Каждый материал, используемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.
Свойства строительных материалов определяются их химическим составом и строением.
В зависимости от химического состава строительные материала принято делить на:
· органические (древесина, битум, пластмассы);
· минеральные (природный камень, бетон, керамика и т.п.);
· металлические (сталь, чугун, цветные металлы).
У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; минеральные, напротив, хорошо противостоят действию огня, а металлы очень хорошо проводят электричество и теплоту.
Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами. Например, мел и мрамор – две горные породы, состоящие из карбоната кальция СаСО3, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.
🏗️СТРОЙМАТЕРИАЛЫ. Новинки в строительстве. Новые технологии строительных материалов
Исходя из условий работы материала в сооружении, строительные материалы можно разделить по назначению на две группы.
Первую группу составляют материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций: природные каменные материалы; искусственные каменные материалы: получаемые на основе вяжущих веществ без обжига (бетоны, строительные растворы); получаемые высокотемпературной обработкой минерального сырья (керамика, стекло, металлы); конструкционные пластмассы; лесные материалы и др.
Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных влияний среды, а так же для повышения эксплуатационных свойств зданий и создания комфорта: теплоизоляционные материалы; акустические; гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; отделочные, антикоррозионные и др.
СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составами.
Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.
Минеральный состав,например, показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале.
Строение материала изучают на трёх уровнях:
· макроструктура материала – строение, видимое невооружённым глазом;
· микроструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп;
· внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярном уровне, изучаемом методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.п.
Материалы для строительства дома. Из чего строить дом? Сколько будет стоить дом?
Макроструктура может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).
Конгломератная структура характерна для материалов, представляющих собой плотносоединённые (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зёрна, что характерно для некоторых видов природных, керамических материалов, бетона, композитов и др.
Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.
Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным способами высокого водозатворения и введения выгорающих добавок.
Волокнистая и слоистая структура характерна для материалов, состоящих из волокон (слоёв), расположенных параллельно одно к другому. Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура отчётливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем. Для волокнистых и слоистых материалов характерна анизотропия – наличие различных свойств в разных направлениях, поэтому их называют анизотропными.
Рыхлозернистая структура характерна для материалов, состоящих из отдельных, не связанных одно с другим зёрен (песок, гравий и др.).
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная.
Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причём этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (ближний порядок), так и на значительном расстоянии (дальний порядок).
Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.
Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества (например, кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезёма).
Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава. Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определённую температуру плавления, а аморфные – размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию.
Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твёрдость и другие важные свойства материала.
Источник: megaobuchalka.ru
Лекция 1 Общие сведения о строительный материалах.
план-конспект урока
Основа строительного производства — строительные материалы. Знание особенностей их структуры, свойств, способов производства и областей применения являются базой современного строительного материаловедения. Для возведения зданий и инженерных сооружений требуется большое количество различных строительных материалов. Их стоимость в среднем составляет 60 % (а в ряде случаев и более) от общей стоимости строительства. Для того чтобы правильно использовать строительные материалы, надо знать их свойства и назначение.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Тема №1 Общие сведения о строительный материалах.
Тип урока: Лекция
— Сформировать знания о классификации строительных материалов;
— Сформировать знания о стандартизации строительных материалов.
— Воспитание разносторонности и гибкости ума, умения делать обоснованный выбор.
-Развитие речи, мышления.
-Развитие умственной деятельности: умений обобщать.
1. Организационный момент.
Классификация строительных материалов
Основа строительного производства — строительные материалы. Знание особенностей их структуры, свойств, способов производства и областей применения являются базой современного строительного материаловедения. Для возведения зданий и инженерных сооружений требуется большое количество различных строительных материалов. Их стоимость в среднем составляет 60 % (а в ряде случаев и более) от общей стоимости строительства. Для того чтобы правильно использовать строительные материалы, надо знать их свойства и назначение.
