К вопросу о конкурентоспособности заменителей металла Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

РАЗДЕЛ 3.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ УДК 669.018.29

К ВОПРОСУ О КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ЗАМЕНИТЕЛЕЙ МЕТАЛЛА Корохов В.Г., к. т.н., профессор НАПКС, Бусарова Н.Я., инженер

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Приводится анализ и сопоставление внутреннего строения, определяющего физические, механические и другие ценные свойства, применяемых металлических конструкционных материалов и класса новых материалов. Широко применяемые в различных отраслях техники металлические сплавы на основе железа, меди, алюминия, титана постепенно исчерпывают свои возможности в удовлетворении постоянно возрастающих требований техники к свойствам металлических конструкционных материалов. Выгодно отличаются и значительно превосходят по этим свойствам вновь получаемые материалы на основе углерода, такие как наноалмазы, графен, фуллерен, нанотрубки, таунит, позволяющие повысить не только надежность и долговечность конструкции, но и обеспечить их миниатюризацию и значительно больший диапазон возможностей.

Металл, сплавы, прочность, износостойкость, графен, нанотрубки.

Введение

Для получения конструкционных материалов с требуемыми свойствами металловеды и металлурги тысячелетиями трудились над поиском состава и способа преобразования внутреннего строения металлических сплавов. С развитием техники и науки требования к конструкционным материалам непрерывно возрастали. Соединением различных металлов между собой, и с неметаллическими химическими элементами, удалось получить, казалось бы, невероятные результаты: высокопрочные арматурные стали, сверхпрочные стали, теплостойкие сверхтвердые и износостойкие инструментальные материалы, легкие и прочные алюминиевые и титановые сплавы для авиации, жаростойкие сплавы для двигателей реактивной авиации и космических ракет, магнитофрикционные и электрофрикционные материалы, сплавы с памятью геометрической формы. И эти результаты получены в значительной мере благодаря возможности перестраивать кристаллические решетки металлов.

Анализ публикаций

Вместе с тем, стремительно возрастающие требования техники ставят новые задачи к материалам и их свойствам. Поэтому представилось актуальным, дальнейшее изучение и преобразование внутреннего атомно-молекулярного строения металлов и элементов, входящих в состав сплавов. Казалось бы, что от металлов взято так много, что это уже практически вершина результатов их преобразования и полученных свойств. Все указанное во многом относится к сталям, одной из вспомогательных составляющих которой является углерод. Сам он до недавнего времени занимал скромное место в конструкциях, скользящих контактов и подшипников, в грифелях карандашей. А когда путем аллотропического изменения его кристаллической решетки - перестройке его атомов получили искусственные алмазы с известными всем свойствами - эталона твердости, то это ознаменовало вершину достижений науки и техники в плане преобразования строения и свойств углерода. Куда выше этого эталона и великолепия свойств - вершина как бы достигнута, предел очевиден!

Цель и постановка задачи исследований

Ознакомить инженерно-технических специалистов проектных организаций с систематизированной информацией о строении и свойствах новых неметаллических конструкционных материалов на основе углеродных соединений, обладающих более высокими механическими свойствами и комплексом физических свойств, которые успешно заменяют ряд

дефицитных металлических сплавов. Это позволит создавать конструкции меньшей материалоемкости, вместе с тем, обладающие требуемой надежностью и долговечностью в различных условиях эксплуатации, при воздействии статических, динамических нагрузок, а также различном температурном и химическом воздействии внешней среды.

Информация об этих конструкционных материалах позволит дифференцированно подойти к анализу и отбору приемлемых их признаков для оптимального использования в новых направлениях техники, определяемых назначением конструкции и особыми условиями их эксплуатации, развитие которых сдерживалось недостаточной информацией о создаваемых новых материалах.

Методика исследований

Долговечность и надежность деталей изделий зависит от материала, его конструктивной прочности и комплекса других свойств, которые влияют на эксплуатационное качество изделия [1]. Поскольку, расположение и ориентация атомов в кристаллической решетке, а также форма, величина и ориентация кристаллов, существенно влияют на механические и другие свойства материалов, то изменение этих параметров позволяет получить материалы с новыми свойствами[2].

Свойства вещества определяются не только его составом - набором входящих в него химических элементов, но и тем, в каком порядке они связаны друг с другом, т. е. какова структура этой молекулы - эту мысль еще в 1861 году высказал русский ученый Александр Михайлович Бутлеров.

