Moskva, Moscow, Russian Federation
The raw material resources of vital products production are considered and the inevitability of switching to renewable sources of raw materials for human life support is justified.
metals, nonmetals, uranium, hydrogen, carbon.
Прогресс человечества неразрывно связан с его умением производить и использо-вать жизненно важные материалы. В истории цивилизации такого рода материалы опре-деляли название целых эпох: каменный век, бронзовый век, железный век. С начала про-мышленной революции в конце 18-го в. и по настоящее время сплавы железа с углеро-дом – сталь и чугун – являются основными конструкционными материалами для изготов-ления деталей машин и технологического оборудования во всех отраслях промышленного производства.
Около 90% конструкционных материалов создано на основе металлов и только 10% имеет в своей основе неметаллические вещества. Такое соотношение отражает объектив-ные закономерности реального мира. Из всех химических элементов, представленных в периодической системе Д.И. Менделеева, только 92 элемента встречаются в естественных условиях в природе, а не созданы искусственно. Из них 80 элементов являются металла-ми, из числа которых 65 элементов находят активное применение в технике. Среди метал-лических материалов преобладают черные металлы, к которым относят железо и его спла-вы.
Остальные металлы составляют лишь около 10% общего количества машинострои-тельных материалов на металлической основе. Их условно относят к цветным металлам. В отраслях массового машиностроения наиболее широко применяются сплавы на основе меди и алюминия. Остальные металлы используются в технике в соответствие со своими специальными свойствами. Среди них можно выделить легкие (магний, титан), тугоплав-кие (вольфрам, молибден и др.), легкоплавкие (свинец, олово и др.), радиоактивные (уран, радий и др.), благородные (золото, серебро и др.) металлы.
Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержатся в зем-ной коре в ощутимых количествах: запасы железа, сплавы которого количественно преоб-ладают в номенклатуре машиностроительных материалов, составляют 4,65%, а алюми-ния, сплавы которого занимают второе место по объему производства и потребления, в земной коре чуть ли не в два раза больше – 8,8 %. Достаточно много содержится и магния – 2,1%. Содержание кремния в земной коре составляет 26%, это самый распространен-ный в природе химический элемент.
Запасы других металлов, без которых невозможно повысить технические характе-ристики сплавов черных металлов до приемлемых для конструкционного применения значений, оценивается лишь в долях процента: титан 0,63%; хром 0,02%; медь и никель по 0,01%; вольфрам 0,0001%. Особенно бедна природа благородными металлами.
Природные ресурсы неметаллических материалов более внушительны. Земная кора состоит главным образом из кремнезема и солей кремневой кислоты – силикатов. Многие силикаты и соединения кремния с другими химическими элементами входят в состав тех-нической керамики, свойства которой имеют не только конструкционное, но и функцио-нальное применение. Из природных силикатов слюда используется: как электроизолятор, асбест служит огнеупором. Химическое соединение кремния с углеродом (карбид крем-ния, который носит техническое название карборунд) имеет высокую твердость и приме-няется в качестве абразивного инструмента. Силикаты служат сырьем для производства стекла. Стеклянные волокна являются одним из компонентов стеклопластиков, которые с успехом заменяют металл в машиностроении, а также служат основой волоконной оптики.
В последние годы активно развивается новое направление материаловедения – тео-рия и практика применения композиционных материалов, которые в ряде случаев сочета-ют в себе металлические и неметаллические вещества. Объем их производства можно оце-нить как 5% общего количества конструкционных материалов, а уровень применения как стадию широкого промышленного опробования в отраслях массового машиностроения и устойчивого роста масштабов использования в передовых отраслях специального маши-ностроения.
Общий объем технического, а не только машиностроительного, применения материалов больше соответствует уровню их ресурсного обеспечения исходным сырьем (табл.). Доля металлических материалов составляет лишь около 3% по объему и около 13% по весу в общем количестве потребляемых мировым сообществом материалов. Свыше 90% объема потребностей человеческого общества в материалах удовлетворяется керамикой с практически неограниченным ресурсным обеспечением и древесиной, которая является возобновляемым природным ресурсом.
Таблица
Мировое потребление основных видов материалов
|
Показатель |
Металлы |
Полимеры |
Керамика |
Древесина |
|
|
черные |
цветные |
||||
|
Масса, млн т,(%) Объем, млн м3 (%) Стоимость, % |
810 (12) 104 (2,5) 50,8 |
80 (1,2) 1,8 (0,4) 7,9 |
110 (1,8) 100 (2,4) 17,6 |
4200 (62) 2000 (44,9) 17,3 |
1600 (23) 2300 (49,8) 6,4 |
Однако даже практически неограниченные на наш век сырьевые ресурсы производ-ства материалов не беспредельны, они конечны. После завершения выработки доступных сырьевых ресурсов человечество будет вынуждено обратиться к материалам из возобнов-ляемого сырья. Одним из таких материалов является древесина, потенциальные возмож-ности технического применения которой в машиностроении не до конца осознаны инже-нерно-технической общественностью.
В качестве машиностроительного материала нового поколения представляет инте-рес модифицированная древесина. Модифицированной называют цельную древесину с направленно измененными свойствами. Для модифицирования используют физические, химические, радиационные или комбинированные методы.