Жилые, общественные и производственные здания представляют собой сооружения, предназначенные для размещения людей и различного оборудования и защиты их от воздействия окружающей среды. Все здания состоят из одинаковых по назначению частей:
- фундамента , служащего основанием здания и передающего нагрузку от всего здания на землю;
- каркаса — несущей конструкции, на которой устанавливаются ограждающие элементы здания; каркас воспринимает и перераспределяет нагрузки и передает их на фундамент;
- ограждающих конструкций, изолирующих внутренний объем здания от воздействия внешней среды или разделяющих отдельные части внутреннего объема между собой; к ограждающим конструкциям относятся стены, перекрытия и кровли, причем в малоэтажных зданиях стены и перекрытия часто выполняют функцию каркаса.
С глубокой древности жилые и культовые сооружения возводили из природных материалов — камня и дерева, причем из них выполняли все части здания: фундамент, стены, кровлю. Такая вынужденная универсальность материала (других материалов не было) имела существенные недостатки.
Строительство каменных зданий было трудоемко; каменные стены для поддержания в здании нормального теплового режима приходилось делать очень толстыми (до 1 м и более) по причине того, что природный камень — хороший проводник теплоты. Для устройства перекрытий и кровель ставили много колонн или делали тяжелые каменные своды, так как прочность при сжатии и изгибе камня недостаточна для перекрытия больших пролетов. У каменных зданий, правда, было одно положительное качество — долговечность. Менее трудоемкие и материалоемкие, но не долговечные деревянные здания часто разрушались при пожарах.
С развитием промышленности появились новые, разные по назначению строительные материалы: для кровли — листовое железо, позже — рулонные материалы и асбестоцемент; для несущих конструкций — стальной прокат и высокопрочный бетон; для тепловой изоляции — фибролит, минеральная вата и др.
На основе синтетических полимеров стали изготавливать высокоэффективные пластмассы, в том числе и строительного назначения: линолеум, декоративные листы и пленки, герметики, пенопласты и др.
Современная промышленность строительных материалов и изделий производит большое количество готовых строительных материалов и изделий различного назначения, например: керамические плитки для полов, дня внутренней облицовки, фасадные, ковровую мозаику; рулонные и штучные материалы для устройства кровли, специальные материалы для гидроизоляции. Чтобы легче было ориентироваться в этом многообразии строительных материалов и изделий, их принято классифицировать. Наибольшее распространение получили классификации по назначению и технологическому признаку.
По назначению материалы делят на следующие группы:
• конструкционные, которые воспринимают и передают нагрузки в строительных конструкциях;
• теплоизоляционные, основное назначение которых — свести до минимума перенос теплоты через строительную конструкцию и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим помещения при минимальных затратах энергии;
• акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) — для снижения уровня «шумового загрязнения» помещения;
• гидроизоляционные и кровельные — для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;
• герметизирующие — для заделки стыков в сборных конструкциях;
- отделочные — для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;
• специального назначения (огнеупорные или кислотоупорные и др.), применяемые при возведении специальных сооружений.
Некоторые материалы (например, цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в исходном состоянии, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий — это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особо легкие бетоны — теплоизоляционные материалы; особо тяжелые бетоны — материалы специального назначения, используемые для защиты от радиоактивного излучения.
В основу классификации по технологическому признак у положены вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления. Эти два фактора во многом определяют свойства материала и соответственно область его применения. По способу изготовления различают материалы, получаемые спеканием (керамика, цемент) плавлением (стекло, металлы), омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы), механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).
Так как свойства материалов зависят главным образом от вида сырья и способа его переработки, в строительном материаловедении используют классификацию по технологическому признаку и лишь в отдельных случаях рассматриваются группы материалов по назначению.
Качество всех основных строительных материалов и изделий должно соответствовать требованиям стандартов, которые распространяются как на материальные предметы (продукцию, эталоны, образцы веществ), так и на методы испытаний, правила приемки, технические требования различного характера. Стандартизация способствует улучшению качества готовой продукции, повышению уровня унификации, взаимозаменяемости, а также автоматизации производственных процессов, росту эффективности ремонта изделий. В действующие стандарты по мере необходимости вносятся изменения, основанные на достижениях современной науки и техники, а также передового опыта. В зависимости от сферы действия и условий утверждения стандарты подразделяются на ряд категорий, основными из которых являются: государственный стандарт (ГОСТ), технические условия (ТУ) и строительные нормы и правила (СНиП).
