The article considers nonmetallic and composite materials of the new generation intended for use as responsible parts of new equipment products. For each type of considered material, the classification, technological principles for designing the technical potential, basic properties and illustrative examples of the practical implementation of properties in technical devices for a variety of purposes are given. The following types of materials are presented: technical ceramics, structural graphite, composite materials, nanopowders, bulk nanomaterials, wood.
materials science, materials technology, special machinery, traditional metal materials, non-metallic materials, composite materials.
Прогресс человечества неразрывно связан с его умением производить и использовать жизненно важные материалы. В истории цивилизации такого рода материалы определяли название целых эпох: каменный век, бронзовый век, железный век. С начала промышленной революции в конце 18-го в. и по настоящее время сплавы железа с углеродом – сталь и чугун – являются основными конструкционными материалами для изготовления деталей машин и технологического оборудования во всех отраслях промышленного производства. Это означает, что мы продолжаем жить в железном веке.
Бурный рост промышленного производства потребовал создания новых материалов, отсутствие которых тормозило дальнейшее развитие техники. 20-й в. ознаменован созданием полимеров – принципиально новых материалов, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. В настоящее время полимеры широко применяются в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и во многих других отраслях промышленного производства. Инженерно-техническое сообщество успешно освоило технологические особенности их технического применения и уже считает полимеры вполне традиционным материалом.
Между тем работоспособность конструкций атомной и термоядерной энергетики, а также ракетно-космической техники могут обеспечить только материалы с уникальным сочетанием физико-механических и теплофизических свойств, способные работать в экстремальных условиях эксплуатации. Широкое развитие информационных технологий в самых разных сферах деятельности тоже стало возможным только с появлением новых материалов с особыми электрофизическими свойствами.
Таким образом, материаловедение является одной из важнейших приоритетных наук, определяющих технический прогресс человечества. Материаловедение издавна входит в число основных дисциплин, формирующих инженерное образование студентов технических высших учебных заведений. В обязательный перечень предметов для подготовки инженеров, специализирующихся в области металлургии, и инженеров машино- и приборостроительного профилей всегда входил предмет «Металловедение». Бурный рост промышленности в 20-м в. привел к созданию новых, в том числе неметаллических материалов с самыми различными свойствами, что нашло отражение в самом названии дисциплины – она стала называться «Материаловедение». Тем не менее, большинство учебников и учебных пособий для студентов технических вузов продолжает уделять основное внимание традиционным сплавам черных металлов, отражая многолетний практический опыт научно-исследовательской и производственной деятельности авторов многих учебно-методических изданий по техническим заданиям отраслей массового машиностроения.
Все многообразие материалов, применяемых в современной технике, по химическому составу можно разделить на традиционные металлические, а также неметаллические и композиционные материалы, которые могут сочетать в своем составе металлические и неметаллические химические элементы. Такая классификация отражает исторический путь реализации запросов техники в создании материалов с прогрессивным для своего времени уровнем потребительских свойств.
В учебном пособии для студентов вузов известного специалиста в данной отрасли [1–5 и др.] Волкова Г.М. «Машиностроительные материалы нового поколения» [6] рассмотрены неметаллические и композиционные материалы нового поколения, предназначенные для использования в качестве ответственных деталей изделий новой техники. Использован многолетний личный опыт научно-исследовательской и производственной деятельности автора по обеспечению машин и технологического оборудования передовых отраслей машиностроения конструкционными материалами, работоспособными в экстремальных условиях эксплуатации.
По каждому виду рассмотренных материалов приведена классификация, технологические принципы конструирования технического потенциала, основные свойства и наглядные примеры практической реализации свойств в технических устройствах самого разного назначения.
Рассмотрены следующие виды материалов: техническая керамика, конструкционный графит, композиционные материалы, нанопорошки, объемные наноматериалы, древесина.
Техническая керамика обеспечивает работоспособность многих технических устройств химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), электротехнической промышленности (изоляторы), инструментальной промышленности (абразивные материалы), в высокотемпературной технике многих передовых отраслей машиностроения (энергомашиностроение, авиация, ракетная техника и др.).
