Павлов Олег
ученик 9 класса МОУ СШ № 17
г. Волжский
Новые конструкционные материалы
Конструкционные материалы — материалы, предназначенные для изготовления конструкций (деталей машин или механизмов, приборов, сооружений, транспортных средств и др.), воспринимающих механические нагрузки[i].
Материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные:
Металлические материалы. К ним относятся все металлы и их сплавы.
Неметаллические материалы.
Пластмасса (материал на основе высокомолекулярных соединений —полимеров).
Керамика (материалы с основой из тугоплавких соединений).
Металлокерамика. (керамика с добавлением некоторого количества металла).
Стекло. (система из различных оксидов, в первую очередь оксида кремния).
Резина (материал на основе углеродноводородного полимера — каучука).
Дерево (сложная органическая ткань древесных растений).
Композиционные материалы. Они представляют собой композиции, полученные искусственным путем из двух и более разнородных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам[ii].
Новые конструкционные материалы
Авиастроение.
В современном авиастроении всё больше ведутся работы над усовершенствованием не только конструкционных особенностей самолётов, но и материалов. Их упрочнение и уменьшение массы, удешевление производства. Воздушный транспорт прочно вжился в наш мир и играет важную роль не только для перевозки грузов и людей, но и для защиты страны.
Основным конструкционным материалом для планеров самолётов остаются алюминиевые сплавы. В нашей стране постоянно ведутся научно-исследовательские работы по улучшению характеристик успешно применяемых сплавов и созданию новых. Упор сделан на такие свойства:
- Удельная прочность.
- Выносливость
- Технологичность.
- Ремонтопригодность.
Улучшают свойства путём значительного улучшения химического состава. Уменьшение содержания примесей кремния и железа. Разработка новых режимов термообработки, улучшение качества полуфабрикатов. Уменьшение плотности сплавов, которое достигается путём создания рецептур сплавов, легированных литием.
Примеры некоторых сплавов:
В95 п. ч./о. ч – широко применяемый (вместо традиционного В95) высокопрочный сплав в виде катаных и прессованных длинномерных (до 30 м) полуфабрикатов для верхних обшивок крыла (плиты, листы), стрингеров, балок, стоек (профили, трубы) и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолётов. («Современные авиационные конструкционные сплавы». В.Н. Климов, Д.М. Козлов).
1420 – среднепрочный, устойчивый к коррозии, с высоким модулем упругости, свариваемый сплав пониженной плотности. Сплав предназначен для использования в конструкции самолётов (сварные герметичные отсеки, окантовки иллюминаторов, компоненты кабины). Сплав эффективно используется для изготовления штамповок вместо сплава АК-6.
АК4-2ч. – сплав с повышенной на 10–15 % устойчивостью к распространению трещин, по сравнению со сплавом АК4-1ч., при близкой прочности.3
Давайте обратимся к одному из отечественных научных центров авиастроения. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) проводятся всевозможные исследования в области материаловедения. Ежегодно институтом разрабатывается более 40 новых марок материалов, почти 150 разработок и технологий осваиваются на предприятиях промышленности, около 100 патентов используются в собственном производстве. Остановимся на некоторых.
Создан высокопрочный органопластик ВКО-19Л для наружных легких обшивок авиационной техники. Он предназначен для изготовления герметичных тонколистовых обшивок лопастей несущих винтов вертолетов и элементов самолетов.
Разработана концепция создания высокотемпературных наноструктурированных трещиностойких композиционных материалов (ВМК) и покрытий на основе стеклокерамики, кремнийорганических полимеров и керамики.
Разработаны фильтры переменной оптической плотности (стекла или полимерные пленки, светопропускание которых плавно изменяется по оптическому полю детали остекления) и антибликовые покрытия (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов https://viam.ru/interview/3570 )
Строительство.
Строительство тоже не стоит на месте. С каждым годом придумываются и воплощаются в жизнь новые дизайнерские решения. Для этого и проектируются новые материалы, которые делают строительство проще и жизнь людей комфортнее.
Самовосстанавливающийся бетон.
Бетон — один из наиболее распространенных строительных материалов в мире, за счет своей прочности и экономичности производства. Он состоит из вяжущего вещества(цемента), крупных и мелких заполнителей, воды. Известный факт, что бетон со временем рассыхается, покрываясь трещинами, в которые проникает вода, а вместе с ней и микроорганизмы, начинающие процесс коррозии. В результате такого разрушения требуется дорогостоящий ремонт бетонного сооружения.
Преимущества применения самовосстанавливающегося бетона:
1.Устойчивость к воздействию окружающей среды.
2.Экологичность.
3.Не позволяет разрушаться бетонным конструкциям.
3.Сопротивляемость к разрушению бетонных конструкций.
4.Практичность.
5.Перспектива использования (Кодзоев М.-Б. Х., Исаченко С. Л. Самовосстанавливающийся бетон // Бюллетень науки и практики).
