авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

«УДК 620.2(075.8) ББК 30.3; -3*3,1я73 МИНОБРНАУКИ РОССИИ ...»

-- [ Страница 3 ] --

7.1. Композиционные материалы, композиты – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче.

Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала — древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы — металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы — полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов.

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые композитные материалы (созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов), дисперсноупрочненные (композиционные материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей), упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами — кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композитные материалы с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Композитные материалы своим прообразом имеют широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в.

прокаткой слоистые материалы.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Успешному развитию современных композитных материалов содействовали:

разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940-50 гг.);

открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950 60);

разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-70).

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей — куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора.

Содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики — достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Б) Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.

Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220° С, карбонизация — 1000-1500° С и графитизация — 1800-3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С). Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана.

Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики - композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями.

Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики - композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров — полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. — варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении;

высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрел большую популярность.

Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители как термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители — древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон.

Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов — покрытия для кухонных столов — трудно переоценить.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д.

Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450-500° С, вместо 250-300° С.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами ("усами"). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются "усы" оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Армирование "усами" позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24% "усов" оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование "усами" оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

7.2. Изготовление изделий из композитных материалов.

В состав композитного материала входит две категории элементов: матрица и армирующее вещество. Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придает изделию форму. Армирующее вещество передает изделию свои механические и физические свойства, и, таким образом, усиливает свойства матрицы. Такая взаимосвязь позволяет создать более совершенный материал с набором свойств, недоступным каждому из входящих в его состав материалов в отдельности. Широкая гамма армирующих и матричных материалов дает возможность создавать материал с теми свойствами, которые соответствуют назначению изделия.

Для того, чтобы придать форму композитному материалу используется оснастка.

Матричный материал укладывается в оснастку вместе с армирующим материалом. Затем матрица застывает, тем самым создавая форму изделия. В зависимости от того, что за материал используется в качестве матрицы, этот процесс называют химической полимеризацией или схватыванием.

В процессе производства, называемым формованием, составляющие изделия, армирующее вещество и матрица объединяются, и ему придается форма. Форма детали неизменна, за исключением случаев разрушающих воздействий. Для термореактивных полимерных матричных материалов процесс формования заключается в химической реакции отверждения. Для термопластичных полимерных матриц, процесс формования заключается в застывании из расплавленного состояния. Как правило, процесс осуществляется при комнатной температуре и нормальном давлении.

1. Ручное или контактное формование, как самый распространенный и дешевый метод создания ламината, имеет ряд серьезных недостатков:

- большое количество смолы в изделии, что приводит к его хрупкости;

- сложность достижения идеальных пропорций матричного и армирующего вещества;

- неравномерность толщины ламината и воздушные ловушки внутри.

Всё это приводит к тому, что изделие становится хрупким, непрочным, тяжелым, не способным выдерживать механические нагрузки. Воздушные ловушки внутри ламината со временем начинают разрушать его изнутри. Более совершенные технологии формования устраняют частично или полностью недостатки ручного формования, вот некоторые из них.

2. Вакуумное формование.

В этом процессе используется открытая оснастка, в которую укладываются компоненты композитного материала. Сверху оснастка закрывается полимерной пленкой (вакуумным пакетом) или силиконовой мембраной. Затем накладывается вакуум. Процесс может проходить при комнатной или повышенной температуре и при атмосферном давлении. Вариации этой технологии используют повышенное давление воздуха или пара с внешней стороны пленки (мембраны).

3. Вакуумная инфузия (вакуумная пропитка).

Процесс вакуумной инфузии это техника, которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в ламинат. Материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в оснастку, затем накладывается вакуум, до ввода смолы. Как только достигается давление вакуума, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам. В этом процессе используется набор вспомогательных материалов и инструментов.

4. Автоклав В процессе используется оснастка и мембрана или полимерная пленка. Материалы укладываются в оснастку, как правило, используются пропитанные волокна, препрег.

