На начало 2008 г. в мире было известно порядка 28 млн веществ искусственного и естественного происхождения. Для конструкторов и технологов, перед которыми стоят задачи выбора материалов с конкретными параметрами, плавание в этом безбрежном океане без руля и ветрил не может привести к желаемому результату. Помочь должны рациональные систематизация и классификация веществ — основа эффективного использования, а также прогноза появления новых материалов, адекватных по технологическим и эксплуатационным свойствам текущим и перспективным тенденциям в технике. Наш собеседник — один из ведущих материаловедов Беларуси, главный научный сотрудник Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, заведующий кафедрой микро- и нанотехники Белорусского национального технического университета, член-корреспондент Юрий ПЛЕСКАЧЕВСКИЙ.

— До середины прошлого столетия все известные материалы классифицировали по областям применения: машиностроительные, электротехнические, инструментальные, для электронной техники, авиации и т.д. Подобное их распределение отражало в значительной степени узкоотраслевой подход. Несколько менее условны «надотраслевые» классификации, основанные на разделении материалов на конструкционные и функциональные. Среди конструкционных различают металлические (стали и сплавы металлов) и неметаллические (угле-, органопластики, керамика и т.п.). Следуя логике градации по функциональному признаку, к примеру, электротехнические материалы (магнитные, электропроводящие) вынуждены стать «в один ряд» с оптическими, декоративными, радиопрозрачными, сепарирующими и другими традиционно «не¬электротехническими». Таким образом, и подобная классификация не является наилучшей. Более того, во второй половине XX в. развитие материаловедения для машиностроения, энергетики, электротехники, транспорта и других областей стало диктоваться прежде всего требованиями к энерго- и ресурсосбережению. В силу этого стала широко использоваться высокоточная и малогабаритная прецизионная техника, в электронике — наметился переход на новую микроэлектронную базу и т.д. В анализе и классификации материалов все в большей мере проявлялись структурный и функциональный аспекты. Все вышеназванное привело к появлению качественно нового поколения техники, названного в США микроэлектромеханическими системами, в Европе — микросистемной техникой и в Японии — микромашинами. Сегодня мы вступаем в эру нано- и молекулярноразмерных систем. В производстве все чаще стали применяться принципы построения и функционирования биологических систем. Именно взаимосвязь данных процессов составляет суть развития материаловедения конца XX и начала XXI вв. Осмысление ее в сочетании с нынешним пониманием аналогий в развитии природных и технических систем позволило разработать, на наш взгляд, универсальную классификацию всех известных материалов, обладающую мощной предсказательной силой и поэтому способную прогнозировать создание новых веществ с качественно иными технологическими и эксплуатационными характеристиками. Это достижение белорусских материаловедов мирового уровня.
— Юрий Михайлович, какие современные тенденции создания и использования новых материалов вы могли бы выделить?
— Рациональный выбор материала — это процесс последовательного приближения к оптимальному решению, учитывающему поставленную изначально задачу, особенности конструкции изделия, технологию его изготовления и условия эксплуатации. Новым этапом в развитии материаловедения стало появление композитов — макрогетерогенных, молекулярных, гибридных, объединяющих в одном изделии различные по природе и характеристике компоненты. Их широкое применение вызвано тем, что в последнее десятилетие радикально изменились требования к материалам для изготовления техники. Если прежде критериями их качества были стабильность эксплуатационных характеристик, линейность уравнений состояния и однозначность ответной реакции на возмущающее воздействие, то сейчас обозначилось стремление к реа¬лизации сложного, активного отклика на изменение граничных условий. Фактически наблюдается тенденция увеличения числа функций материала, приобретающего свойства многофункциональной системы. На мой взгляд, именно с этих позиций необходимо рассматривать перспективы применения традиционных материалов — электротехнических, машиностроительных и других.