Конструкционный графит. Уникальные свойства графита обеспечивают его широкое применение в современной технике. В машиностроении графит используется не только в виде самостоятельного конструкционного материала для изготовления деталей наиболее ответственных узлов машин и механизмов, но и в качестве вспомогательного материала в разнообразных технологических процессах формования металла в виде деталей определенной конфигурации, а также является важнейшим компонентом композиционных материалов, которые широко применяются в передовых отраслях современного машиностроения. Конструкционный графит обеспечивает работоспособность как многих узлов и агрегатов массового машиностроения, так и решает многие проблемы создания принципиально новых машин и механизмов современной техники.
Композиционные материалы. Создание и эксплуатация современных технических устройств предъявляет повышенные требования к материалам. Свойства металлических и неметаллических материалов по отдельности в большинстве случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Только грамотное сочетание в едином материале требуемых свойств различных веществ как металлической природы, так и неметаллов как органического, так и неорганического происхождения позволяет сознательно конструировать состав и структуру материала с заранее заданными свойствами. Такие материалы, в отличие от материалов традиционной технологии, получили название композиционных материалов или сокращенно композитов. К ним относятся как получившие широкое применение в быту и используемые в промышленности пластмассы, а также порошковые твердые сплавы, имеющие преимущественно производственное применение, так и современные материалы для авиа- и ракетостроения, а также для других областей новой техники.
Композиционные материалы с волокнистым наполнителем открывают новую степень свободы в работе конструктора. При использовании традиционных материалов конструктор вынужден проектировать конструкцию или деталь машины исходя из справочных данных по свойствам выбранного материала. Для композиционного материала проектирование детали непосредственно связано с конструированием материала со свойствами, заданными условиями работы детали. Конструктор получает возможность усиливать материал детали в наиболее нагруженных направлениях. Для этого в пособии приведены сведения по микромеханике композитов и схемы армирования матрицы волокнистым наполнителем.
Композиты по праву называют материалом будущего, они представляют новую ступень в развитии материаловедения. Поэтому каждый студент технического вуза независимо от выбранной специальности должен иметь общее представление о технологических принципах конструирования и потенциальных возможностях композиционных материалов.
Нанопорошки. Приставка «нано-» переводится с греч., как «карлик», 1 нанометр равен 1.10-9 м.
К наноразмерным принято относить дисперсные частицы вещества, если их геометрические размеры хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм. На рынке нанопродукции свыше 90% занимают нанопорошки, в настоящее время объём платежеспособного спроса нанопорошков на мировом рынке составляет около 55 тыс. т/год. Техническое применение нанопорошков основано на использовании их функциональных свойств. Наиболее впечатляющих технико-экономических результатов достигло промышленное применение сорбентов с узкими пределами распределения пористости в наноразмерном интервале. Они находят широкое применение в технологических процессах катализа, фильтрации и разделения веществ, в том числе в технологии добычи и переработки нефти. Нанообъекты различного химического состава применяют также в машиностроении (зонды туннельного сканирующего микроскопа, наноразмерные двигатели, антифрикционные добавки, аккумуляторы водорода и др.), электронике (сенсоры, эмиттеры, системы записи информации, сверхпроводники и др.), медицине (сорбенты микробов, покрытия имплантов, нанороботы и др.). Следует иметь в виду, что процессы получения и технического применения наноразмерного вещества требуют многократного повышения культуры труда, так как требования к точности исполнения технологических операций повышаются на порядок, по сравнению даже с передовой организацией трудового процесса, как, например, на современных заводах электронной техники.
