Торопова Лада, г. Волжский

Торопова Лада
Ученица 11 А класса МОУ СШ № 27
г. Волжский

Новые конструкционные материалы 

Конструкционные материалы — материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.) ¹ Такие детали характеризуются большим разнообразием не только форменным, но и эксплуатационным. Их применяют в разных отраслях промышленности, с их помощью делают промышленные печи, детали для автомобилей, их используют в авиационной сфере. Задача производителя выполнить конструкционную деталь, готовую работать при разных температурах, в разных средах и с достаточно интенсивными нагрузками. Главным отличием продукции от остальных дополнений конструкций является их готовность долговременно принимать на себя максимальные нагрузки².

Конструкционные материалы под­раз­де­ля­ют­ся:

• по при­ро­де ма­те­риа­лов на ме­тал­ли­че­ские, не­ме­тал­ли­че­ские и ком­по­зи­ци­он­ные ма­те­риа­лы;
• по тех­но­ло­гическому ис­пол­не­нию– на де­фор­ми­ро­ван­ные (про­кат, по­ков­ки, штам­пов­ки, прес­со­ван­ные про­фи­ли и др.), ли­тые, спе­кае­мые, фор­муе­мые, склеи­вае­мые, сва­ри­вае­мые (плав­ле­ни­ем, взры­вом, диф­фу­зи­он­ным сра­щи­ва­ни­ем и др.);
• по ус­ло­ви­ям экс­плуа­та­ции– на ра­бо­таю­щие при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах, жа­ро­проч­ные, кор­ро­зи­он­но-, ока­ли­но-, из­но­со-, то­п­ли­во-, мас­ло­стой­кие и др.;
• по кри­те­ри­ям проч­но­сти– на ма­те­риа­лы ма­лой и ср. проч­но­сти с боль­шим за­па­сом пла­стич­но­сти и вы­со­ко­проч­ные с уме­рен­ным за­па­сом пла­стич­но­сти³.

Можно выделить следующие основные направления использования новых перспективных материалов:

• для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);
• для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);
• для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);
• для станкоинструментальной промышленности;
• для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);
• строительные материалы ⁴.

Современные конструкционные материалы:

1. Фуллерен – один из самых известных символов нанотехнологий, имеющий большие перспективы практических применений в микроэлектронике и медицине. Хорошо поглощают ультрафиолетовое излучение, у них высокая электроноакцепторная способность ⁵ . Материалы с применением фуллеренов обладают повышенной прочностью, износостойкостью, термо – и хемостабильностью и уменьшенной истираемостью⁶

Область применения:

• Тканые материалы специального назначения (ленты, полотна, паруса, канаты, сверхпрочные нити);
• Радиозащитные материалы на основе графитов, модифицированных фуллеренами;
• Сверхпрочные (выше твердости алмаза) насадки специального инструмента.
• Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов.
• Смазывающе-охлаждающие технологические составы, увеличивающие жизнеспособность инструмента.
• Термомодифицированные материалы электродов для химических источников тока;
• Материалы защитных экранов антилазерного назначения;
• Материалы для стелс-технологий различного назначения;
• Алмазоподобные пленки высокого совершенства;
• Материалы новейших микросенсоров;
• Материалы эффективного диализа применительно к сильнодействующим ядовитым веществам в полевых условиях;
• Высокоэффективные сорбенты для стационарных защитных систем и т.д.⁷

2. Углеродные нанотрубки — это протяженные свернутые графитовые плоскости, имеющие цилиндрическую форму. Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается (хорошо работают на изгиб и растяжения благодаря замкнутой каркасной структуре) ⁵

Область применения:

• в качестве добавок к полимерам;
• катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях;
• в качестве поглотителя электромагнитных волн;
• для преобразования энергии;
• изготовления анодов в различных видах батареек;
• хранения водорода;
• изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств⁸.

3. Vantablack (вантаблэк) - это самое черное вещество в современном мире материалов. Обладает способностью поглощать электромагнитное излучение в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне, гидрофобностью. Данная технология рассматривается военными в качестве маскировки для военной техники⁵

Область применения:

• космическая и военная промышленность
• создание защищающих от перепадов температуры и радиации покрытий.
• применяют в калибровке телескопов, инфракрасных датчиков.

Перспективные области  использования:

• Производство одежды. Пробные партии предметов гардероба покрытых Вантаблэк уже существуют, но на стадию массового производства такие эксперименты еще не вышли.
• Архитектура. Здание, покрытое абсолютно черной краской было представлено во время олимпиады в Южной Корее. Но и эта технология пока относится к экспериментальным.
• Краска для автомобилей. Такие эксперименты также проводились, например, был покрашен один из автомобилей BMW X6. Использование материала ограничивает его хрупкость и неустойчивость к механическим повреждением⁹.

4. Метаматериалы- это специальные композиционные материалы, которые получаются искусственной модификацией внедряемых в них элементов. В результате преобразованные материалы приобретают уникальные оптические, радиофизические, электрические и иные свойства, которые открывают широкие перспективы для развития научного прогресса⁵

Область применения:

• Покрытия для защиты телескопов либо сенсоров.
• В оптике дифракционное преломление также находит широчайшее применение.
• В микроэлектронике. 
• Создание мощных лазеров.
• Создание новых антибликовых материалов.
• Возможность видения через стены помощью специальных приборов.
• Создание блеф-стены или несуществующих «копий» военной техники¹⁰.