Как известно, эффективность композитов, включая полимерные, обусловлена широкими функциональными возможностями структур, в которых оптимальным образом объединены разнородные составляющие. Адекватным является многообразие физико-механических явлений в матрице, армирующем наполнителе и на межфазных границах. Особое значение имеют перспективы высокомолекулярных соединений и композитов на их основе, связанные с потенциальной возможностью создания материалов, обладающих признаками интеллектуального поведения. Прототипами служат способные к самоорганизации биологические структуры, в которых указанные свойства сформированы в процессе эволюции. При этом общим признаком структурно-неоднородных сред на высокомолекулярной матрице биологического и искусственного происхождения является специфическая физическая нелинейность, которая выражается в рациональном (оптимальном по некоторому критерию) отклике на внешнее (силовое, тепловое и т.д.) воздействие.
— Композиты по своим качествам значительно превосходят традиционные материалы?
— Потребительская ценность материала определяется набором физико-механических характеристик, важнейшие из которых — удельный модуль упругости и удельная прочность. При этом удельная прочность стали, алюминия, титана и других металлов в последние годы не претерпела радикальных изменений. В соответствии с теорией дисперсионного упрочнения напряжение течения материала, наполненного частицами, растет обратно пропорционально расстоянию между ними. Рекордные характеристики стали со средним размером частиц цементита около 0,1 мкм, полученные после ее многоступенчатой прокатки с последующей термообработкой: в отожженном состоянии предел прочности на растяжение — около 900 МПа при пластичности до 15%; у закаленной стали предел прочности на сжатие — 4500 Мпа при пластичности 10%. Это лучший металлический конструкционный материал.
Армирование полимерной матрицы стекло-, боро- и углеродными волокнами позволяет получить удельные характеристики, недостижимые при использовании металлов и сплавов. Более того, резервы прочностных свойств композитов не исчерпаны. Об этом свидетельствуют достижения в технологии наноматериалов, в особенности при армировании полимеров и металлов углеродными нанотрубками, обладающими высокой разрывной прочностью и магнитной восприимчивостью, низким коэффициентом теплового расширения, с реализацией прочности наполнителя в композите до 90% от прочности нанотрубки.
Перспективны направленно-закристаллизованные эвтектические сплавы с ультратонкой дендритной структурой, представляющие собой естественные композиты, в которых впервые реализована теоретическая прочность волокон нитевидных кристаллов.
Представляется, что следующий этап в повышении механических характеристик будет связан с материалами, не обязательно демонстрирующими экстремальные показатели прочности и жесткости, но адекватными биотканям по способности адаптироваться к внешнему воздействию, включая способность к самодиагностике, залечиванию повреждений, самоупрочнению и т.д. Это позволит минимизировать вероятность отказов из-за дефектов или экстремальных воздействий, повысить надежность конструкций и облегчить их утилизацию.
— Расскажите подробнее об «умных» материалах.
— Они чрезвычайно перспективны, и во всех промышленно развитых странах им уделяется особое внимание. Так, разрабатываются «умные» обшивки корпусов морских судов, активная поверхность военной техники, самоупрочняющиеся лопасти вертолетов, искусственная кожа для демпфирования пиковых давлений окружающей среды, избирательно и программно действующие лекарства и др.
Можно утверждать, что эти материалы за счет адаптивной реакции обладают качеством системы при взаимодействии с внешней средой. При создании традиционных (однородных) и композитных (неоднородных) материалов стремятся реализовать желаемые свой¬ства на стадии изготовления. С точки зрения структуры и свойств такие системы не эволюционируют. Происходящие в них изменения в связи с неконтролируемыми процессами ползучести, разрушения и т.п., как правило, приводят к ухудшению характеристик и потере работоспособности. Адаптивные материалы-конструкции демонстрируют иное поведение. Их потребительская ценность обусловлена тем, что разрабатывается не конечная их структура, которая в принципе не может быть оптимальной для всего спектра внешних воздействий при эксплуатации, а лишь базовая, априори нестабильная, способная к рациональной перестройке. Таким образом, разработка предполагает подвижность базовой структуры термодинамически открытой системы и формулировку критерия качества, регламентирующего выбор уравнения состояния при изменении ситуации. К примеру, с точки зрения недопустимости разрушения материалы являются «умными», если, приспосабливаясь к внешнему силовому воздействию путем изменения структуры, реализуют запрограммированную разработчиком потребительскую функцию равнопрочности.