Какие материалы применяются в технике?

Ответ на такой вопрос, кажется, всем известен: металл, дерево, пластмассы... Да, действительно, эти материалы широко используются в технике. Однако они далеко не исчерпывают всего богатейшего их набора, применяемого для этих целей.
Природа подарила человеку множество материалов для его трудовой деятельности. Железо, дерево, камень, глина, такие природные полимеры, как лен, хлопок, шерсть, кожа... Они широко используются и сейчас. Но многие из них - в совершенно ином качестве. Новейшие сплавы на основе железа, например, выдерживают невиданные ранее температуры и давления, весьма устойчивы к кислотам и щелочам (агрессивным средам), очень прочны. Недаром они остаются основой машиностроения. Но для железа это еще далеко не предел. Ученые уже нащупывают пути, чтобы сделать его еще прочнее, причем в десятки и сотни раз.
Не обойтись теперь в технике и без других металлов и сплавов. Так, без сплавов на основе алюминия и титана не могли бы летать в небе самолеты и подниматься в космос ракеты. А редкоземельные элементы! Без них не сваришь высококачественной стали, не создашь полупроводникового прибора, электронной лампы и т. д.
Сплавление материалов, которые дала нам природа, лишь один из путей их использования. Есть и другой путь - соединение механическое. Вспомним всем известный железобетон. В нем соединены совершенно разнородные вещества - бетон и сталь. И тем не менее этот "союз" оказался настолько прочным, что из железобетона создают самые долгоживущие сооружения - мосты, плотины, здания. Из него теперь делают даже плавучие причалы, корпуса судов, станины станков.
А вот другой подобный материал - металлокерамика. Здесь сочетание свойств металла и очень твердой жароустойчивой керамики дало прямо-таки удивительные результаты. Достаточно сказать, что некоторые виды металлокерамики выдерживают температуру в несколько тысяч градусов, - когда любая сталь превращается в жидкость.
Ну и, конечно, всем знакомы автомобильные шины, в которых сочетаются каучук с капроном. Они очень прочны, выдерживают сотни тысяч километров дорог.
И еще один путь улучшения традиционных материалов - их обработка при помощи различных физико-химических способов. Мы уже говорили: ученые нащупывают пути, чтобы сделать железо прочнее. Дело в том, что они обнаружили особенности в строении его кристаллической решетки, влияющие на прочность металла. Если эти "нарушения" (дислокации, как их назвали) подправить - сделать кристаллическую структуру более правильной, прочность железа возрастет в сотни раз. Уже выращены в лаборатории кристаллы ("усы") железа, в которых дислокаций почти нет. Это пока только начало большого, очень трудного пути по улучшению многих материалов.
А вот если вещество очистить от всех посторонних примесей - сделать его сверхчистым, оно приобретает новые свойства. Сверхчистые германий и кремний, например, становятся полупроводниками. Причем в зависимости от количества примесей (а они в этих случаях измеряются буквально считанными атомами) их свойства резко меняются. Так, удалось, вводя в кристалл полупроводника нужные атомы, сделать из него сложный электронный прибор со своими диодами, триодами, сопротивлениями. И все это в одном маленьком кристалле!
Сверхвысокие и сверхнизкие давления и температуры тоже резко меняют свойства материалов. Обычное стекло при подобной обработке превращается в ситалл - материал, способный состязаться со сталью по прочности, не боящийся ни ударов, ни больших нагрузок. А из песка после соответствующей его обработки получают силикальцит - строительный материал, не уступающий по своим качествам бетону.
Способов переработки и использования старых, традиционных материалов открыто немало. Но все же на современном уровне развития техники этого оказалось недостаточно. Для специальных целей понадобились совсем новые материалы, с невиданными в природе (свойствами. И они созданы искусственно, их дала химия.
Мы уже говорили (см. ст. "Техника идет вперед") о ее роли в создании синтетических материалов. Их в наши дни появилось множество новых, с заранее заданными свойствами: прочных, эластичных, стойких к кислотам, способных выдерживать высокие и низкие температуры, не боящихся влаги и огня, легко обрабатываемых, дешевых...
Во время прошлой войны говорили: "Нейлон создал тяжелые бомбардировщики". И действительно, не будь изобретены шины с синтетической основой (кордом), нить которой подчас надежнее стальной проволоки, не смогли бы взлетать и садиться на бетонированные дорожки аэродромов огромные самолеты, мчаться по асфальту большие грузовые автомобили.
И это только один пример того, что дает синтетика для развития техники. Таких примеров бесчисленное множество - синтетические технические ткани, детали машин, полупроводники, приводные ремни, канаты, сети, фильтры... всего и не перечислить. А ведь синтетика только-только начинается, ей по существу всего каких-нибудь три десятка лет.
Как видим, арсенал материалов современной техники поистине неисчерпаем. Столь же разнообразны и методы их получения. И все это ведет к одному - к необычайно быстрому развитию техники.