Иногда используется пленка из смолы и сухие армирующие материалы. После установки мембраны, на оснастку накладывается вакуум. Конструкция помещается в автоклав, где на нее воздействуют давление и температура.

4. RTM (Resin transfer moulding) Инжекция в закрытую форму.

RTM – метод производства изделий средних серий. В этом процессе связующие впрыскиваются в закрытую форму, уже содержащую сухой армирующий материал.

Изделия, отформованные методом RTM, имеют две гладкие стороны и точно выдержанную форму и размер. Вариации технологии используют вакуум или давление для ввода смолы.

Другие виды, такие как пултрузия, намотка, формование под давлением SMC (Sheet Moulding Compound), DMC (Bulk Moulding Compound), открытое формование (контактное формование и напыление) мы не будем подробно рассматривать, как специфические.

5. Продукция Композитные материалы завоевали свою популярность, несмотря на высокую стоимость, в отраслях, где механические свойства должны сочетаться с низким весом и возможностью выдерживать высокие нагрузки. Наиболее часто упоминаются авиакосмические компоненты (хвосты, крылья, фюзеляж, пропеллеры), корпуса и весла суден, кузова автомобилей, велосипедные рамы, удилища. Крылья и фюзеляж нового Боинга 787 Dreamliner более чем на 50% выполнены из композитных материалов.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

7.3. Преимущества и недостатки композиционных материалов Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства:

- высокая удельная прочность - высокая жёсткость - высокая износостойкость - высокая усталостная прочность - из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции - легкость Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

В то же время, большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

- высокая стоимость - анизотропия свойств - повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны Литература:

Основная:

1. http://www.stroimsamolet.ru/057.php 2. http://www.carbon-info.ru/articles/art1.php 3. http://ru.wikipedia.org/wiki 4. http://www.christycomposite.ru/technology/kompositsionnie-materialy-komposity krugosvet.php Дополнительная:

1. Достижения в области композиционных материалов. Под. ред. Дж. Пиатти. М., Металлургия, 2.Берлин А.А., Пахомова Л.К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов. — Высокомолекулярные соединения. Том (А) 32, 1990, № 3.Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. — Соросовский Образовательный Журнал. 1995, № 4.Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский Образовательный Журнал.

1999, № 8. Принципиально новые материалы и технологии. Нанотехнологии. Технологии и компьютер. 3D принтеры.

8.1. Материалы будущего существующие сегодня Долгое время шапка-невидимка, прозрачный бетон и прочие фантастические материалы будущего считались чем-то невозможным. Однако, благодаря науке люди научились создавать не только шапки-невидимки, но и целые костюмы, делающие человека невидимым, ловушки для звука и энергии, и много других необыкновенных материалов. Стоит отметить, что некоторые представленные ниже материалы существуют уже не один год, однако о них практически никто не слышал.

Прозрачный алюминий.

Ученые впервые смогли создать материал, который имеет много общего с драгоценными камнями, хотя представляет собой прозрачный алюминий.

Правда, получить такой материал оказалось довольно сложно и дорого, и его стоимость приближается к 5 долларам за квадратный сантиметр.

«Прозрачный алюминий» на самом деле не является металлом. Это разновидность оксида алюминия, наночастицы которого спекают при очень высокой температуре. Прочность такого материала в три раза выше, нежели у самых качественных сортов стали.

Прозрачный бетон.

Создали этот материал строители, а не ученые. В обычный бетонный блок внедряются сотни и тысячи мельчайших «нитей» оптоволокна. В результате получился очень прочный материал, который прозрачен для солнечных лучей.

Графен Это вещество представляет собой обычный углерод, атомы которого соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетке. Ученые утверждают, что графен можно представить как одну плоскость графита, которая отделена от объемного кристалла. Этот материал обладает отличной механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Его проводимость делает его перспективным материалом для использования в различных сферах промышленности. Графен впервые получен в году, и его свойства до сих пор до конца не изучены.

