Общие сведения о строительных материалах. Младший дошкольный возраст. Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения
Общие сведения о материалах и их свойствах
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
Общие сведения о материалах и их свойствах
Виды основных строительных материалов. К основным строительным материалам относятся: лесные, природные каменные, керамические материалы и изделия, неорганические (минеральные) вяжущие вещества (цемент, глина, алебастр и пр.) и изделия из них, строительные растворы для кладки и штукатурки, искусственные каменные материалы и изделия на основе вяжущих, битумные и теплоизоляционные материалы, строительные металлы, металлические, изделия и лакокрасочные материалы. В последнее время в строительстве широко внедряются различные материалы, изготовляемые на основе пластических масс.
Основные свойства строительных материалов. Для правильного применения необходимо знать физико-механические и химические свойства строительных материалов, приведенные ниже.
Плотность - масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии без пор и пустот, кг/м 3 ,
где - масса образца, кг; - объем образца в абсолютно плотном состоянии, м 3 .
Относительная плотность - отношение плотности строительного материала в естественном состоянии (с порами) к плотности абсолютно плотного тела или отношение объема материала в абсолютно плотном состоянии к его внешнему объему в естественном состоянии , отн. ед.,
Относительная плотность может быть выражена и в процентах:
Насыпная плотность - это масса единицы объема рыхлого материала, насыпанного в какую-либо тару без уплотнения.
Пористость - степень заполнения объема материала порами.
Относительная плотность и пористость в сумме равны единице, т.е.
Или 
Водопоглощение - свойство материала впитывать и удерживать в себе воду. Водопоглощение определяется по разности масс образца материала в насыщенном водой и в абсолютно сухом состоянии и выражается в процентах от массы сухого материала.
Влажность - содержание воды в материале (по массе), выраженное в %.
Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Степень водопроницаемости измеряется количеством воды, прошедшей за 1 с через 1 м 2 поверхности материала при заданном постоянном давлении.
Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания без заметных признаков разрушения и без значительного понижения прочности. От морозостойкости материала зависит долговечность многих элементов здания.
Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при наличии разности температур на ограничивающих его поверхностях. Теплопроводность измеряется в килоджоулях (кДж).
Общее количество теплоты , кДж, прошедшее через ограждение, может быть выражено формулой
где - коэффициент теплопроводности материала, кВт/м·°С;
Площадь ограждения, м 2 ;
Толщина ограждения, м;
Разность температур на противоположных поверхностях ограждения, °С;
Время, с.
Полагая , , , , получим значение коэффициента теплопроводности
который для данного материала зависит от его физических свойств (пористости, влажности, плотности и т.п.)
Теплоемкость - свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать его при охлаждении. Теплоемкость измеряется величиной коэффициента теплоемкости С (называемым иногда удельной теплоемкостью), который представляет собой количество тепла в Дж, необходимое для нагревания 1 кг данного материала на 1°С.
Огнестойкость - способность материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы:
Несгораемые, (бетон, кирпич), под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются;
Трудносгораемые (фибролит, асфальтовый бетон), под воздействием огня или высокой температуры трудно воспламеняются, обугливаются или тлеют; после удаления огня тление прекращается;
Сгораемые (дерево и др.), под воздействием огня воспламеняются и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня. Некоторые материалы этой группы воспламеняются при воздействии высокой температуры.
Огнеупорность - способность материалов противостоять длительному воздействию высоких температур, не размягчаясь и деформируясь.
Химическая стойкость - способность материалов сопротивляться действию кислот, щелочей, солей, растворенных в воде.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих в нем от нагрузки или других факторов и вызывающих сжатие, растяжение, срез, изгиб или кручение. Например, прочность материала при сжатии и растяжении оценивают величиной предела прочности R, Па, определяемой по формуле
F- площадь сечения образца, м 2 .
Таким образом, предел прочности - это напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала.
Твердость - способность материала сопротивляться проникновению (внедрению) в него другого, более твердого тела.