Накоплен определенный опыт использования древесных материалов в машинострое-нии. Наибольшее внимание машиностроителей привлекала прессованная древесина. Ос-новной сферой ее машиностроительного применения были антифрикционные детали уз-лов трения. Как главное преимущество прессованной древесины по сравнению с традици-онными антифрикционными материалами отмечают ее работоспособность в абразивных средах. Определены рекомендованные значения нагрузок и скоростей скольжения анти-фрикционных деталей из прессованной древесины для различных смазочных средств. Об-ратим внимание, что в условиях низких нагрузок и скоростей скольжения узел трения с деталями из прессованной древесины может работать вообще без смазки. Кроме того, прессованная древесина вследствие своего строения хорошо поглощает энергию удара и вибрации. Поэтому для работы в условиях вибрационных нагрузок детали машин из прессованной древесины предпочтительнее, чем детали из традиционных материалов кон-струкционного назначения.
Конструкторам хорошо известно, что металлические материалы при эксплуатации в условиях низких температур области резко теряют пластичность, поэтому основным кри-терием выбора конструкционного материала для работы в арктических широтах служит порог хладноломкости. Примечательной особенностью древесных материалов является необычное поведение в условиях воздействия низких температур. Для прессованной дре-весины при отрицательных температурах в районе -60°С допустимая нагрузка на изготов-ленные из нее детали узлов трения возрастает в 2 раза, а коэффициент трения резко сни-жается. Это позволяет рекомендовать прессованную древесину для изготовления анти-фрикционных деталей узлов трения машин, механизмов и технологического оборудова-ния, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях Крайнего Севера. Практи-ческая реализация данной рекомендации обеспечит повышенную работоспособность и надежность машиностроительной продукции в условиях вечной мерзлоты и абразивных рабочих сред при минимальных затратах. Машиностроительное применение модифициро-ванной древесины особенно актуально для обживания необъятных арктических просторов нашей страны.
Отметим еще один аспект рассматриваемой проблемы.
Функционирование изготовленных из конструкционных материалов машин и техно-логического оборудования по производству жизненно важных продуктов для комфортно-го существования человека требует непрерывного снабжения их энергией. Выработка энергии также основана преимущественно на использовании невозобновляемых сырьевых ресурсов. Основной источник энергии для человечества в настоящее время – сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружаю-щую среду: угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем атомная такой же мощности. Альтернативные способы выработки энергии, основанные на природ-ных неисчерпаемых ресурсах (использование энергии солнца и ветра, гидроэнергетика) не получили должного развития и занимают скромное место в мировом балансе потребляе-мой энергии. Атомная энергетика минимизировала потребление сырьевых ресурсов, одна-ко она также основана на использовании ограниченного природой сырьевого ресурса – урана, которого в земной коре содержится всего 0,0003%.
Современная цивилизация основана на использовании электроэнергии, сырьевые ис-точники производства которой ограничены. Альтернативой энергетическому голоду счи-тают производство электроэнергии в процессе термоядерного синтеза химических элемен-тов. В отличие от атомных реакторов, где происходит процесс распада ядер тяжелых хи-мических элементов с образованием более легких элементов, термоядерные реакторы осу-ществляют синтез тяжелых элементов из легких. Выход энергии на единицу массы ядер-ного вещества в реакциях синтеза в несколько раз больше, чем в реакциях деления. Это основная причина исключительного внимания научно-технического сообщества к науч-ным и опытно-конструкторским работам в данной области.
Термоядерная энергетика имеет ряд потенциальных преимуществ перед получивши-ми широкое распространение атомными реакторами:
– доступное и практически неисчерпаемое сырье. Это водород и его изотопы: тритий и дейтерий. В частности, 1 г дейтерия содержится в 60 литрах воды;
– радиационная безопасность. Атомный реактор содержит десятки тонн радиоактив-ного топлива, которое преобразуется в радиоактивные отходы. Термоядерный реактор использует лишь один радиоактивный изотоп водорода – тритий и только в граммовых количествах, а продуктами термоядерного синтеза являются нерадиоактивные и неток-сичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от потенциально взрывоопасных атомных реакторов, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва.
Практической реализации потенциальных преимуществ термоядерной реакции пре-пятствуют специфические термодинамические условия ее протекания – она возможна только при температуре рабочего тела свыше 100 млн град. (размерность в град. К или °С в данном случае несущественна). Поэтому данная разновидность ядерной реакции и полу-чила соответствующую приставку – термо…Такие температуры ни один из существую-щих на Земле материалов не выдержит. Поэтому термоядерную реакцию осуществляют в импульсном режиме, а водородную плазму в термоядерном реакторе удерживают при помощи магнитного поля. Материал первой стенки (обращенной к высокотемпературной водородной плазме) должен обладать минимальным значением катодного распыления, чтобы не загрязнять плазму примесями. Примеси излучают энергию, что снижает темпе-ратуру плазмы ниже порогового значения и термоядерная реакция затухает.
Такой материал нами создан. Он называется объемный углеродный наноматериал
(BCN – Bulk Carbon Nanomaterial).