Сверхтонкие сверхпроводники Явление сверхпроводимости давно известно, но, к сожалению, практически его применить пока довольно сложно, поскольку реальная сверхпроводимость работает только в условиях сверхнизких температур. Однако в последние годы ученые получили несколько многообещающих результатов. Возможно, через некоторое время человечество получит сверхпроводники, которые смогут работать и при нормальных температурах.

Гибкие солнечные батареи Многих до сих пор мучает простой вопрос: почему бы не накрыть наши дома солнечными батареями, защищенными от воздействия воды и прочих неблагоприятных факторов. Оказывается, все из-за низкой «выживаемости» солнечных батарей, плюс высокая себестоимость их производства.

Однако, недавно ученые представили на суд общественности гибкие солнечные батареи, производство которых стоит копейки. Именно за подобным материалом – будущее.

Тефлон Несмотря на то, что тефлон уже известен всем, и его рекламируют где только можно, это действительно совершенно уникальный материал, о котором ранее только мечтали. Тефлон применяется при создании сердечных клапанов, в аэрокосмической промышленности, вакуумный электромагнитный клапан, при изготовлении бытовых приборов и кухонной техники. Тефлон индифферентен к щелочам и кислотам, он не вступает в реакцию с пищей, потому безвреден для человека (так считалось ранее). Но, в настоящее время американское федеральное агентство по защите окружающей среды (EPA) наложило запрет на сковороды с тефлоновым покрытием. Оказалось, что в малых дозах тефлон, смертелен для животных, а при систематической аккумуляции его нашим организмом может приводить к раковым заболеваниям, мутациям у детей и прочим проблемам.

Все же, несмотря на подобные проблемы, тефлон является уникальным материалом, который спас жизни не одному человеку – хотя бы посредством уже упомянутых сердечных клапанов.

Энергетический сорбент d3O Это фантастическое по своим свойствам вещество используется уже и в производстве одежды, обуви, и в военном деле. d3O представляет собой гель, который меняет свою плотность в зависимости от воздействия внешних факторов. К примеру, вы сможете комкать его на руке, как пластилин, можно формировать комки этого вещества.

Однако стоит ударить по нему молотком, и d3O мгновенно затвердевает, приближаясь по плотности к твердым горным породам.

Нагревание приводит к такому же результату, так что многие компании найдут d3O полезным для себя.

Фуллерены Это вещество является тем же углеродом, атомы которого соединены еще более интересным образом, чем у графена. Существование и возможность получения фуллеренов было предсказано еще в 1985 году, однако открыты они были только в году. Сейчас это вещество исследуется учеными многих стран, и некоторым удается практически использовать фуллерены. К примеру, был создан «наноклей», что может заклеить буквально все, что только можно, а порвать или поломать заклеенную вещь в месте склейки практически невозможно. Кстати, фуллерены даже прочнее, чем алмаз.

Плащ-невидимка Наверное, даже Гарри Поттер завидовал бы владельцу плаща или рубашки из материала, созданном вполне обычными учеными. Сначала это был просто концепт, однако теперь материал, позволяющий стать человеку или вещи прозрачной – реальность сегодняшнего дня.

Существует несколько вариантов подобных структур, и все они работают, «заставляя» видимые лучи как бы огибать препятствие, встречаясь на другой стороне.

Пенометалл.

Первая информация о пористых металлах появилась еще в 90-х годах прошлого века. Внимание к новому виду материала привлекла его необычайно малая плотность: от 0,4 до 1 грамм на кубический сантиметр. Из-за этой малой плотности новый материал оказался практически водоплавающим. Технология получения такого пенометалла отрабатывалась на алюминии, олове, цинке, латуни, бронзе.

Необычайно широк диапазон применения нового материала: пламегасители, электрофильтры, гомогенизаторы, адсорберы, наполнители упругих металлических конструкций. Пенометалл можно применять как гаситель энергии удара, так как он имеет прочность, в несколько раз превышающую прочность обычного металла. С этим свойством ему открывается прямой путь в автомобилестроение.