Объемные наноматериалы. Создание принципиально новой техники предъявляет еще более жесткие требования к машиностроительным материалам. Для ее создания необходимы материалы, конструкционные свойства которых многократно превышают существующий уровень. Между тем анализ экспериментальных работ по упрочнению наиболее широко применяемых в машиностроении металлических материалов показывает, что традиционные способы повышения их технических характеристик практически исчерпали себя. Возможный успех технологических проектов по многократному повышению прочности материала блокируется столь же резким снижением его пластичности. Аналогичные проблемы с повышением уровня свойств конструкционных материалов традиционными способами отмечены и в других областях материаловедения. Можно предположить, что в обозримом будущем от традиционных способов модифицирования конструкционных материалов трудно ожидать революционного изменения уровня потребительских свойств материалов, хотя эволюционное улучшение их технических характеристик вполне закономерно и возможно.
Предлагаемый выход из данного технологического тупика основан на реализации в потребительских свойствах машиностроительных материалов нового поколения потенциальных возможностей наноразмерного состояния вещества. Дополнение традиционной технологии потенциальными возможностями нанотехнологии позволяет многократно превысить достигнутый уровень их потребительских свойств.
Нанопорошки для создания возможности их практического использования в реальных конструкциях необходимо компактировать в объемный материал. Технология компактирования включает в себя большое количество операций, что резко увеличивает продолжительность и стоимость технологического цикла производства конечного продукта. Это сильно удорожает материал и делает возможность его промышленного применения дискуссионным.
Нами предложены теоретические основы моностадийной технологии объемных наноматериалов конструкционного назначения. Экспериментальная проверка теоретических положений выполнена на примере углерода в аллотропной модификации графита, что представляет значительный теоретический и практический интерес. По предлагаемой технологии наноразмерный наполнитель формируется одновременно с матрицей в одном и том же химическом реакторе, т.е. технология является моностадийной: в реактор поступает сырье, а из реактора выходит конечный продукт – обьемный наноматериал. Этим предлагаемая технология принципиально отличается от традиционно многостадийной технологии компактирования наноразмерного наполнителя. Предлагаемая технология позволяет практически при тех же экономических затратах получать обьемный наноматериал вместо нанопорошка..
Полученный по предлагаемой технологии объемный углеродный наноматериал не имеет аналогов в мире и превосходит известные материалы по технологии, комплексу потребительских свойств, диапазону применения и техническому потенциалу. Наноразмерная структура придает материалу уникальные свойства, востребованные в современном машиностроении. Он многократно превосходит: углеродные материалы традиционной технологии – по техническим характеристикам до 300 раз, вольфрам – по высокотемпературной удельной прочности до 5 раз. Кроме того, он химически и биологически инертен, газонепроницаем, работоспособен в условиях радиации, по электрохимическому потенциалу близок к благородным металлам – золоту и платине.
Уникальные свойства и технический потенциал углеродного наноматериала востребованы как в самых смелых проектах человечества (искусственный клапан сердца, термоядерный реактор), так и в традиционном машиностроении (торцевые уплотнения высокотемпературных агрессивных сред, антифрикционные вкладыши газодинамических подшипников и др.) при создании техники нового поколения. Конструктивное оформление ответственных узлов машиностроительной продукции с использованием углеродного наноматериала придают конечному продукту технические характеристики выше мирового уровня, обеспечивая его работоспособность в экстремальных условиях эксплуатации. Например,
– торцевое уплотнение энергонапряженных узлов трения работоспособно при рабочих температурах агрессивных сред до 2000°С;
– запирающий элемент и седло искусственного клапана сердца испытывают 40 млн двойных ударов в год. По результатам стендовых испытаний рабочий ресурс клапанов соизмерим с продолжительностью жизни человека с 5-кратным запасом;
– диафрагма термоядерного реактора серии «Токамак» центрирует водородную плазму с температурой выше 100 млн град. Детали выдерживают 8 тыс. тепловых импульсов без следов разрушений.
В учебном пособии рассмотрены основные варианты реализации предлагаемых теоретических положений и технологических принципов для создания широкой гаммы объемных наноматериалов системы наполнитель-матрица другого химического состава с не менее уникальными свойствами.
