 1600°C-қа дейін шектейді. Дегенмен, бұл көптеген жоғары температуралы қорытпаларға қарағанда әлі де 300-400°C жоғары.
Ең бастысы, ол жоғары температурада жоғары беріктікті сақтайды. «Металл материалдар жоғары температурада «жұмсарып», айтарлықтай сырғыма көрсетеді», - деп түсіндірді материалдарды сынау инженері. «Бірақ кремний карбидті композиттер бөлме температурасындағы беріктігінің 70%-дан астамын 1200°C температурада сақтай алады, бұл металл материалдары үшін өте қиын». Қазіргі уақытта кейбір зерттеу институттары ... пайдалануға тырысуда.жасыл кремний карбидіфорсунка бағыттаушы қалақшалары және жану камерасының төсеніштері сияқты айналмайтын компоненттерді өндіруге арналған композиттер. Егер бұл қолданбалар сәтті енгізілсе, қозғалтқыштардың тарту күші мен тиімділігі одан әрі артады деп күтілуде. IV. Жылуды басқару: жылуды «бағындыру»
Аэроғарыштық көліктер ғарышта экстремалды жылу орталарына тап болады: күнге қараған жағы 100°C-тан асуы мүмкін, ал көлеңкелі жағы -100°C-тан төмен түсуі мүмкін. Бұл үлкен температура айырмашылығы материалдар мен жабдықтарға үлкен қиындық тудырады. Жасыл кремний карбидінің өте қолайлы сипаттамасы бар - тамаша жылу өткізгіштік. Оның жылу өткізгіштігі қарапайым металдарға қарағанда 1,5-3 есе және қарапайым керамикалық материалдарға қарағанда 10 еседен астам. Бұл оның жылуды ыстық аймақтардан суық аймақтарға тез ауыстыра алатынын, жергілікті қызып кетуді азайта алатынын білдіреді. «Біз спутниктердің жылу басқару жүйелерінде жасыл кремний карбид композиттерін пайдалануды қарастырып жатырмыз», - деді аэроғарыштық дизайнер, «мысалы, бүкіл жүйенің температурасын біркелкі ету үшін жылу құбырларының корпусы немесе жылу өткізгіш субстраттар ретінде».
Сонымен қатар, оның жылулық кеңею коэффициенті өте аз, тек шамамен 4×10⁻⁶/℃, бұл алюминий қорытпасының шамамен бестен бір бөлігін құрайды. Оның өлшемі температураның өзгеруіне байланысты өзгермейді, бұл ерекшелік аэроғарыштық оптикалық жүйелер мен дәл туралауды қажет ететін антенна жүйелерінде ерекше құнды. «Елестетіп көріңізші», - деді дизайнер мысал келтіріп, - «орбитада жұмыс істейтін, күн сәулесі түсетін және көлеңкелі жақтары арасында жүздеген градус Цельсий температура айырмашылығы бар үлкен антенна. Егер дәстүрлі материалдар қолданылса, жылулық кеңею және жиырылу құрылымдық деформацияны тудыруы мүмкін, бұл бағыттау дәлдігіне әсер етеді. Егер төмен кеңейетін жасыл кремний карбидті композиттік материалдар қолданылса, бұл мәселені айтарлықтай жеңілдетуге болады».
V. Жасырындық және қорғаныс: жай ғана «қарсы тұрудан» да көп нәрсе
Қазіргі заманғы аэроғарыштық көліктер жасырындық өнімділігіне қойылатын талаптарды арттыра түсуде. Радарлық жасырындық негізінен пішінді жобалау және радарды сіңіретін материалдар арқылы жүзеге асырылады, ал жасыл кремний карбиді де бұл салада басқарылатын әлеуетке ие. «Таза кремний карбиді жартылай өткізгіш болып табылады және оның электрлік қасиеттерін легирлеу арқылы реттеуге болады», - деп таныстырды функционалдық материалдар жөніндегі сарапшы. «Біз белгілі бір жиілік диапазонында радар толқындарын сіңіру үшін меншікті кедергісі бар кремний карбиді композиттік материалдарын жасай аламыз». Бұл аспект әлі зерттеу сатысында болса да, кейбір зертханалар X-диапазонында (8-12 ГГц) жақсы радарды сіңіретін кремний карбиді негізіндегі композиттік материал үлгілерін шығарды.
Кеңістікті қорғау тұрғысынан, қаттылық артықшылығыжасыл кремний карбидіда айқын көрінеді. Ғарышта көптеген микрометеоридтер мен ғарыш қоқыстары бар. Әрқайсысының массасы өте аз болғанымен, олардың жылдамдығы өте жоғары (секундына ондаған шақырымға дейін), бұл өте жоғары соққы энергиясына әкеледі. «Біздің тәжірибелеріміз жасыл кремний карбидті композиттік материалдардың жоғары жылдамдықты бөлшектердің соққысына бірдей қалыңдықтағы алюминий қорытпаларымен салыстырғанда 3-5 есе төзімді екенін көрсетеді», - деді ғарышты қорғау жөніндегі зерттеуші. «Егер болашақта ғарыш станцияларының немесе терең ғарыш зондтарының қорғаныс қабаттарында қолданылса, бұл қауіпсіздікті айтарлықтай жақсарта алады».
Аэроғарыштық даму тарихы, белгілі бір мағынада, материалдық прогрестің тарихы. Ағаш пен кенептен бастап алюминий қорытпаларына, содан кейін титан қорытпалары мен композиттік материалдарға дейін, әрбір материалдық инновация ұшақтардың өнімділігінде секіріс тудырды. Мүмкін, жасыл кремний карбиді ұнтағы және оның композиттік материалдары келесі секірістің маңызды қозғаушы күштерінің бірі болар. Зертханаларда мұқият зерттеп, зауыттарда шеберлікке ұмтылып жатқан материалтанушылар аспанның болашағын тыныш өзгертіп жатқан болуы мүмкін. Ал жасыл кремний карбиді, бұл қарапайым материал, олардың қолындағы «сиқырлы ұнтақ» болуы мүмкін, адамзатқа биік, алыс және қауіпсіз ұшуға көмектеседі.