Пенометалл незаменим при создании крупногабатитных металлоконструкций, так как имеет низкую плотность и необычайную прочность. Легкая военная амуниция, детали самолетов и космических аппаратов, шумо- и виброизоляция – этот список возможных применений можно продолжать очень долго.

Пенометалл получают смешивая порошки металлов или сплавов с составом, активно выделяющим газ при нагревании. При плавлении, выделяемый газ вспенивает металл и заполняет форму. 15% металла и 85% воздуха, т.е. пятикратное увеличение объема.

Вместо прессформы можно применять готовые пустотелые металлические детали и конструкции. При нагревании произойдет заполнение пустот пенометаллом, который придаст жесткость и прочность использованной форме.

Аэрогель – невесомый материал будущего.

Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный. Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из воздуха.


По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100 нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или полупрозрачную застывшую мыльную пену. Это достаточно прочный материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.

Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г. легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг! Кварцевые аэрогели являются очень хорошим теплоизолятором.

В качестве уникального теплоизолятора аэрогель планируется использовать в космических скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве теплового щита новых моделей шаттла.

Кварцевый аэрогель выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят.

Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Изначальную хрупкость этого перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным.

Металлическое стекло.

«Жидкие металлы» (не путать с ртутью) или «металглассы», стали известны сравнительно давно - с 1950-х годов. Они представляют собой сплавы различных металлов образующихся при очень быстром охлаждении расплава, со скоростью до К/с. Вследствие этого структура полученного вещества становится стекловидной или аморфной, не имеющей кристаллической структуры. Отсюда и название.

Отсутствие кристаллической структуры в металлических стеклах, и произвольное расположение элементов придает материалу твердость, но играет при этом и отрицательную роль: полученные образцы остаются достаточно хрупкими. Поведение металлических стекол аналогично резиновому жгуту: они восстанавливают свою форму при снятии нагрузки, но при некотором ее критическом значении незамедлительно разрушаются. Поэтому до сих пор существовали определенные ограничения в применимости металлических стекол.

Однако в результате исследований ученые смогли установить, как атомы материала связываются друг с другом, и каким образом можно воздействовать на этот процесс, улучшая пластичность готового материала. Сейчас ситуация в корне изменилась, материалы данного класса стали гибкими при относительно низкой цене.

Объемные металлические стекла обладают множеством достоинств.

Кристаллические решетки обычных металлов и сплавов всегда содержат те или иные структурные дефекты, которые снижают их механические качества. В металлических стеклах таких дефектов просто не может быть, поэтому по своей прочности они в два раза превосходят титан или стальные сплавы и способны выдерживать значительные деформации без разрушения. Некоторые металлические стекла, к тому же, сопротивляются коррозии даже лучше нержавеющей стали.

Специалисты полагают, что эти материалы в самом ближайшем будущем найдут применение в военной и космической промышленности. А в перспективе, когда удастся снизить себестоимость и разработать промышленную технологию производства, на их основе будут созданы общедоступные конструкционные материалы для самых разных сфер, обладающие уникальными свойствами.

Американская компания Inventables занимается охотой за инновационными технологиями и материалами. Образцы находок, дополненные оригинальными концепциями и идеями по их применению, доступны крупным производителям бытовых товаров по подписке. В феврале 2005-го основатели компании Keith Schacht и Zach Kaplan выступили на знаменитой конференции TED, а видеозапись этого выступления стала доступна совсем недавно.

В нем молодые предприниматели рассказывают и показывают впечатляющие примеры материалов, которые им удалось найти: мягкие магниты, трехметровый шест, умещающийся в карман, моментально высыхающая вода, гибкий пластик, чернила, меняющие свои свойства в зависимости от положения бумаги и материал, меняющий окраску при соприкосновении с веществами, имеющими тот или иной вкус.

8.2. Нанотехнологии.

Термин нанотехнологии – относительно новый. Его предложил японский физик Норио Танигучи всего лишь 36 лет назад. Приставка нано- означает миллиардную часть чего-то целого. Нанометр в тысячу раз меньше микрона. По-гречески нанос – гном, карлик. Вряд ли древние греки могли предположить, каких карликов будут называть этим словом.