Углерод, 6-й элемент таблицы Д.И. Менделеева [3], выполняющий до недавнего времени в металловедении только вспомогательную функцию, изменяя структуру и свойства стали и содержание которого не превышало 2%, выдвинулся в современных исследованиях на первый план, т.к. обладает особой способностью давать соединения разного состава и строения, как с другими атомами углерода, так и с атомами многих элементов. В связи с тем, что расположение атомов в кристаллической решетке существенно влияет на многие свойства материалов, то изменением этого расположения и числа связей между атомами, возможно, достигнуть и требуемых изменений свойств.

Результаты и их анализ

Алмаз и графит - это разные модификации углерода [4].

Алмаз обладает высочайшей твердостью, за счет того, что каждый атом углерода соединен с большим числом атомов - даже с четырьмя соседними атомами сильными ковалентными связями, образующими жесткий каркас. В алмазы превращается свободный углерод, содержащийся в газах, которые образуются в результате взрыва.

Удалением из алмазов неуглеродных примесей (состоящих из оксидов железа, никеля, кремния) и дальнейшим разделением их на фракции создают металлоалмазные композиты. Благодаря их очень высокой износостойкости они конкурируют даже с очень твердыми и износостойкими хромистыми подшипниковыми сталями ШХ6, ШХ15. Поэтому достаточно эффективно применять металлоалмазные композиты для изготовления деталей подшипников качения, которые широко используются практически во всех отраслях техники.

Рис. 1. Ячейка алмаза

Другой областью эффективного применения металлоалмазных композитов является изготовление полировальных кругов для инструментального производства [5].

Еще одна аллотропическая форма углерода, у которой атом углерода связан лишь с тремя соседними атомами - это графен. В нем все атомы кристалла располагаются в углах, заполняющих плоскость правильных шестиугольников. Роль четвертого валентного электрона каждого атома существенно иная. С одной стороны - он как бы лишний и свободный, с другой - усиливает три основные связи в кристаллической решетке. Его электроны имеют высокую подвижность, благодаря таким особенностям кристаллического строения. Это - двумерный материал, имеющий нанометровую толщину (10-9м), он полупроводник, обладающий проводимостью превосходящей проводимость меди [6].

Рис. 2. Молекула графена

Это второй конкурентоспособный материал, но уже по отношению к электропроводной меди. Его используют также для создания различных композиционных материалов, в том числе сверхлегких и высокопрочных, применяемых в авиации и для изготовления космических аппаратов.

Дальнейшее преобразование взаимного расположения атомов углерода позволило получить новый по своему атомно-молекулярному строению материал в виде объемных шарообразных или несколько вытянутых молекул, состоящих из 60 и более атомов углерода. Этот материал получил название фуллерен и послужил основой для получения молекул еще более сложного строения, отличающихся цилиндрической формой, как бы свернутой из углеродной сетки, толщиной в один или несколько атомов - нанотрубки. Причем длина одной нанотрубки превосходит в сотни раз ее диаметр.

Рис. 3. Молекулы фуллеренов шарообразной формы (С60)

Многослойные нанотрубки, различной каркасной формы имеют вид уже нановолокон, получают их из недорогого углеводородного сырья. Молекулами такого сложного строения, естественно, порождено разнообразие новых свойств материалов: прочность в десятки раз превышающая прочность даже сложнолегированных сталей, при более высоком пределе упругости и термической стабильности свойств. Вместе с тем они обладают и высокой электропроводимостью. На базе таких углеродных нанотрубок создан новый класс композитных материалов с высокопрочными волокнами. Такие композитные материалы применяют в авиационной и космической технике, заменяя широко используемые сплавы на основе алюминия и титана [4]. Из этих материалов изготавливают некоторые ответственные детали и в автомобилестроении, работающие при высоких нагрузках, для которых использовали, качественные конструкционные стали.

Рис. 4. Молекула Рис. 5. Молекула

однослойной нанотрубки многослойной нанотрубки

Другой разновидностью материала на основе нанотрубок является таунит - легкий поликристаллический мелкодисперсный графит, насыпная плотность которого 0,5 г/см3, а удельная геометрическая поверхность одного грамма превышает 100 м2, он термостабилен до 600 0С.

Модифицирование таунитом полимерных конструкционных материалов на основе эпоксидных смол повышает их прочность на 20-50% [7]. При модифицировании этим материалом, имеющим большую удельную геометрическую поверхность, выгодно контактирующей с бетоном [8] и пенобетоном специального назначения, прочность такого бетона на сжатие и изгиб возрастает на 20%. Для этого, в одну тонну бетона вводится от 0,1 кг до 1 кг таунита. Этот бетон рационально использовать для гражданського, промышленного строительства, а также для объектов специального назначения.

Уместно отметить, что в таких строительных объектах, как дорожное, с целью профилактики обледенения и повышения безопасности движения автотранспорта, в состав дорожного покрытия [9] вводять углеродные нанотрубки, которые используют, как нагревательные элементы.