Государственный стандарт. Это документ, в котором дается краткое описание материала и способа его изготовления, классификация, конкретно указываются форма, размеры, классы (марки) и сорта (если они имеются), технические показатели, правила приемки, упаковки, транспортирования и хранения, методы испытаний материала или изделия, которые иногда выделяются в отдельный ГОСТ.
Технические условия или отраслевые временные технические условия (ВТУ). Эти документы устанавливают комплекс требований к конкретным типам, маркам, артикулам продукции, которая не стандартизирована или ограниченно применяется. ТУ действуют в пределах ведомства или министерства и содержат правила приемки, методы испытаний и требования к качеству, форме, размерам и сортам выпускаемой продукции.
Строительные нормы и правила. Эти документы регламентируют основные положения строительного проектирования, производства строительных работ и требования к строительным материалам и изделиям. СНиПы распространяются на все виды строительства и являются общеобязательными. По каждому виду материалов и изделий даются требования по важнейшим физическим, механическим и другим свойствам, а также условия, области применения материалов, изделий и конструкций для строительства. Технические требования СНиП направлены на повышение качества и снижение стоимости строительства путем максимального использования эффективных материалов, изделий и конструкций.
Марка строительных материалов
Марка строительных материалов — условный показатель, устанавливаемый по главнейшим эксплуатационным характеристикам или комплексу главнейших свойств материала. Так, существуют марки по прочности, плотности, морозостойкости, огнеупорности.
При оценке качества большинства строительных материалов используют условные показатели — классы (марки) и сорта, — которые устанавливаются по основной эксплуатационной характеристике или по комплексу важнейших свойств материала. Так, для конструкционных материалов класс (марка) определяется по прочности МПа (кгс/см2) (бетон, раствор, природные каменные материалы).
По прочности для всех природных и искусственных каменных материалов СНиПом установлены следующие марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200; 300 и т. д. до 3000. Цифра показывает минимально допустимый предел прочности материала, выраженный в кгс/см2 (например, кирпич марки 100 должен иметь прочность 100. 125 кгс/см2 или 10. 12,5 МПа).
Сорт древесины устанавливают по допускаемым порокам, механическая прочность в определении сорта не учитывается. Определение марки для теплоизоляционных материалов ведется по средней плотности, кг/м3. Это объясняется тем, что теплопроводность находится в прямой зависимости от плотности. Кроме основных показателей качества существуют специальные марки и классы, характеризующие какие-либо основные свойства материала, например морозостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность.
1. Перечислите из каких частей состоит здание?
2. На какие группы делят строительные материалы по назначению?
3. Расскажите о классификации строительных материалов по технологическому признаку.
Источник: nsportal.ru
Материаловедение и виды материалов: классификация
Материалы гораздо глубже входят в нашу культуру, чем многие думают. Необходимыми элементами нашей повседневной жизни являются транспорт, жилища, средства связи, отдых, производство пищи, и все они в той или иной степени зависят от выбора подходящих материалов. С исторической точки зрения развитие и успехи общественного строя неразрывно связаны с возможностями людей производить и перерабатывать материалы для удовлетворения существующих потребностей. Ранние цивилизации даже определялись по названиям материалов, которые люди научились использовать — Каменный век, Бронзовый век, Железный век.
На ранних этапах человеческого существования люди использовали крайне ограниченное число материалов. Это были, естественно, материалы, имеющиеся в природе — камни, дерево, глина, шкуры животных и т. п. Со временем люди научились производить материалы, по свойствам превосходящие природные продукты. Это были такие новые материалы, как керамика и различные металлы.