Первую наночастицу описал в 1905 году Альберт Эйнштейн, доказав в своей работе, что молекула сахара имеет размер около одного нанометра. Молекула ДНК в тысячи раз больше. Для наночастиц ткани и клетки нашего организма – словно дырявое сито, они способны проникнуть в любую точку. Это свойство используется медиками для диагностики.

Например, композит из наночастиц, способных закрепляться в раковых клетках, позволяет их обнаружить по повышенной концентрации частиц там, где обитает злокачественная опухоль. Если попутно нагрузить наночастицы лекарством, они его доставят прямо в нужное место.

Нанотехнологии способны защитить человека не только от болезней, но и от вредных влияний электромагнитных излучений. Панели, созданные на основе «карликовых» составляющих, обладают интересным свойством: пропускают излучение в одну сторону, и задерживают в противоположном направлении.

Попутно решается и другая проблема – защиты информации. Ведь не секрет, что современные технологии позволяют легко восстанавливать всю информацию на мониторе компьютера дистанционно, по его электромагнитному излучению.

И даже на поле боя такие способности незаменимы. Достаточно укрыть нанопанелью военную технику, и она станет невидимой для радаров, воспринимающих отраженную волну.

Впрочем – наночастицы, способные на многое, не панацея от всех бед. Ученые полагают, что воздействие их на организм еще слишком мало изучено, чтобы бить в литавры и праздновать успех. Все зависит от конкретных свойств. К примеру, частицы, обладающие так называемыми некомпенсированными поверхностными связями, чрезвычайно активны и способны легко разрушить клетки любого живого организма, нанеся ему непоправимый вред.


Наночастицы настолько мало изучены, что, по сути, наука лишь на пороге грядущих великих открытий. Что нас ожидает в будущем – покажет время. А пока не будем забывать, что у каждой медали есть две стороны.

Практическое применение.

Нанотехнология в настоящее время еще не нашла широкого практического применения. Но это дело времени. В самом ближайшем будущем мы будем пользоваться вещами, изготовленными с помощью нанотехнологий.

В медицине планируется создание молекулярных роботов, которые могли бы лечить организм, находясь внутри него.

В промышленности. Предметы потребления могут создаваться непосредственно из атомов и молекул. Посредством перемены мест атомов и молекул можно будет изготовить любой предмет.

В биологии возможно «внедрение» в различные организмы на уровне атомов. Что это нам даст? Восстановление вымерших видов животных и даже создание новых существ, «биороботов».

И, наконец, в геронтологии. Бессмертие станет возможным за счет внедрения в организм молекулярных роботов, которые будут очищать организм и устранять болезни еще в самом начале их зарождения.

В недалеком будущем нанотехнология может стать одной из ведущих отраслей современной науки. Некоторые рассматривают ее как панацею от всех бед, другие грозят бедами при неосторожном ее использовании. Тем не менее, нанотехнологии – это уже настоящее. Остается только надеяться, что люди разумно распорядятся ее потенциалом и направят ее энергию во благо человечества.

8.3. 3D-принтер 3D-принтер — устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Применяются две принципиальные технологии:

Лазерная 1. Лазерная печать — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик 2. Лазерное спекание — при этом лазер выжигает в порошке из легкосплавного пластика, слой за слоем, контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали 3. Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали Струйная 4. Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта 5. Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета 6. Склеивание или спекание порошкообразного материала — то же самое что и лазерное спекание, только порошок склеивается клеящим веществом, поступающим из специальной струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя связующие вещества различных цветов Для быстрого прототипирования, то есть быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоение новой продукции.

Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное решение для малосерийного производства Изготовление моделей и форм для литейного производства.

Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри», что в частности было использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля ещё при разработке Производство различных мелочей в домашних условиях Производство сложных, массивных, прочных и главное недорогих систем.

Например, беспилотный самолёт Polecat компании Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трёхмерной печати.

Перспективность данной технологии не может вызывать сомнений. К примеру разработки Университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био-гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии — выращивание полноценных органов.