5. Углепластик - популярный за счет высоких параметров прочности и жесткости. Характеризуется высокой усталостной прочностью и низкой ползучестью⁵.

Область применения:

• ракетно-космическая техника, авиатехника, судостроение, автомобилестроение
• усиление железобетонных конструкций;
• спортивный инвентарь
• медицинская техника;
• профессиональные фото- и видеоштативы;
• бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков, рукояти складных ножей и пр.);
• музыкальные инструменты (струны);
• инструменты рукоделия (вязальные спицы)¹¹

6. Стеклопластик – материал, характеризующийся малым удельным весом, очень низкой теплопроводностью, прочностью как у стали, биологической стойкостью (недостаток – истираемость) ⁵

Область применения:

• Судостроение
• Автомобилестроение
• Железнодорожный транспорт и метро
• Химическая промышленность
• Коммунальное хозяйство и строительство
• Сантехника и мебель
• Ветроэнергетика¹²

7. Карбон – это материал, представляющий собой прочную и легкую композитную структуру (переплетение тонких нитей графита и резины) ⁵

Область применения:

• Самолетостроение.
• Изготовление разнообразного спортивного инвентаря, удочек для рыбной ловли, шлемов.
• Производство медицинской техники и прочее ¹³.

8. Синтегран (синтетический гранит) – материал, отличающийся высокой прочностью и отсутствием температурных деформаций, что крайне важно для станкостроения для реализации производства станин высокоточных металлорежущих станков. Станина из синтетического гранита гарантирует улучшенные антивибрационные характеристики станка⁵

Область применения:

• изготовление инструмента, специальной оснастки, ответственных деталей измерительных комплексов, высокоточных и специальных станков (точность обработки которых составляет 0,001 мкм),
• шпалы для метрополитена,
• изделия бытового и мемориального назначения¹⁴

9. Графен— это сверхпрочный и сверх электроёмкий материал. Он обладает в 100 раз более высокой электропроводностью, чем кремний, используемый сегодня  в солнечных батарея⁵.

Область применения:

• в электронике (пауэрбанк)
• в одежде (графеновые куртки и платья)
• в спорте (теннисные)
• машинное масло.

Перспективные области использования:

• Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак
• Для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
• Изготовление дешевых солнечных батарей, опресняющих устройств для морской воды, гибких дисплеев, сверхпрочных бронежилетов и т.д. ¹⁵

10. Starlite (Старлайт) – представляет собой пластическую массу, которая может выдерживать колоссальные температуры (2500 градусов по Цельсию)⁵. Однако формула вещества не известна до сих пор, сам создатель никогда не раскрывал его состав и никому не позволял хранить у себя образцы материала. Сам изобретатель умер в 2011 году и формула Starlite не известна до сих пор.

Перспективные области использования:

• В космонавтике:. Применение Starlite, позволило бы создать идеальный термоизолятор.
• Защита от пожаров: использование Starlite при покраске домов, позволили бы сохранить не только сами дома, но и жизни людей. Помимо этого, материал можно применять при изготовлении одежды для пожарных. Такая одежда была бы совершенно невосприимчива к огню.
• Применение в быту: возможности применения Starlite практически безграничны (при покраске труб с горячей водой, при создании электроплит, духовок и многого другого).
• В военной промышленности: защита от атомных бомб, лазера, при покрытии танков и другой военной техники, использовать при создании защитных костюмов¹⁶

Таким образом, мы видим, что разработка и использование новых конструкционных материалов – одно из определяющих направлений в современной науке. Развитие данной области влияет на все сферы человеческой деятельности и находит применение в каждой из них. Несмотря на то, что конструкционные материалы более широко используются в военной области и строительстве, хочется отметить, что сейчас их применяют и в бытовой сфере, авиа-, ракето-, автомобилестроении и медицине и т.д. В конце хочется согласиться с советским ученым И.И. Артоболевским, который сказал: «Задача ученых заключается не только в развитии научных исследований, но и в борьбе за их использование на благо общества, на благо всех людей мира». 

Ссылки на источники:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8B
2. https://zewerok.ru/konstruktsionnye-materialy/
3. https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2092751
4. https://uas.su/books/newmaterial/11/razdel11.php
5. https://infourok.ru/prezentaciya-na-temu-sovremennie-konstrukcionnie-materiali-3105319.html
6. https://втораяиндустриализация.рф/fulleren-allotropnaya-forma-ugleroda/#preimushchestva
7. https://studwood.ru/1494738/tovarovedenie/primenenie_fullerenov
8. https://fb.ru/article/231011/uglerodnyie-nanotrubki-proizvodstvo-primenenie-svoystva
9. https://rusvst.ru/index.php?newsid=2418
10. https://powercoup.by/novyie-tehnologii/metamaterialyi
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8#%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
12. https://composite-prof.ru/o_stekloplastike/oblasti_primeneniya/
13. https://fb.ru/article/469426/karbon---eto-karbon-opisanie-sfera-primeneniya-osobennosti-i-otzyivyi
14. https://vk.com/wall-106115522_7
15. https://trends.rbc.ru/trends/industry/5edfa78d9a79473224e8cfed#p3
16. https://mplast.by/novosti/2013-06-27-2013-06-27-06-20-05/