В дальнейшем было обнаружено, что свойства материалов могут видоизменяться в результате термической обработки или добавления к ним различных субстанций. В то время выбор материала определялся сопоставлением очень ограниченного количества вариантов, исходя из их качества применительно для той или иной цели.
Лишь сравнительно недавно ученые поняли, что существует соответствие между структурными элементами, составляющими материал, и им самим. Эти знания стали доступными примерно 100 лет назад, и в значительной степени были обусловлены тем, что люди научились оценивать характеристики материала. Все это привело к тому, что появились десятки тысяч различных материалов с весьма специфическими свойствами, что позволило удовлетворять самые сложные потребности современного общества. К числу материалов, используемых в наши дни, относятся металлы, полимеры, стекла и волокна.
Успехи современных технологий, которые сделали наше существование столь комфортным, связаны с тем, что стали доступными подходящие материалы. Успехи в понимании того, чем определяется тип материала, зачастую предшествуют развитию новых технологий. Так, например, становление автомобильной промышленности было бы невозможным без разработки сравнительно недорогих сталей или иных подходящих материалов. В наше время развитие многочисленных сложных электронных устройств основывается на использовании компонентов, производимых из так называемых полупроводниковых материалов.
Зачем мы исследуем материалы? Многие ученые и инженеры, работающие в области машиностроения, гражданского строительства, химической или электротехнической промышленности, рано или поздно сталкиваются с задачей разработки конструкции изделия. В качестве примера таких изделий можно привести передаточные шестерни, конструкции, используемые в строительстве, детали для нефтеперерабатывающего оборудования, интегральные чипы. Конечно, ученые и инженеры, занимающиеся материаловедением, являются экспертами, знакомыми с задачами изучения материалов и проблемами конструирования из них изделий.
Во многих случаях задача состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать окончательный выбор. Прежде всего, необходимо четко охарактеризовать условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала.
Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям. Поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала по сравнению с другими более важными. Классический пример — это требования по прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.
Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут снижаться свойства материала в процессе эксплуатации изделия. Например, весьма заметное снижение прочности может быть результатом действия повышенных температур или коррозии в окружающей среде. И, наконец, решающий аргумент может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость конечного изделия?
Можно найти материал, который идеально подходил бы по своим свойствам всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог. И здесь опять-таки неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в стоимость конечного продукта входят не только стоимость материала, но и затраты в процессе формования готового изделия.
Чем лучше ученый или инженер знаком с различными характеристиками материала и соотношением между его структурой и свойствами, равно как и с технологией получения изделий, тем более умелым и надежным будет его (или ее) выбор материала, основанный на перечисленных критериях.
Классификация материалов
Твердые материалы обычно подразделяются на три основные группы. Это металлы, керамика и полимеры. Это деление основывается, прежде всего, на особенностях химического строения и атомной структуры вещества. Большинство материалов можно вполне однозначно отнести к той или иной группе, хотя возможны и промежуточные случаи.
Кроме того, следует отметить существование композитов, в которых комбинируются материалы, принадлежащие к двум или трем из перечисленных групп. Ниже будет дано краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные характеристики.
Еще одним типом материалов являются современные специальные (advanced) материалы, предназначенные для применения в высокотехнологичных (high-tech) областях, таких как полупроводники, материалы биологического назначения, «умные» (smart) материалы и вещества, используемые в нанотехнологии.
Металлы
Материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах.
Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока.
Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.
В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. электронов, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света.
Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.
Керамика
Керамика — это группа материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами. Как общее правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так, например, некоторые из наиболее популярных видов керамик состоят из оксида алюминия (Al2O3), диоксида кремния (SiO2), нитрида кремния (Si3N4).
Кроме того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те, которые идут на изготовление фарфора), а также бетон и стекло. Что касается механических свойств, то керамика — это относительно жесткие и прочные материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. Кроме того, типичные виды керамики очень твердые. Однако керамика исключительно хрупкий материал (практически полное отсутствие пластичности) и плохо сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и электрический ток (т.е. их электропроводность очень низкая).
Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или совсем непрозрачным материалом, а некоторые оксиды, например, оксид железа (Fe2O3) обладают магнитными свойствами.
Композиты
Композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ, перечисленным выше, т.е. металлов, керамики и полимеров. Целью создания композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных материалов, которые не могут быть получены для индивидуальных компонент, а также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик. Известно большое количество различных композитов, которые получены при совмещении металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы также представляют собой композиты, например, это дерево и кость. Однако большинство композитов, которые рассматриваются в настоящей книге, это материалы, полученные из синтетических материалов.
Одним из наиболее популярных и знакомых всем композиционных материалов является стеклопластик. Этот материал представляет собой короткие стеклянные волокна, помещенные в полимерную матрицу, обычно в эпоксидную или полиэфирную смолу. Стеклянные волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, но они хрупкие. В то же время полимерная матрица пластична, но ее прочность низкая. Комбинирование указанных веществ приводит к получению относительно жесткого и высокопрочного материала, который, тем не менее, обладает достаточной пластичностью и гибкостью.
Другим примером технологически важного композита являются углепластики — полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP). В этих материалах в полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но в то же время более дорогие. Углепластики используют в аэрокосмической технике, а также при изготовлении высококачественного спортивного оборудования, например велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных ракеток, лыж и сноубордов.
Прогрессивные материалы
Материалы, которые предназначены для использования в высокотехнологичных изделиях («хай-тек») иногда условно определяют термином «прогрессивные» материалы. Под высокими технологиями обычно имеются в виду устройства или изделия, работа которых основана на использовании сложных современных принципов. К числу таких изделий относится различное электронное оборудование, в частности цифровые видео-аудио камеры, CD/DVD проигрыватели, компьютеры, оптико-волоконные системы, а также космические спутники, изделия аэрокосмического назначения и ракетных технологий.
Прогрессивные материалы, по существу, представляют собой обычно типичные обсуждавшиеся выше вещества, но с улучшенными показателями свойств, но также и новые материалы, обладающие выдающимися характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или полимерами, однако их стоимость обычно очень высока. К числу прогрессивных материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества, которые мы называем «материалами будущего». Это так называемые «умные» материалы и изделия нанотехнологии, которые предназначены, например, для изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации, дисплеев на жидких кристаллах и оптических волокон.
Полупроводники
Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.
БИОМАТЕРИАЛЫ
Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека (т.е. не должны вызывать реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ — металлы, керамика, полимеры и полупроводники — могут быть использованы в качестве биоматериалов. В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.
Материалы будущего
«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых искусственно разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает, что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и отзываться на эти изменения заранее определенным образом — качество, присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и традиционных веществ.
В качестве компонентов умных материалов (или систем) могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.
В качестве активаторов обычно используют материалы четырех типов: это сплавы с памятью к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики, магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные жидкости.
Сплавы «с памятью» — это металлы, которые после деформирования возвращаются в исходную форму, если изменилась температура.
Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на изменение электрического или магнитного поля, соответственно.
Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами, аббревиатура MEMS.
В качестве примера «умных» устройств можно привести систему, используемую в вертолетах для того, чтобы снизить шум в кабине, создаваемый при вращении лопастей. Пьезоэлектрические датчики, встроенные в лопасти, отслеживают напряжения и деформации; сигнал передается от этих датчиков к исполнительному механизму, который с помощью компьютера генерирует «антишум», гасящий звук от работы винтов вертолета.
Нанотехнологические материалы
Вплоть до самого недавнего времени общепринятая процедура работ в области химии и физики материалов состояла в том, что вначале изучались весьма крупные и сложные структуры, а затем исследования переходили на анализ более мелких фундаментальных блоков, составляющих эти структуры. Этот подход иногда назывался «сверху — вниз».
