Химия в бою - В. Жуков

Совсем недавно, отмечала печать, появились сплавы алюминия с медью и литием. Этот высокопрочный, коррозионно стойкий материал сохраняет прочность при нагреве до температуры 150 градусов. Замечательные физико-химические и механические свойства алюминиевых сплавов открыли им широкую дорогу и в других областях военной техники — бронетанковой, инженерной, радиоэлектронной.

Огромные потребности в серебристом металле содействовали тому, что его мировое производство росло бурными темпами: за первые 43 года нашего столетия оно увеличилось примерно в 175 раз, тогда как выпуск меди лишь в пять раз, а чугуна в три раза. Мировое производство алюминиевых сплавов с середины XX века заняло второе место после стали.

И все же… алюминию пришлось в какой-то мере повторить судьбу железа. Пришло время, и элемент номер 13 из таблицы Менделеева уже не смог удовлетворять требования дальнейшего развития авиации. На место «самого лучшего» (до поры до времени, конечно!) материала встает элемент номер 22 — титан.

В чем же тут дело? А вот в чем.

Большие сверхзвуковые скорости полета поставили на пути авиации «тепловой барьер», то есть значительный нагрев обшивки самолета, в условиях которого прежние авиационные материалы успешно работать уже не могут. Полет со скоростью, в три раза большей скорости звука, приводит к нагреву обшивки до температуры свыше 300 градусов, а при скорости, в пять раз превышающей скорость звука, она достигает уже 1000 градусов!

Без значительного увеличения веса конструкции самолета алюминиевые сплавы могут использоваться только до скорости, соответствующей примерно 2,5 скорости звука. Это можно видеть на примере нового американского тактического истребителя F-111, у которого в качестве конструкционного материала еще широко применяются алюминиевые сплавы и лишь на участках, где развивается высокая температура, используются сталь и другие жаростойкие материалы. А вот большая часть конструкции создаваемого в США сверхзвукового истребителя-перехватчика YF-12 уже выполнена из титановых сплавов. Титан — металл серо-стального цвета; сплавляясь с алюминием, оловом, молибденом, ванадием, хромом, железом, вольфрамом и другими металлами, он образует сплавы, отличающиеся большой прочностью при высокой температуре, относительно малым удельным весом, стойкие к коррозии.

По мере развития авиации применение титана из года в год увеличивается. Сообщалось, что в конструкции нового военно-транспортного самолета фирмы Локхид С-5А будет использоваться не менее 13,5 тонны титана. Из титановых сплавов выполнены топливные баки на посадочной ступени лунной кабины космического корабля «Аполлон», корпус одной из ступеней стратегической ракеты «Минитмэн».

В 1966 году в США было продано потребителям 13 750 тонн собственного титана и его сплавов и 300 тонн импортированного из Японии. Этот титан, как сообщала печать, использовался следующим образом: в производстве турбореактивных двигателей — 47 процентов, на изготовление планеров самолетов — 28, в производстве реактивных снарядов и космической технике—15 и 10 процентов в других отраслях промышленности. Предполагалось, что в 1970 году производство титана в США достигнет 22 700 тонн.

Титан используется для изготовления брони танков, для бронирования самолетов и вертолетов. Он находит широкое применение в артиллерии, судостроении, машиностроении, в атомной, химической промышленности и других отраслях техники и индустрии.

По жаропрочности титановые сплавы занимают промежуточное место между алюминиевыми сплавами и нержавеющими жаропрочными сталями и применяются в интервале температур 300–500 градусов. При температурах свыше 500 градусов приходится обращаться уже к другим жаропрочным металлам — нержавеющим высокопрочным сталям. Сообщалось, что они основные конструкционные материалы, например, для экспериментального американского самолета-бомбардировщика ХВ-70. Как видно, внимание исследователей к клеткам номер 13 и 22 периодической таблицы элементов оказалось не вечным. Пришлось вернуться снова к элементу с порядковым номером 26 — железу. Но что поделаешь? Свойства стали хорошо изучены; она прочна, жароустойчива, поддается механической обработке, устойчива против коррозии. Правда, жаропрочную сталь приходится применять в ущерб весу конструкции самолета, но иного выхода пока нет.