Сырьевые ресурсы углерода широко представлены в природе. Его общее содержание в земной коре составляет 0,35%. Он содержится как в свободном виде (природные алмаз и графит), так и в виде химических соединений, которые входят в состав ископаемых топ-лив (уголь и нефть), а также различных горных пород. Природный газ также состоит из химических соединений углерода с водородом, обычно в нем содержится свыше 90% ме-тана. Кроме того, углерод является основой органической жизни, он является важнейшим элементом растительного и животного мира Земли. В воздухе всегда имеется углекислый газ (химическое соединение углерода с кислородом). Углекислый газ в огромных коли-чествах выделяют живые организмы и поглощают растения и деревья, а также он выбра-сывается в атмосферу в процессе сжигания органического топлива (дрова, торф, уголь, мазут, бензин, керосин и др.).
Среди других химических элементов углерод выделяется многочисленностью и раз-нообразием своих химических соединений. Число его только изученных соединений при-мерно в 50 раз превышает суммарное количество химических соединений всех остальных элементов вместе взятых. Многие из химических соединений углерода имеют техничес-кое применение. Широкое применение в машиностроении получили полимеры – химичес-кие соединения, в основе которых лежит гигантская цепочка из атомов углерода.
Применение BCN позволило существенно улучшить технико-экономические показа-тели термоядерных реакторов типа Токамак, где он заменил сплав вольфрам - рений в конструкции диффузора реактора. Диффузор из BCN в течение многих лет эксплуатации термоядерных реакторов типа Токамак серий Т-4, Т-3М, Т-7 и последующих серий успеш-но ограничивал рабочее тело реактора из дейтерий-тритиевой плазмы с температурой свы-ше 100 млн град. Он успешно выдерживает 8000 рабочих циклов термоядерного реактора без следов разрушений.
Замена сплава вольфрам - рений на BCN обеспечила уменьшение потери мощности на излучение плазмы в 3 раза, увеличение количества полезных имульсов в 5 раз и сниже-ние интенсивности рентгеновского излучения в 20 раз. В пересчете на применение BCN в качестве материала обращенной к водородной плазме стенки термоядерного реактора электростанции тепловой мощностью 5 тыс. МВт это означает выработку дополнительно-го количества бесплатной электрической энергии в объеме 10 млрд кВт·ч/год.
В данном проекте реализован весь комплекс уникальных свойств BCN. Определяю-щим преимуществом, обеспечившим принципиальную возможность применения BCN в столь жестких условиях, являются его низкие эмиссионные свойства. По стойкости к ка-тодному распылению он в 15 раз превосходит лучшие углеродные материалы традицион-ной технологии.
В представленной статье вкратце изложена мировоззренческая позиция автора, по-служившая основой для написания учебного пособия для вузов «Машиностроительные материалы нового поколения», которое выходит в издательстве Инфра-М. Пособие пред-назначено для студентов технических вузов, ориентированных на создание новой техники. Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС ВПО-27-Материаловедение по спе-циальности: «Материаловедение и технологии материалов в специальном машинострое-нии». Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занятым разра-боткой и эксплуатацией объектов новой техники.
Дидактический материал, вошедший в учебное пособие, использовался автором в течение многих лет для проведения занятий со студентами Университета машиностроения (ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет»).
Выводы
1. Сырьевые ресурсы производства и функционирования машин и технологического оборудования для обеспечения жизнедеятельности населения Земли конечны.
2. Альтернативой сырьевому голоду является постепенный переход на неметаллические материалы конструкционного назначения и возобновляемые сырьевые ресурсы.
3. Альтернативой энергетическому голоду можно считать постепенный переход на возобновляемые (солнечная энергетика, гидроэнергетика, ветрогенераторы и др.) и неограниченные (ядерный синтез) источники энергии.
1. Volkov G.M. Mashinostroitel'nye materialy novogo pokoleniya: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov – M.: Infra-M, 2017. – 240 s.
2. Zhabrev V.A. (red.) Steklo i keramika HH1: perspektivy razvitiya – SPb: Yanus, 2011. – 303 s.
3. Klimov A.N. Yadernaya fizika i yadernye reaktory: uchebnik dlya vuzov. - 3-e izd., pererab. i dop. - M.: Energoatomizdat, 2002. – 464 c.
4. Rifkin Dzh. Esli nefti bol'she net... Kto vozglavit mirovuyu energeticheskuyu revolyuciyu? - M.: Sekret firmy, 2006. – 416 s.
5. Sibikin Yu.D. , Sibikin M.Yu. Netradicionnye i vozobnovlyaemye istochniki energii: uchebnoe posobie - M.: KnoRus , 2010. – 232 s.
6. Starostin V.I. Mineral'nye resursy i civilizaciya – M.:, MAKS Press, 2014. – 160 s.
7. Subbotin M.L., Kurbatov D.K., Filimonova E.A. Obzor sostoyaniya issledovaniy demonstracionnyh termoyadernyh reaktorov v mire // Voprosy atomnoy nauki i tehniki, Ser. Termoyadernyy sintez, 2010, vyp. 3. – S. 55–74.