Упругость - способность материала деформироваться и вновь восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, под действием которой она в той или другой мере изменялась.
Пластичность - способность материала под влиянием действующих на него нагрузок изменять размеры и форму в значительных пределах без образования трещин и нарушения прочности и сохранять принятую форму после их снятия.
Хрупкость - свойство материала под действием внешних сил разрушаться внезапно, без предварительной деформации.
Выпускаемые строительные материалы должны соответствовать государственным стандартам (ГОСТам), представляющим собой официально утвержденные документы, в которых содержится полное описание материала, изделия или детали. ГОСТами устанавливаются требования, которым должны отвечать строительные материалы, и правила их приемки.
Лесные материалы
Строение древесины. При рассмотрении поперечного разреза древесного ствола можно различать в нем следующие части: кору, камбий, собственно древесину и сердцевину.
Кора состоит из наружного слоя - корки и внутреннего - луба. Под слоем луба находится тонкий слой камбия. За камбием располагается толстый слой древесины, состоящий из ряда тонких концентрических колец. Каждое такое кольцо соответствует одному году жизни дерева и носит название годичного кольца.
В центре ствола находится сердцевина. У сосны, дуба и кедра ядро имеет более темную окраску; у ели, пихты, бука центральная часть ствола не отличается по цвету от наружной и носит название «спелой древесины». Имеются породы деревьев, у которых ядро отсутствует (береза; клен; ольха); такие породы называют заболонными.
Свойства древесины. Влажность. Большое влияние на технические свойства древесины оказывает ее влажность. По степени влажности различают древесину: мокрую (влажность больше, чем у свежесрубленной), свежесрубленную (влажность 35% и более), воздушно-сухую (влажность 20-15%) и комнатно-сухую (влажность 13-8%).
Усушка и разбухание. Изменение влажности древесины вызывает изменение ее объема, что ведет к усушке или разбуханию. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает и разбухает в различных направлениях неодинаково, что влечет за собой коробление или появление трещин в конструкциях. Поэтому следует применять древесину с влажностью, соответствующей условиям ее эксплуатации; для этого производится естественная или искусственная сушка.
Механические свойства древесины. Прочность древесины в различных направлениях неодинакова. Так, прочность древесины при растяжении вдоль волокна в 20-30 раз больше, чем поперек волокна. Такое же явление наблюдается и при сжатии древесины.
Основные древесные породы, применяемые в строительстве.
В строительстве наибольшее применение имеют хвойные породы: сосна, ель, лиственница, пихта, кедр. Лиственные породы: дуб, бук, ясень, березу, клен, чинару, грушу и др. - применяют, главным образом, для изготовления столярных изделий и для внутренней отделки зданий. В целях экономии ценных пород леса там, где это возможно, и особенно для временного и подсобного строительства следует применять такие лиственные породы как ольха, липа, осина и тополь.
Сортамент лесных материалов. Круглый лес в зависимости от его диаметра в верхнем торце (отрубе) подразделяется на бревна, подтоварник и жерди. Бревна в верхнем отрубе должны иметь диаметр не менее 120 мм, подтоварник от 80 до ПО мм и жерди от 30 до 70 мм. Пиломатериалы получают путем продольной распиловки бревен. В зависимости от качества древесины и наличия пороков пиломатериалы из хвойных пород делятся на 5 сортов.
В строительстве применяют пиломатериалы следующих видов (рис. 2.1): пластины, четвертины, горбыль, доски (ширина более двойной толщины); бруски и брусья (ширина не более двойной толщины). В зависимости от чистоты кромок, доски делят на необрезные, полуобрезные и обрезные.
Длина досок и брусьев установлена от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м. В зависимости от способа обработки брусья различают: двухкантные - опиленные с двух сторон - и четырехбитные - опиленные с четырех сторон.
Казакова З. К.
Проект для детей 4-5 лет
«Свойства и качества материалов»
ПРОБЛЕМА:
Дети под понятием «материал» подразумевают лишь ткань. Хотя из таких материалов как пластмасса, стекло, дерево, бумага изготовлено большинство объектов рукотворного мира, окружающих нас. Дети не знают о свойствах этих материалов, особенностей обращения с ними, не знают их целевого назначения и функций изготовленных из них предметов.