После создания 3D-модели используются САПР или CAD-системы, поддерживающие управление 3D-печатью.

До недавнего времени были научной фантастикой 3D-принтеры, которые могут воспроизводить детали собственной конструкции, то есть реплицировать сами себя.

Сегодня это вполне осуществимо, и разработка такой машины ведётся проектом RepRap, причём информация о её конструкции распространяется по условиям лицензии GNU General Public License.

Проект первого в истории недорогого реплицирующегося (то есть способного воссоздать по крайней мере часть самого себя) трёхмерного принтера- RepRap активно реализуется в наши дни английскими конструкторами университета Бата. «Самая главная особенность RepRap состоит в том, что с самого начала он был задуман как реплицирующаяся система: принтер, который сам себя распечатывает» (Адриан Боуэр, один из сотрудников проекта RepRap).

Литература Основная:

1. Шуленбург М.Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня. 2. http://school.bakai.ru 3. http://www.domoderzhec.ru 4. http://www.e-plastic.ru/ 5. http://shkolazhizni.ru/archive/ 6. http://tech-life.org 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1. Перечень основной и дополнительной литературы:

Основная:

1. Алехин А.И. Учебно-методическое пособие по дисциплине «Материаловедение».

Тольятти, ПВГУС 2007.

2. Золотарев А.И. Основы теории и методологии дизайн-проектирования. Учебно методическое пособие. Тольятти, ПвГУС, 2008.

3. Камчатова М.Ю. «Художественная промышленность и ремесла». Учебно методическое пособие. Тольятти ПВГУС, 2008.

4. Патлах В.В. "Энциклопедия Технологий и Методик" 1993-2007 гг.

5. Форти А. Объекты желания. М. Изд. студии Артемия Лебедева, 2011.

Дополнительная:

1. Айрапетов Д.П. Материалы и архитектура. – М.: Стройиздат., 1987.

2. Байер В.Е. Строительные материалы: Учебник. – М.: Архитектура-С, 2004.

3. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. Соросовский Образовательный Журнал. 1995, № 4. Бхаскаран Л. Дизайн и время. АРТ-РОДНИК, М. 2006, 256с.

5. Венецкий С. И. От костра до плазмы: Рассказ о многовековом пути, пройденном металлургией, о поисках и находках, загадках и тайнах, идеях и свершениях. — М.:

Знание, 1986. — 208 с.

6. Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский Образовательный Журнал.

1999, № 7. Лаврентьев А.Н. История дизайна. М. Гардарики, 2006.

8. Машиностроение: новые идеи: Сб. / Ред. Г. И. Флиорент. — М.: Знание, 1983. — 64 с.: ил. — (Новое в жизни, науке, технике).

9. Михайлов С.М. История дизайна В 2 тт. -М.: Союз Дизайнеров России, 2003.

10. Сомов Ю.С. Композиция в технике [Текст] /. Ю.С. Сомов. М. :Машиностроение, 1977. -272с.

11. Степанов А.В. и др. Объемно-пространственная композиция/ Архитектура-С, 2004.

12. Папанек В. Дизайн для реального мира. Пер. с англ. М., Издатель Д. Аронов, 13. Шалимова Н. И. Черная металлургия — что это? — 2-е изд., перераб. и доп.

— М.: Металлургия, 1986. — 232 с.

14. Шуленбург М. Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня. 3.2. Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Материаловедение» для дизайнеров существенно отличается от курсов материаловедения для инженерных специальностей. Курс имеет обзорный характер и имеет своей целью формирование у учащихся общих представлений об основных материалах и технологиях их обработки. Главная особенность данного курса – его связь с композицией в дизайне. Изучение материалов имеет не столько инженерно конструкторский, сколько композиционно-образный характер. Чрезвычайное разнообразие материалов и технологий требует от дизайнера интуитивного понимания материала и конструкции. Для решения этой задачи решающее значение имеет выразительный визуальный ряд. Кроме фотографий рекомендуется использовать видеоматериал и фрагменты из научно-популярных и художественных фильмов. Одним из рекомендуемых решений является использование материалов научно-популярных телевизионных передач. Лабораторные занятия строятся на непосредственном знакомстве с изделиями и графической интерпретации изучаемого материала.