Древесина. Около 90% конструкционных материалов создано на основе металлов. Среди металлических материалов преобладают черные металлы, к которым относят железо и его сплавы. Они широко применяются во всех отраслях техники для изготовления деталей машин и оборудования, а также для производства инструмента, строительных конструкций и бытовых изделий. Однако сырьевые ресурсы производства традиционных конструкционных материалов не беспредельны, они конечны.
Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержатся в земной коре в ощутимых количествах: алюминий 8,8%; железо 4,65%; магний 2,1%; титан 0,63%. Содержание других металлов оценивается в долях процента: хром 0,02%; медь и никель по 0,01%; уран 0,0003%; вольфрам 0,0001%. Особенно бедна природа благородными металлами.
После завершения выработки доступных сырьевых ресурсов человечество будет вынуждено обратиться к материалам из возобновляемого сырья. Одним из таких материалов является древесина, потенциальные возможности технического применения ее в машиностроении не до конца осознаны инженерно-технической общественностью.
В качестве машиностроительного материала нового поколения представляет интерес 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 машиностроении. Наибольшее внимание машиностроителей привлекала прессованная древесина. Основной сферой ее машиностроительного применения были антифрикционные детали узлов трения. Как главное преимущество прессованной древесины по сравнению с традиционными антифрикционными материалами отмечают ее работоспособность в абразивных средах. Определены рекомендованные значения нагрузок и скоростей скольжения антифрикционных деталей из прессованной древесины для различных смазочных средств. Обратим 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 конструкционного назначения.
Конструкторам хорошо известно, что металлические материалы в низкотемпературной области резко теряют пластичность, поэтому основным критерием 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 древесины при отрицательных температурах в районе – 60°С допустимая нагрузка на изготовленные из нее детали узлов трения возрастает в 2 раза, а коэффициент трения резко снижается. Это позволяет рекомендовать прессованную древесину для изготовления антифрикционных деталей узлов трения машин, механизмов и технологического оборудования, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях Крайнего Севера. Практическая реализация данной рекомендации обеспечит повышенную работоспособность и надежность машиностроительной продукции в условиях вечной мерзлоты и абразивных рабочих сред при минимальных затратах.
Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов, ориентированных на создание новой техники. Основанием для создания учебного пособия было выбрано ФГОС ВПО-27-Материаловедение по специальности: «Материаловедение и технологии материалов в специальном машиностроении». Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занятым разработкой и эксплуатацией объектов новой техники.
1. Volkov G.M. Rashodnye materialy novogo pokoleniya dlya holodnoy molekulyarnoy svarki [Tekst] / G.M. Volkov // Konversiya v mashinostroenii. – 1999. – № 1. – S. 49.
2. Volkov G.M. Tehnologicheskie problemy perehoda ot mikro- k nanonosistemam konsolidacii dispersnyh chastic veschestva [Tekst] / G.M. Volkov // Nano- i mikrosistemnaya tehnika. – 2006. – № 5. – S. 2–8.
3. Volkov G.M., Zuev V.M. Materialovedenie [Tekst]: uchebnik dlya studentov vysshih tehnicheskih uchebnyh zavedeniy, obuchayuschihsya po nemashinostroitel'nym napravleniyam i special'nostyam / G.M. Volkov, V.M. Zuev. – M.: Akademiya, 2008. Ser. Vysshee professional'noe obrazovanie.
4. Volkov G.M. Materialovedcheskaya koncepciya perevooruzheniya otechestvennogo mashinostroeniya [Tekst] / G.M. Volkov // Tehnologiya mashinostroeniya. – 2012. – № 7. – S. 5–9.
5. Volkov G.M. Materialovedcheskie predposylki sozdaniya mashinostroitel'noy produkcii novogo pokoleniya [Tekst] / G.M. Volkov // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta MAMI. – 2012. – T. 2. – № 2 (14). – S. 41–51.
6. Volkov G.M. Mashinostroitel'nye materialy novogo pokoleniya Tekst: uchebnoe posobie / G.M. Volkov. – M.: NIC INFRA-M, 2017.