ЦЕЛЬ:
Формировать у детей представления о таких материалах рукотворного мира, как бумага, пластмасса, дерево, стекло.
ЗАДАЧИ:
1. Научить детей определять признаки материалов, их свойства и качества; классифицировать предметы рукотворного мира по материалу.
2. Познакомить детей с целевым назначением предметов рукотворного мира в зависимости от свойств и качеств материала из которого они изготовлены.
3. Составить с детьми правила обращения с предметами, в зависимости от материала из которого они изготовлены.
4. Организовать деятельность детей по созданию коллекции «Разнообразие бумаги».
5. Расширять и активизировать словарь детей характеристиками признаков материалов рукотворного мира.
6. 
Развивать социальные навыки детей: умение
работать в группе, договариваться, учитывать мнение партнера.
МЕРОПРИЯТИЯ:
1. Сбор материалов для копилки проекта.
2. Познавательные занятия на темы:
· «История открытия стекла»
· «Изготовление бумаги»
· «Превращение дерева в строительный материал»
· «Возникновение пластмассы»
3. Отгадывание загадок и чтение художественной литературы о разных материалах и объектах рукотворного мира изготовленных из них.
4. Художественно-творческая деятельность:
· изготовление детьми бумажных фонариков на елку;
· изготовление из картона шапочек «заячьи ушки».
5.
Организация сюжетно-ролевой игры «Магазин» («Мебель», «Игрушки», «Посуда»,
«Канцелярские товары»)
6. Организация дидактической игры «Моя квартира».
7. Проведение опытов:
· «Тонет – не тонет»
· «Бьется – не бьется»
· «Что видно через стекло (прозрачное, матовое, цветное)»
· «Мнется – не мнется»
8. Организация выставки объектов рукотворного мира из бумаги, пластмассы, дерева, стекла.
ЭТАПЫ РАБОТЫ НАД ПРОЕКТОМ
I этап – КОПИЛКА
v объекты рукотворного мира (из бумаги, дерева, пластмассы, стекла);
v иллюстрации разных объектов рукотворного мира (из бумаги, дерева, пластмассы, стекла);
v художественное слово о материалах и объектах рукотворного мира (стихи, загадки, поговорки, рассказы и т.п.).
 |
|||||||
 |
|||||||
 |
|||||||
 |
|||||||
II этап – СОЗДАНИЕ КАРТОТЕКИ
 |
Алгоритм создания картотеки
Объекты рукотворного мира из бумаги
Объекты рукотворного мира из дерева
Объекты рукотворного мира из пластмассы
Объекты рукотворного мира из стекла
III этап – МОДЕЛЬ
На основании полученных знаний, совместно с детьми была разработана «Модель рукотворных материалов»
 |
IV этап – ПРОДУКТ
Продуктом данного проекта является выставка объектов рукотворного мира из различных материалов: «Пластмассовое царство», «Стеклянное королевство», «Деревянное чудо», «Бумажная страна».
V этап – ПРЕЗЕНТАЦИЯ ПРОЕКТА
Приглашены дети группы № 11.
Рассказывают дети – участники проекта:
– На свете много материалов: пластмасса, стекло, дерево, бумага. Мы собрали копилку предметов из этих материалов, затем распределили их по коробкам – создали картотеку по материалам. А сегодня мы представляем вам их выставку.
Гости дорогие, проходите, пожалуйста, на нашу выставку.
Дети группы и гости подходят к столу с предметами из пластмассы.
– Это «Стеклянное королевство».
Дети рассказывают о признаках стекла и читают стихи:
Через стекло все видно:
И речку, и луга,
Деревья и машины,
Людей, собак, дома.
С зайкою стеклянным
Я играть люблю.
Я знаю, что он хрупкий,
Его не уроню.
Хрупкое, прозрачное,
Твердое на вид.