Для успешного освоения дисциплины студенты обеспечиваются учебно методическими материалами по предмету в электронном формате.

Форма контроля самостоятельной работы: проверка композиций на заданную тему.

Оценка полученных в ходе изучения знаний происходит в процессе обсуждения и дискуссии вопросов тем лекционных занятий, заданных вопросов во время лекций, участия студентов в коллективной работе на лабораторных занятиях.

По окончанию изучения дисциплины проводится итоговый контроль – зачет (в письменно-устной форме).

3.3. Методические указания для студентов Изучение дисциплины требует прослушивания лекций преподавателя и самостоятельной работы над заданиями.

Внеаудиторная самостоятельная работа Часы, отведенные на самостоятельную работу студента, представляют собой вид занятий, которые каждый студент организует и планирует сам. В основном это самостоятельное изучение разделов дисциплины и продолжение темы лабораторного занятия. Следует обратить внимание на рекомендации преподавателя по поводу используемой литературы.

Если студент изучает дисциплину по индивидуальному графику, то сроки сдачи и основные вопросы для самостоятельной работы заранее необходимо обсудить с преподавателем.

Поволжский государственный университет сервиса Факультет дизайна и прикладного искусства Технологическая карта дисциплины «Материаловедение»

кафедра «ДиХПИ», преподаватель группа, семестр учебного года Колич Количес Зачетно № Виды контрольных точек Срок прохождения контрольных точек ество тво экзаменац.

Сентябрь/февраль Октябрь/март Ноябрь/апрель Декабрь/май контр баллов сессия 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 34 5 12 3 ольны за х контр.

точек точку I Обязательные:

1.1 Посещение занятий 8 5 х х х х х х х х 1.2 8 2 х х х х х х х х Творческий рейтинг. Активное участие на лабораторных занятиях II 1 до 14 х Промежуточное тестирование III Итоговое тестирование 1 До 30 х кон зачет IV Форма контроля тр.

нед еля * при условии выполнения всех обязательных точек студент может получить от 60 баллов, что соответствует оценке «удовлетворительно»;

* для получения более высокой оценки студент может повышать количество баллов, в том числе за счет участия в творческом рейтинге Подпись преподавателя _ Согласовано: Зав. кафедрой _ _ (подпись) (расшифровка подписи) (подпись) (расшифровка подписи 4. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для проведения лекционных занятий не требуется специализированных лабораторий.

Целесообразно использование компьютерного проектора для демонстрации иллюстративного и видеоматериала по теме занятий. Для этого необходимо следующее оборудование: ноутбук или настольный компьютер, компьютерный проектор, экран.

5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАТИВНЫХ СРЕДСТВ Для просмотра иллюстративного материала достаточно программы-просмотрщика, например: «Программа просмотра изображений и факсов Windows», ASD-SEE и т.д..

Протокол согласования № Наименование дисциплин, Кафедра Ф.И.О. ведущего Подпись п/п определяющих преподавателя междисциплинарные связи 1 История дизайна, науки и ДиХПИ Вишневская Е.В.

техники Учебное издание УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине «Материаловедение»

для студентов направления подготовки 070600.62 «Дизайн»

и специальности 070601.65 «Дизайн»

Составители Золотарев Александр Иванович Конышев Евгений Михайлович Издается в авторской редакции.

Подписано в печать с электронного оригинал-макета 22.04.2011.

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 5,0.

Тираж 500 экз. Заказ 155/01.

Издательско-полиграфический центр Поволжского государственного университета сервиса.

445677, г. Тольятти, ул. Гагарина, 4.

rio@tolgas.ru, тел. (8482) 222-650.

Электронную версию этого издания вы можете найти на сайте университета www.tolgas.ru в разделе специальности учебно-методическое обеспечение дисциплин.



Pages:     | 1 | 2 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.