Однако с развитием техники сканирующей микроскопии, которая позволила наблюдать отдельные атомы и молекулы, оказалось возможным манипулировать атомами и молекулами с тем, чтобы создавать новые структуры, и тем самым получать новые материалы, которые строятся на основе элементов атомного уровня размеров (так называемый «дизайн материалов»). Эти возможности аккуратно собирать атомы открыли перспективы создавать материалы с механическими, электрическими, магнитными и другими свойствами, которые были бы недостижимы при использовании иных методов. Мы назовем этот подход «снизу — вверх», а изучением свойств таких новых материалов занимается нанотехнология, где приставка «нано» означает, что размеры структурных элементов составляют величины порядка нанометра (т.е. 10–9 м). Как правило, речь идет о структурных элементах с размерами меньше 100 нм, что эквивалентно примерно 500 диаметрам атома.
Одним из примеров материалов рассматриваемого типа являются углеродные нанотрубки. В будущем, несомненно, нам удастся найти все больше и больше областей, в которых проявятся достоинства нанотехнологичных материалов.
Необходимость создания новых материалов
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все же остается необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. По этому вопросу необходимо дать некоторые комментарии, чтобы обрисовать возможные перспективы в этой области.
Создание ядерной энергетики предлагает определенные обещания будущего, но здесь остаются многочисленные проблемы, связанные с разработкой новых материалов, которые необходимы на всех стадиях — от системы размещения топлива в реакторе до хранения радиоактивных отходов.
Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и материалы, которые могут работать в условиях повышенных температур.
Далее, существует общепризнанная необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в более эффективном использовании существующих источников. Несомненно, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии этого направления. Так, например, была продемонстрирована возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрический ток. В настоящее время солнечные батареи представляют собой довольно сложные и дорогостоящие устройства. Несомненно, что должны быть созданы новые относительно дешевые технологические материалы, которые должны быть более эффективными в осуществлении использования солнечной энергии.
Еще одним очень привлекательным и вполне реальным примером в технологии преобразования энергии служат водородные топливные элементы, которые к тому же обладают тем преимуществом, что не загрязняют окружающую среду. В настоящее время только начинается использование этой технологии в электронных устройствах; в перспективе такие элементы могут использоваться как силовые установки в автомобилях. Для создания более эффективных топливных элементов нужны новые материалы, а для производства водорода необходимы новые катализаторы.
Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для осуществления контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей нас природе при добыче полезных ископаемых. Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов образуются токсичные вещества, так что следует учесть возможный ущерб экологии от сброса таких отходов.
Многие используемые нами материалы получают из невосполнимых ресурсов, т.е. источников, которые не могут быть регенерированы. Это относится, например, к полимерам, первичным сырьем для которых является нефть, и к некоторым металлам. Эти невосполнимые ресурсы постепенно исчерпываются. Отсюда возникает необходимость: 1) обнаружения новых источников этих ресурсов; 2) создание новых материалов со свойствами, аналогичными существующим, но менее наносящих ущерб окружающей среде; 3) усиления роли процессов рециклинга и, в частности, разработки новых технологий, позволяющих осуществлять рециклы. Как следствие всего этого возникает необходимость экономической оценки не только производства, но и учета экологических факторов, так что оказывается необходимым проанализировать весь жизненный цикл материала — «от колыбели до могилы» — и производственный процесс в целом.
| Технологии [156] | Изделия [78] |
| Оборудование [44] | Сырье [115] |
| Обзоры рынков [189] | Интервью [101] |
 Репортаж [26] |
Все статьи |
Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник
Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение
Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!
По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
Тел: +7 (499) 490-77-79
Прислать сообщение
Полное или частичное копирование любых материалов, опубликованных на Plastinfo.ru, для размещения
на других Интернет сайтах, разрешается только с указанием активной гиперссылки на plastinfo.ru !
Полное или частичное использование любых материалов, размещенных на Plastinfo.ru,
в СМИ, печатных изданиях, маркетинговых отчетах, разрешается только с указанием ссылки
на «Plastinfo.ru» и в некоторых случаях требует письменного разрешения ООО Пластинфо
Источник: plastinfo.ru