От ветра он закроет,
От стужи утеплит. (Стекло)
Дети группы и гости подходят к столу с предметами из дерева.
 |
– Это выставка «Деревянное чудо».
Дети рассказывают о признаках дерева и читают стихи:
Шкатулка деревянная
На тумбочке стоит.
Мамочка любимая
Колечки в ней хранит.
Деревянный сундучок
Так красив и ярок.
Папа часто из него
Достает подарок.
Висит дощечка расписная,
Она помощница, мы знаем:
Нам овощи нарезать помогла,
Вот для чего она нужна.
Дети группы и гости подходят к столу с предметами из бумаги.
 |
– Это выставка «Бумажная страна».
Дети рассказывают о признаках бумаги и читают стихи:
Бумажные слоны,
Зайчики и елочки,
Детям так нужны!
Бумажные кораблики
Люблю пускать я сам.
Бумажные кораблики
Плывут по ручейкам.
Песня «Бумажная страна»
(муз. И. Николаева)
Есть за морями, за горами
Бумажная страна.
Там из бумаги улицы и стены
Мебель и все дома.
Жители носят из бумаги
Шляпы и зонтики.
Миром бумажным управляют
Бумажные взрослые.
Припев: Бумажная страна,
Бумажная страна.
Мы вам расскажем,
Мы вам покажем
Вот она, вот она!
(Дети показывают на «Бумажную страну»)
ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРОЕКТА
Знакомство детей с другими материалами рукотворного мира, такими как ткань, металл, резина, полиэтилен.
Работы: Все Избранные В помощь учителю Конкурс «Учебный проект» Учебный год: Все 2015 / 2016 2014 / 2015 2013 / 2014 2012 / 2013 2011 / 2012 2010 / 2011 2009 / 2010 2008 / 2009 2007 / 2008 2006 / 2007 2005 / 2006 Сортировка: По алфавиту По новизне
Изучение механических свойств паутинного шелка
В работе автор исследует свойства паутинного шелка и отвечает на вопрос: действительно ли нить паутины настолько прочна, что на нее можно подвесить танк? В работе приводятся доводы «за» и «против», автор исследует механические свойства и делает соответствующие выводы.
Изучение свободных механических колебаний на примере математического и пружинного маятников
В работе определены факторы, влияющие на период и частоту свободных механических колебаний математического и пружинного маятников. Изучена зависимость коэффициента затухания и логарифмического декремента затухания от рода вещества при колебаниях математического и пружинного маятников. Использование поставленных опытов позволяет рассмотреть вопрос о свободных механических колебаниях более наглядно.
В работе изучены свойства изображений, получаемых с помощью собирающей линзы. Экспериментально определено, что в зависимости от расстояния предмета до линзы его изображение может быть мнимым или действительным, прямым или перевёрнутым, увеличенным или уменьшенным, находиться как по одну сторону от линзы, что и предмет, так и по другую сторону от линзы относительно предмета.
Изучение свойств материалов, используемых в местном строительстве
В работе проводится сравнение теплопроводности материалов, используемых в местном строительстве. Делается вывод о самом востребованном строительном материале и его преимуществах. Сделан обзор типичных жилищ разных времен и народов и используемых для их постройки материалов.
Изучение физических свойств средств для мытья посуды
В работе представлены результаты исследования плотности, вязкости, коэффициента поверхностного натяжения жидкостей для мытья посуды некоторых производителей.
Иллюстрированный словарь по физике. 8-й класс
Оформленный в виде презентации, словарь состоит из четырех разделов: тепловые, электрические, электромагнитные явления и изменение агрегатных состояний вещества и включает 58 понятий. Слова расположены в двух каталогах: алфавитном и тематическом и объединены в единый гипертекст. Слайды словаря содержат определение, краткую характеристику, иллюстрацию, расчетную формулу термина, кнопки перехода к каталогам. Некоторые понятия, на которые сделана гиперссылка, можно раскрыть более подробно, перейдя на соответствующий слайд.
