Металлурги изобретают

Ю. Г. Гуревич

Металлургия, 1990 г.

Это произошло во время второй мировой войны. Новые весьма необходимые автоматические приборы, использующиеся в военной технике, выходили из строя один за другим - замыкались контакты. Видимую причину замыкания долго найти не могли. Наконец после тщательного наблюдения установили: виновниками аварии являются тонкие волоски олова, выступавшие на тончайшей оловянной пленке, нанесенной на сталь. Волоски состригли и начали работать. Через некоторое время контакты вновь замкнулись, и исследователи опять обнаружили все те же волоски олова. Сколько их в дальнейшем ни "стригли", они вырастали вновь. Поэтому ученые назвали эти волоски "усами". Но почему рождались волоски и росли "усы", - этого никто ни понять, ни объяснить не мог!

После войны физики и металлурги более тщательно исследовали причины появления "усов". "Ус" имел толщину около 1,5 микрон. Оказалось, что тончайший "ус" обладал колоссальной прочностью. Если бы такой волосок имел сечение в один квадратный миллиметр, то он выдержал бы нагрузку в несколько сот килограммов!

Рентгеноструктурный анализ помог разгадать сказочные свойства "усов" - они представляли собой почти

бездефектные, "идеальные" монокристаллы чистого олова!

Как показали дальнейшие эксперименты, отсутствие дефектов в "усах" объяснялось условиями их роста и малыми размерами. Они росли столь быстро, что дефекты просто не успевали возникнуть.

Было обнаружено также, что "усы" после рождения могут быстро "погибать" за счет появления примесей в результате окисления их поверхности. Поэтому надо было принимать специальные меры для сохранения выраженных "усов". Поскольку "усы" состояли из отдельных нитей, их назвали также нитевидными кристаллами или монокристаллами.

Сегодня существует более 100 способов получения монокристаллов. Наиболее совершенными свойствами обладают нитевидные кристаллы, полученные осаждением из газовой фазы. В трубчатую печь помещают алун-довый или кварцевый тигель в виде лодочки с хлористой солью металла. При нагреве происходит возгонка соли. Через печь пропускают водород, который восстанавливает соль до металла. Нитевидные кристаллы появляются на стенках лодочки в виде пушистых наростов. Рост нитевидных кристаллов определяется влажностью, чистотой и количеством соли, стабильностью режима восстановления. Основными факторами всегда являются температура и скорость восстановления.

В СССР в шестидесятых годах Е.М.Савицкий с сотрудниками получил нитевидные кристаллы почти всех тугоплавких металлов. В настоящее время получают нитевидные кристаллы чистых металловразмером 2-10 миллиметров и толщиной от 0,5 до 2,0 микрон, практически лишенные дефектов кристаллической решетки. Эти монокристаллы обладают прочностью, близкой к теоретической.

Так, например, пределпрочности (в мегапаскалях) монокристаллов железа составляет 13000, меди 3000, цинка 2000, в то время как техническое железо имеет пределпрочности 300, медь 250, цинк 180.

Исследование поверхности нитевидных кристаллов показало, что она не имеет микроскопических трещин. Кристаллическая решетка "усов" характеризуется почти полным отсутствием дислокаций. Таким образом, отсутствие в металле каких-либо примесей при определенных условиях обеспечивает бездефектную структуру его кристаллов. Бездефектная структура чистых ("однородных") металлов является надежным способом повышения их прочности.

Но как же использовать в качестве материала нитевидные кристаллы, если они имеют столь малые размеры? И тут ученым вновь пришлось преодолевать немалый психологический барьер. Вопрос был решен, казалось бы, просто: оказывается можно сделать композиционный материал, в состав которого входили бы небольшие волоски металлов. Такие материалы сегодня находят все большее и большее применение в технике.

Интересно, что нитевидные кристаллы высокой прочности встречаются и в природе. К ним, например, можно отнести нефрит - разновидность минерала актинолита -лучистого камня (по-гречески "актис" - луч, "литое" -камень).

Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иногда волосовидных скоплений. Его цвет может меняться в зависимости от содержания в нем оксида железа, от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древнейших времен нефрит ценится как необычайно прочный поделочный камень. В Самарканде в мавзолее Гур-Эмира выделяется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие Тимура. Оно выглядит так, словно только вчера сооружено.

Мы уже рассказывали об огромной прочности металлических "усов". Однако наиболее прочными из всех известныхматериалов являются графитовые нитевидные кристаллы, их прочность на растяжение достигает 2 • 104 мегапаскалей, а модульупругости составляет 106 мегапаскалей. И все это при относительной легкости этого материала. Известны два способа получения нитевидных кристаллов графита: в дуге с графитовыми электродами, горящей при высоком давлении, и при термическом разложении углеводородов.

Сапфир - одна из форм существования оксида алюминия. Нитевидные волокна сапфира получают из расплавленного оксида алюминия. Устройством для вытягивания волокон служит молибденовый капилляр, укрепленный на дне молибденового тигля. Расплавоксидаалюминия при температуреплавления 2050 °С поднимается по капилляру, захватывается затравкой, с помощью которой вытягивается волокно. Вытягивание волокондиаметром 0,1 - 0,5 миллиметра производится с достаточно большой скоростью. прочность сапфировых волокон при растяжении достигает 2600 мегапаскалей.