Читатель может спросить: а дальше? Как будет обстоять дело, когда начнется переход от сверхзвукового самолета к гиперзвуковому, летающему при скоростях, в пять раз больших скорости звука? Действительно, на пути этих самолетов встает гигантский тепловой барьер. В печати приводились расчеты температуры на поверхности самолета, летящего с крейсерской скоростью, равной восьми скоростям звука на высоте 27 000 метров. При этом температура на большей части поверхности такого гиперзвукового самолета достигает 760—1100 градусов, то есть значений, при которых прочностные характеристики авиационных металлов и сплавов резко ухудшаются. На некоторых же участках температура приближается к точке плавления тугоплавких металлов. Выход из положения специалисты ищут в использовании совершенно новых жаропрочных материалов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов — молибдена, ниобия, тантала и вольфрама.

Как указывается в иностранной печати, сплавы на основе никеля могут работать до температуры примерно 700 градусов. Сплавы же на основе тугоплавких металлов могут быть использованы в интервале температур — от 980 до 2200 градусов. Сейчас внимание зарубежных исследователей привлекают новые виды жаропрочных сталей: например, сплав железо — никель — титан или железо — никель — титан — кобальт — молибден. Сделаны, таким образом, новые «ходы» в периодической таблице. И хотя в дело идут и известные, уже применявшиеся в технике химические элементы, их новые сочетания, соединения сулят другие качества материалам, призванным обслуживать современный этап научно-технического прогресса.

Мы уже говорили о том, что, создавая свою периодическую систему, Д. И. Менделеев указал на ряд элементов, которые не были тогда еще известны науке, но должны были, согласно периодическому закону, существовать в природе. Для них он оставил места в таблице.

Открывая «недостающие» элементы, ученые к 1925 году основательно укрепили периодическую систему. Пустыми оставались лишь клетки с номерами 43, 61, 85 и 87. Относящиеся сюда химические элементы, а также двенадцать элементов, расположенных в таблице за ураном (их поэтому назвали «трансурановые»), стали известны науке лишь после того, как открытие нейтрона, создание ускорителей заряженных частиц и открытие радиоактивности в 1934 году создали условия для получения новых элементов искусственным путем. Таким же образом получено большое количество изотопов уже известных элементов, найдено около ста радиоактивных изотопов трансурановых элементов.

В таблице Менделеева трансурановые элементы занимают места с 93-го по 104-е: нептуний-93, плутоний-94, америций-95, кюрий-96, берклий-97, калифорний-98, эйнштейний-99, фермий-100, менделеевий-101, нобелий-102, лоуренсий-103, курчатовий-104. Кроме плутония, образующегося в ничтожных количествах в урановых рудах, эти элементы не существуют в природе, а получение их — исключительно сложное дело. Новые элементы образуются при захвате нейтронов ураном, плутонием или ранее полученными трансурановыми элементами, либо при бомбардировке этих элементов ионами гелия, углерода, бора. С продвижением в каждую последующую за ураном клеточку менделеевской таблицы трудности возрастают, по скромным подсчетам, в геометрической прогрессии.

Если второй трансурановый элемент — плутоний — был открыт в количестве, умещающемся на кончике иглы, то искусственно полученные более тяжелые элементы— калифорний, берклий, эйнштейний — поначалу увидеть простым глазом было совершенно невозможно. Сто первый элемент — менделевий — с невероятными трудностями вначале добыли в количестве всего лишь 17 атомов, а 104-й элемент — курчатовий — в количестве 150 атомов! В литературе приводились такие цифры: после двухлетнего непрерывного облучения в специальном ядерном реакторе с мощным потоком нейтронов, равным 1015 нейтрон/см2 сек. в 100 граммах исходного плутония-242 будет находиться всего лишь около 100 миллиграммов калифорния-252 вместе с другими изотопами калифорния.

Но оправданы ли эти трудности, кроме чисто познавательного, научного интереса к трансурановым элементам? Имеют ли эти элементы практическое значение?

Наибольшую известность из трансурановых элементов приобрел плутоний-239. Он был открыт американскими физиками в 1940 году, а через пять лет, в 1945 году, плутоний был использован в качестве заряда атомной бомбы, взорванной над японским городом Нагасаки. Возможность применения плутония в ядерном оружии приковала внимание американских агрессоров. За короткий срок в США были построены два больших атомных центра по производству плутония-239. Его получают в ядерных реакторах в процессе облучения урана-238 нейтронами, а также в реакторах атомных электростанций.