Е.В. Дубровский
В.А. Мезенцев

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

В деревообрабатывающей промышленности использу­ются многие производственные материалы, которые либо целиком состоят из искусственных материалов, на­пример лаки и клеи, либо искусственные материалы яв­ляются их важными компонентами, как, например, пла­стины ламината или древесностружечные плиты. Также готовые детали типа нажимной дверной ручки часто из­готавливаются из искусственных материалов (рис. 2.101).

2.11.1. Структура, обозначения, свойства искусственных материалов

Основными сырьевыми веществами для производства искусственных материалов являются нефть, газ, уголь, вода и воздух. Из них прежде всего производятся хи­мическим путем предварительные продукты, молекулы которых состоят из малого количества атомов, напри­мер, этилен (С2Н2) и формальдегид (СН20). Эти не­большие молекулы называют мономерами.

Благодаря химическому соединению тысяч мономе­ров (моно, от греч. - один) образуются большие моле­кулы, макромолекулы (макро, от греч. - большой). Мак­ромолекулы могут иметь нитевидную структуру или объединяться в пространственные структуры, что для дальнейших свойств искусственных материалов имеет Рис. 2.101. Примеры не­большое значение. Вещества, состоящие из макромо - пользования искусственных лекул, называют полимерами (поли, от греч. - много). материалов

Все искусственные материалы являются полимерами. Искусственные мате­риалы состоят, как и натуральные органические вещества, например хлопок, рог и целлюлоза , в основном из элементов углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О). Поэтому они также относятся к органическим веществам. Однако некоторые искусственные вещества содержат в качестве важного элемента крем­ний. Такие вещества называются силиконами.

В соответствии с DIN EN ISO 1043 и DIN ISO 1629 искусственные материалы имеют условные обозначения, которые ведут свое начало от их химических на­званий. Например, поливинилхлорид обозначают как ПВХ (PVC), полиэтилен как ПЭ (РЕ) и фенолформальдегидная смола как ПФ (PF) (табл. 2.21, 2.22 и 2.23).

Так как искусственные материалы на некоторых стадиях обработки могут де­формироваться пластично, то их также можно назвать пластмассами.

Искусственные материалы - это произведенные химическим способом органические, макро - молекулярные вещества. Они состоят в основном из элементов углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N), хлора (CI), серы (S), фтора (F) и кремния (Si).

Искусственные материалы производят в промышленных масштабах тремя спо­собами: полимеризацией, поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

При полимеризации чаще всего одинаковые мономеры преобразуются в мак­ромолекулы с нитевидной или линейной структурой. Мономеры - это ненасы­щенные углеводородные соединения, например этилен (С2Н2). После разделе­ния двойной связи они могут полимезироваться в длинные молекулярные нити. Из этилена получают полиэтилен (ПЭ) (рис. 2.102).

Полиэтилен (полимер)

Рис. 2.102. Полимеризация (на примере полиэтилена)

Основными полимерами наряду с полиэтиленом (защитная пленка строитель­ных конструкций от коррозии, трубы) являются поливинилхлорид (кантовый профиль, покрытие полов, оконные переплеты) и поливинилацетат (клей ПВА).

Поликонденсацией называется химический процесс получения высокомоле­кулярных соединений из низкомолекулярных исходных веществ, например при реакции фенола (С6Н5ОН) с формальдегидом (СН20), при одновременном выде­лении побочных продуктов (веществ), например воды (Н20) (рис. 2.103).

Основными полимерами, полученными поликонденсацией, являются фенол­формальдегидная смола, резорцино-альдегидный полимер, мочевиноформаль - дегидная смола и полиамиды.

При ступенчатой полимеризации высокомолекулярные соединения, структу­ра которых нитевидная или пространственная, образуются благодаря соедине­нию различных молекул исходных веществ без выделения побочных продуктов, например при реакции диэтилового спирта (С4Н8(ОН)2) с диизоцианатом (С4Н|;(СМО)3).

Основными продуктами ступенчатой полимеризации являются полиуретано­вая смола - клеящее вещество и полиуретановая пена (рис. 2.104).

Благодаря соответствующему химическому составу и способу изготовления искусственных материалов, а также смешиванию различных искусственных ве­ществ можно достичь почти любых свойств материалов.