Интерактивная презентация "Учёные-физики" с использование Visual Basic for Applications (VBA)
Интерактивная презентация разработана с помощью визуального языка программирования Бейсик для приложений Microsoft Office. Можно применять как на уроках физики, так и на внеклассных мероприятиях.
Интерактивная электронная игра "Проверь себя"
Обучение - очень важный процесс. Но в ходе обучения накапливается усталость, поскольку приходится заучивать много формул, определений, обозначений различных величин и т.д. Решить проблему усталости при заучивании программного материала поможет элемент игры. В данной работе предложена модель игры для проверки знаний учащихся. Описан принцип игры, предложена принципиальная электрическая схема, дан перечень деталей, приложены дидактические материалы.
Информационно-иллюстрированный задачник
Задачник посвящен интеграции двух предметов - физики и биологии. В него вошло 10 задач, которые можно использовать на уроках физики по теме "Механическое движение" в 7-м классе. Приводится познавательный материал о живой природе. Биофизические задачи будут способствовать развитию интереса к физике. Информация представлена в виде текста и иллюстраций.
Использование наземной сельскохозяйственной техники при производстве сельскохозяйственной продукции
Одним из наиболее распространенных методов обработки сельскохозяйственных растений для защиты от болезней и вредителей считается опыление или опрыскивание ядохимикатами. С помощью наземных способов хорошего результата добиться сложно. Для российского сельского хозяйства ситуация во многих регионах усложняется ещё тем, что в хозяйствах просто-напросто нет соответствующего оборудования или оно неисправно. Обработка полей в таких хозяйствах становится большой проблемой. Но очень часто на помощь приходит малая авиация. Авиационная обработка - мероприятие дорогостоящее по отношению к наземным способам обработки, но у неё немало преимуществ.
Использование установок, работающих за счет энергии солнца, в домашних условиях
Жить без электричества очень трудно, но на него уходят большие деньги. Исходя из этого я задумалась, возможно ли производство электричества без существенных затрат. Узнала, что можно использовать энергию солнца, и провела исследование в этом направлении. Собрала сведения о том, какие установки работают за счет солнечной энергии, изучила их. После этого рассчитала количество потребляемой электроэнергии в своей квартире и выяснила, возможно ли использование в ней солнечных батарей.
Исследование амортизационных свойств различных веществ
В работе был проведен сравнительный анализ амортизационных свойств различных материалов. Учитывая, что степень болезненности при ударе зависит от времени удара, для оценки последнего были проведены измерения напряжения между обкладками конденсатора. Объекты исследования: различные виды дорожного и напольного покрытия.
Исследование влияния различных видов воды на рост и развитие растений
В работе исследуется влияние "живой", "мертвой" и святой воды на рост и развитие сельскохозяйственных растений.
Исследование диффузионных свойств вещества в структурированной воде
В последние годы возрастает интерес к необычному свойству воды - ее памяти, она стала объектом исследования многих выдающихся ученых. Влияние структурированной воды на диффузию веществ также мало изучено. В данной работе описана своя методика получения структурированной воды в условиях школьной лаборатории и проведены эксперименты по изучению ее влияния на диффузионные свойства вещества.
Исследование зависимости относительной влажности воздуха в помещении от различных параметров
Исследование зависимости эффективности работы горелки бытовой газовой плиты от режима горения
Цель данного школьного исследовательского проекта – выяснить, как зависит кпд горелки бытовой плиты от расхода газа и соотношения размеров горелки и посуды. Эксперименты проводятся с тремя горелками различного размера с использованием посуды двух диаметров. В сериях опытов нагревание воды производится на каждой горелке с различными расходами газа (контроль по газовому счётчику). Для каждого опыта с помощью электронных таблиц рассчитывается кпд использования топлива, результаты представлены в виде графиков.
Исследование и диагностика наномасштабных объектов
Ознакомление с физическими методами исследования микро- и наномасштабных объектов. Проведение качественного элементного анализа поверхности неизвестной кристаллической структуры методом электронной Оже–спектроскопии с последующей идентификацией.