Выводы

На основе анализа и систематизации рассмотренных материалов, определяется следующее:

Свойства конструкционных материалов в большой мере зависят от особенностей атомно-молекулярного строения, т. е. набора, взаимного расположения и характером связей атомов в единичной молекулярной ячейке. Воздействие на эту структуру представляет собой путь целенаправленного изменения свойств материалов.

Углерод, выполняющий вспомогательную функцию в металловедении, благодаря способности к сложным межатомным соединениям, выдвинулся на первый план, образуя новые материалы, с новыми свойствами, конкурентоспособными по отношению к применяемым металлическим сплавам. К таким сложным соединениям атомов углерода относятся графен, фуллерен, нанотрубки, таунит, по отношению к металлическим конструкционным материалам, применяемым в технике.

Металлоалмазные композиты, обладающие высокой твердостью и износостойкостью успешно заменяют подшипниковые стали ШХ6, ШХ15 и др., а также материалами для инструментальных полировальных кругов.

Двумерный материал графен, нанометровой толщины, обладающий высокой электропроводностью, превосходящей медь, заменяет её.

Нановолокна, получаемые из недорогого углеводородного сырья, обладающие прочностью, превосходящей в десятки раз прочность сложнолегированных сталей, применяют как волокнистый, высокопрочный, композиционный, конструкционный материал для изготовления высоконагружаемых деталей в авиастроении, автомобилестроении и космической технике.

Повысить прочность незаменимых в строительстве бетона и пенобетона на 20%, оказывается, возможно, путем модифицирования его поликристаллическим, мелкодисперсионным таунитом в малом количестве - от 0,1кг до 1 кг на одну тонну бетона.

Список использованных источников

1. А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с.

2. Металловедение в схемах-конспектах: Учебное пособие. Под ред. И.Ю. Ульяниной. Ч.1. - М.: МГИУ, 1999. - 245 с.

3. Т. Браун, Г.Ю. Лемей. Химия - в центре наук: в 2 ч. Пер. с англ. -М.: Мир, 1983. -520с.: ил.-ч2.

4. И.С. Стерин. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки / Учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2003. - 344 с.

5. Металловедение / Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш. шк., 2000. - 420 с.

6. Электротехнические материалы: Справочник /Э45 /В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, Г.А. Рыков, А.М. Хайкин. - 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1983. - 504 с.

7. Гарнець В.М. Матерiалознавство. Пщручник. - К.: Кондор. 2009. - 386 с.: ш.

8. Ю.Н. Баженов Технология бетона. Учебник. 3-е издание - М.: Изд-во АСВ, 2003. -500 с.: ил.

9. Наназашвили И. Х. Строительные материалы, изделия и конструкции: Справочник. -М.: Высш. шк., 1990. - 495 с.: ил.

10. М. Каганов. Из чего все состоит. М.: Изд. «Наука и жизнь» №12, 2003. - 38-46 с.

11. А. Гурьянов. Трубки завтрашнего мира. М.: Изд. «Наука и жизнь» №2, 2010. - 16 - 21 с.

12. Т. Зимина. Новое лицо углерода. М.: Изд. «Наука и жизнь» №11, 2010. - 2 - 5 с. УДК 691.54:691.327

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ФИБРОБЕТОНА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПОЛОВ И ПОДЛИВКИ ПОД ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Мирошниченко К. К., к. т. н., доц., Савицкий Н. В., д. т. н., проф.

ГВУЗ «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры»

В статье приведены некоторые результаты исследований по обоснованию влияния формы лопасти смесителя на энергетическую эффективность технологических приемов приготовления высококачественного фибробетона. Установлено, что коэффициент полезного действия лопасти в виде плоского элемента зависит от угла подъема линии скольжения компонентов фибробетонной смеси по лопасти по отношению к вектору скорости, а также от угла установки лопасти. При выборе угла наклона лопасти необходимо учитывать и соотношение ее размеров. Были получены значения коэффициентов внутреннего трения для фибробетонов. Данные эксперименты были базовыми при проектировании лопастей более сложной геометрической формы, использование которых, при соблюдении определенных технологических операций, обеспечивает получение однородных фиброармированных композиций с высокими характеристиками.

технология, фибробетон, дисперсно-армированные составы, энергоемкость, лопасть, коэффициент полезного действия, коэффициент трения.

Введение

Для получения фибробетона в условиях строительной площадки в настоящее время используют различные технологические схемы. Однако практически ни одна из них не обеспечивает получение однородного, качественного материала со стабильными свойствами в течение длительного времени. Особенно эта проблема встает при строительстве металлургических предприятий, при установке высокотехнологического