Типичными свойствами искусственных материалов являются:

Низкая плотность,

Регулируемые механические свойства,

Электрическая непроводимость,

Теплоизоляция,

Коррозионная и химическая стойкость,

Хорошая деформируемость и обрабатываемость,

Хорошая окрашиваемость,

Гладкие, декоративные поверхности.

Искусственные материалы имеют также свойства, которые ограничивают их применение:

В основном низкая термостойкость,

Частично воспламеняющиеся,

В основном невысокая прочность,

Частично неустойчивы против растворителей.

Высокая сопротивляемость искусственных материалов хоть и является пре­имуществом в случае их применения, но служит недостатком при их утилизации. Из-за возрастания количества применяемых продуктов из искусственных мате­риалов их утилизация стала проблемой для охраны окружающей среды.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США.

В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат.

Также были внедрены в массовое производство полиуретаны наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

К атегория: Выбор стройматериалов

Искусственные материалы

Искусственные инертные материалы - это либо отходы промышленных предприятий (доменные и котельные шлаки, терриконники, кирпичный бой, черепица и т. д.), либо специально изготовленные изделия (дорожный клинкер, кирпич, железобетонные дорожные плиты и поребрик и т. д.).

Доменные и мартенные шлаки - являются побочным продуктом при выплавке чугуна и стали с твердой и плотной структурой, который при ударе разбивается на щебень. Шлаковым щебнем улучшают дороги в местах весенних деформаций (пучин). Он обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, способствуя тем самым меньшей глубине промерзания проезжей части. В дорожном строительстве в основном для создания оснований дорог применяют кислые шлаки, т. е. бедные известью и не подвергающиеся известковому распаду.

Котельные шлаки (гарь) - являются отходом при сгорании каменного угля в топках котельных, паровозов. Лучшей считается гарь, полученная от сжигания жирных каменных углей - она пориста, не твердая, темного цвета. Применяется в качестве оснований дорожек и площадок, верхнего слоя беговых дорожек и набивных футбольных полей. Из топливной гари готовят шлакоблочные изделия.

Кирпичный бой или щебень - отходы кирпичной промышленности при недожоге или пережоге кирпича, переработанные на камнедробилкев щебень. Красный кирпич однородного обжига - наиболее хороший исходный материал. В его составе допустимо наличие пережженного кирпича («железняка») до 30%.

Недожженный кирпич («недокал») не отличается крепостью и легко размокает, поэтому предел его допустимого содержания в щебне не более 10-15%. В садово-парковом строительстве применяют кирпичный щебень фракции 15-20 мм для оснований дорожек и площадок, а также кирпичную крошку фракции 0,1-5 мм для основополагающего материала специальных смесей спортивных площадок.

Кирпич клинкерный - искусственный камень с высокой прочностью, вырабатываемый из глины путем ее обжига при высоких температурах и обдуве. Применяется для устройства покрытий дорожек и тропинок, клинкерная крошка - основной материал для покрытия теннисных кортов.

Кирпич строительный - искусственный камень со средней прочностью, получаемый из глины путем обжига. Широко применяется для устройства подпорных стенок, бордюров, покрытий и нешироких дорожек, цветников.

Черепица - отходы производства покрытия сооружений, морозостойка и долговечна. Используется в молотом виде с крупностью зерен до 15 мм в основании набивных безгазонных полей и с крупностью зерен до 5 мм для создания верхнего покрова спортивных плоскостных сооружений.

Пиритовые огарки - отходы химической промышленности, работающей на железном или серном колчедане мелкозернистой структуры, темно-фиолетового цвета с розовым оттенком. Могут быть рядовыми с фракцией 1-10 мм и флотационными с фракцией менее 2 мм, состоят в основном из окиси железа - 95-97 % и серы 2,5-5 %. Являются антисептирующим материалом, предохраняющим древесину от гниения. Смесь из пиритовых огарков и опилок используют для устройства нижнего, упругого слоя плоскостных спортивных сооружений. Чтобы на дорожках и площадках с мягким покрытием не росла трава, следует вводить в специальную смесь верхнего слоя 5-10 % пиритовых огарков, прогрохоченных через грохот с ячейками 5×5 мм.

Зола угольная - продукт сгорания размельченного каменного угля в топках электростанций. Представляет собой порошок темно-серого цвета, содержащий мелкие песчаные и пылеватые частицы. Используется в смеси верхних мягких слоев дорожных одежд (до 70 % общего объема). Такой покров хорошо фильтрует влагу и делает покрытие мягким.

Шлам - отходы при производстве глинозема; мелкие, пористые, угловатые или окатанные камешки фракцией до 10 мм, розоватого или темно-красного цвета. Наиболее дешевый материал для верхнего покрытия дорожек и площадок.

- Искусственные материалы