Исследование и идентификация неизвестного вещества
В работе проведен качественный кристаллографический анализ неизвестной структуры методом Рамановской спектроскопии с последующей идентификацией.
Исследование модельных свойств различных моделей бумажных самолетов
Моё увлечение самолётостроением началось с бумажных моделей. Их мы всем классом делали на уроке труда. В конце урока ребята запустили свои самолётики, и я заметил, что они летят по-разному. Некоторые придерживаются прямой траектории, другие сворачивают в сторону. У меня возник вопрос: «Что заставляет одну и ту же модель лететь по-разному?» И я решил исследовать летательные свойства различных моделей бумажных самолётов. В работе описано проведенное исследование самолетов с разной массой, при разном способе запуска, в различных условиях (закрытое помещение, улица).
Исследование образования кумулятивной струи
Когда физики говорят о кумуляции, они обычно подразумевают кратковременные процессы, например взрывы, и под кумуляцией понимают усиление в определенном месте или направлении действия этих процессов. Но кумулятивные струи жидкости могут появляться не только при взрывах. Поэтому я и решила исследовать особенности взаимодействия «тел произвольной формы с жидкостью» по характеру «всплесков». В работе рассматриваются условия образования кумулятивной струи и факторы, от которых зависит её образование. В качестве объекта исследования рассматривались виды всплесков, образующиеся при падении капли жидкости в жидкость; при падении твердого шарика в жидкость; в зависимости от плотности жидкости и шариков, их радиуса и высоты падения, от высоты падения капли жидкости в жидкость, от времени между отрывами капель; вид всплеска при падении пробирки.
Исследование плотности моржового зуба (клыка)
В проекте проведено исследование плотности моржового зуба (клыка), а также составлены задачи о моржах.
Исследование подготовки пищевых продуктов к контролю на содержание радионуклидов (стронция и цезия)
В работе представлено исследование подготовки пищевых продуктов к контролю на содержание радионуклидов стронция и цезия на примере проб рыбы. Целью данной работы является знакомство с лабораторией, изучение методов анализа сырья, полупродуктов и готовой продукции, изучение приборов и весов, находящихся в лаборатории, радиохимического метода анализа проб пищи.
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.
Литье - это способ изготовления заготовки или изделия заполнением полости заданной конфигурации жидким металлом с последующим его затвердеванием.Заготовку или изделие, получаемое методом литья, называют отливкой.
Литейное производство - основная заготовительная база всех направлений машиностроения. Во многих случаях литье - единственно возоможный способ получения заготовок сложной формь:. Литые заготовки являются наиболее дешевыми, а зачастую имеют минимальный припуск на механическую обработку.
Литье в оболочковые формы.
Литейная форма здесь представляет собой оболочку толщиной 6-10 мм, изготовленную из материала огнеупорной основы (наполнителя) и синтетической смолы в качестве связующего. Принцип получения оболочек заложен в свойствах связующего материала, способного необратимо отверждаться при нагревании. В качестве огнеупорной основы широко используют кварцевый песок. Связующим материалом являются фенолформальдегидные синтетические термореактивные смолы. Литьем в оболочковые формы получают отливки повышенной точности, более лучшего качества поверхности, чем при литье в песчаные формы. Процесс чрезвычайно производителен и легко поддается механизации.
Список использованной литературы
Барташевич А.А. Материаловедение. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008.
Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. – М.: Дашков и Ко, 2008.
Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. – М.: Академия, 2007.
Материаловедение: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Арзамасова Б.Н. – М.: МГТУ им. Баумана, 2008.
Материаловедение: Учебник для СПО. / Адаскин А.М. и др. Под ред. Соломенцева Ю.М. – М.: Высш. шк., 2006.
Материаловедение: Учебник для СПО. / Под ред. Батиенко В.Т. – М.: Инфра-М, 2006.
Моряков О.С. Материаловедение: Учебник для СПО. – М.: Академия, 2008.
Основы материаловедения (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. / Заплатин В.Н. – М.: Академия, 2008.