На сегодняшний день существуют несколько видов восстановления бетона, над которыми работают мировые университеты. Так, например, исследователи из Технологического университета Делфта создали «живой» бетон, добавив в него гранулы из биоразлагаемого пластика со спорами бактерий и лактатом кальция – веществом, которым питаются эти микроорганизмы.
Споры в течение многих лет сохраняют свою жизнеспособность. Находясь в гранулах, они никак не влияют на свойства бетона. При появлении трещин на его поверхности влага растворяет гранулы и попадает внутрь. Бактерии «просыпаются» и начинают активно потреблять лактат кальция, выделяя кальцит. Этот минерал, по сути, представляющий собой известняк, заполняет пустоты и скрепляет края трещин.
Южнокорейские специалисты из университета Юнсэй предлагают использовать специальное покрытие для бетона, состоящее из полимерных капсул. Бетонная поверхность обрабатывается покрытием, содержащим микрокапсулы, заполненные особым полимерным веществом. При появлении трещин капсулы на их месте раскрываются, а жидкие полимеры их заполняют. Под действием ультрафиолетовых солнечных лучей вещество затвердевает и восстанавливает прочность бетона (BETON-HOUSE COM https://beton-house.com/novosti/samovosstanavlivayushhijsya-beton).
В России также занимаются разработками такого бетона. В Севастопольском государственном университете, разработана уникальная технология производства недорогих нанопорошков, которые позволят принципиально менять качества стройматериалов. Нанопорошок также представляет определённый штамм бактерий. Интересно то, что себестоимость производства нанопорошков невелика и составляет 15–30% от рыночной стоимости. Добавив в бетонную смесь менее двух процентов нанопорошка, ученые получили почти двукратное увеличение прочности (СЕВКОР. Новости Севастополя https://sevkor.ru/sevastopolskie-uchenye-v-dva-raza-uvelichili-prochnost-betona/).
Аэрокирпич.
Теплоизоляция дома играет важную роль для создания комфорта. Она помогает сдержать тепло в зимнюю пору.
Изобретатели не обошли стороной и обычный кирпич, сделав внушительную модернизацию. Швейцарская компания Empa разработала традиционный кирпич с теплоизоляцией. В исследовании Empa ведущий ученый Яннис Вернери, и его команда разработали пасту, состоящую из частиц аэрогеля, которые можно легко набивать в обычные полые глиняные кирпичи. Они заменили перлит (материал, которым заполняют полости в изоляционных кирпичах) аэрогелем: высокопористым твердым веществом с очень высокими теплоизоляционными свойствами, способным выдерживать температуру до 300°C. Сравнение в специальном измерительном приборе теплопроводности при средней температуре 10°С показывает, что заполненные перлитом кирпичи с такой же структурой и толщиной утепляют примерно на треть меньше аэрокирпича. Другими словами, для достижения требуемых значений изоляции стена из перлитового кирпича должна быть примерно на 35% толще аэрокирпичной стены. Еще более впечатляюще сравнение с обычной кладкой из неизолированного кирпича: он проводит тепло в восемь раз лучше. Таким образом, обычная стена должна была бы быть почти двухметровой глубины, чтобы изолировать так же хорошо, как стена аэрокирпичей всего 20 сантиметров в глубину (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology Empa https://www.empa.ch/web/s604/aerobrick / https://www.empa.ch/web/s312/aerobrick_new).
Однако есть подвох. Аэрогель, используемый в аэрокирпичах, в настоящее время довольно дорог – Вернери подсчитал, что один квадратный метр стены, сделанной из него, принесет дополнительные расходы примерно в 500 швейцарских франков (около 521 доллара США). Тем не менее он надеется, что по мере развития технологий и падения цен на аэрогель аэрокирпичи станут практичным строительным материалом (NewAtlas https://newatlas.com/aerobrick-aerogel-brick/53001/ ).
Итоги:
Была затронута только лишь малая часть применения новых конструкционных материалов. С каждым годом количество нововведений насчитывается всё больше и больше, постепенно входя во всевозможные отрасти промышленности и хозяйства. С развитием химических технологий наша жизнь делается намного проще и удобнее. Наши вещи, которыми мы пользуемся, становятся долговечнее из-за передовых разработок в производстве и материаловедении. Однако существуют и серьезные минусы, которые препятствуют распространению материалов. И применяется в довольно узких специальностях. Токсичность компонентов отрицательно влияет на здоровье и самочувствие людей. Дороговизна деталей относительно классических материалов. Стоит учесть то, что со временем эти недоработки исчезают, поэтому я считаю, что развитие новых конструкционных материалов строит наше будущее.
Спасибо за внимание!
_________________________________
[i] Большая российская энциклопедия: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2092751
[ii] «Основы материаловедения. Конструкционные материалы». Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П.