CC BY
96
© А.Д. Верхотуров, А.М.Шпилёв, Л.А. Коневцов, 2007
УДК 669.001.12/.18
А.Д. Верхотуров, А.М.Шпилёв, Л.А. Коневцов
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТАНОВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОГИИ И РОЛЬ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ
“Другие науки, сколько бы они ни пытались рассуждать, не обращаясь к философии, без неё не могут обладать ни жизнью, ни духом, ни истиной”
Гегель
~П настоящее время становится всё нагляднее возрастающая и дифференциация науки о материалах, которая наряду с положительными тенденциями в её развитии, а также в создании и изучении конкретных материалов, вызывает ряд проблем. Одной из главных проблем является то, что дифференциация (материаловедение теоретическое, практическое, неорганическое, органическое, электронное, авиационное, космическое, строительное, физическое, порошковое, полупроводниковое, статистическое, фрактальное, радиационное, низкотемпературное и вакуумное, электродное, электроматериаловедение, сверхтвёрдых веществ и материалов, активное транспортное, коллоидное, новое, текстильное, наноматериалов и т.д. и т.п. [1]) грозит превратить единую науку о материалах в совокупность отдельных, изолированных дисциплин. В этой связи следует отметить, что Е.М. Савицкий [2] справедливо отмечал необходимость создания материаловедения для каждого элемента Периодической системы. Можно предполагать, что в будущем может оказаться столько «материаловедений», сколько имеется природных и искусственных материалов, то есть более миллиона.
В силу этого учёные-материаловеды перестают видеть их место в познании сущности материи и материала, процесса его разра-
ботки, получения, обработки и вторичного использования начиная от первоматерии и кончая готовой вещью. Дифференциация науки о материалах не способствует разработке единой теоретической основы создания и выбора материала с заданными свойствами и внешней формой - основной задачи науки о материалах.
Известно, что Эйнштейн, Шрёдингер, Г ейзенберг и другие выдающиеся учёные были последовательными противниками дробления науки на отдельные дисциплины - «она угрожает отнять у исследователя широкую перспективу, принижая его до уровня ремесленника» (Эйнштейн).
Ещё гораздо раньше (IV в. до н.э.) Аристотель утверждал, что «если наука занимается только взаимно изолированными и никаким образом не обобщёнными предметами, то наука отсутствует».
В связи с этим чрезвычайно важно создание интеграционной науки в области изучения, создания, получения и обработки материалов с заданными свойствами и внешней формой. В настоящее время интуитивно предполагается, что существуют науки о материалах (физика и химия твёрдого тела, металлургия, различные «материаловедения») и обобщающая, интеграционная наука - материаловедение. Однако материаловедение не может быть интеграционной наукой в области наук о материалах уже по определению, так как его задачей является решение хотя и важнейшего вопроса -установления взаимосвязи «состав-структура-свойства», - но, всё-таки, части более общей проблемы выбора и создания материалов с заданными свойствами и внешней формой.
Материаловедение («товароведение» как выразился П.А. Ребиндер [3]) - это скорее наука о знании известных материалов, чем об их создании и получении. Это объясняется тем, что за многие столетия до XIX века, когда была осознана зависимость «состав-свойства» практикой, методом «проб и ошибок», было создано громадное число искусственных материалов. Перед эмпирическим и теоретическим знанием стоял главным образом вопрос об изучении уже созданных материалов, которые иногда приходилось заново воссоздать (булатная сталь). Металловедение, а затем и материаловедение были нацелены на изучение, прежде всего, железоуглеродистых материалов.
В связи с этим, по нашему мнению, интеграционной наукой о материалах должна стать новая, фундаментальная наука - ма-териалогия, сочетающая и использующая достижения металлур-
гии, физики, химии и, прежде всего, физики и химии твёрдого тела, философии (рис. 1), а также ряда других наук - математики, горного дела, минералогии, кристаллографии, кристаллохимии, информатики. Указанные науки участвовали в формировании материаловедения, на что указывал Ч.В. Копецкий [4]. На наш взгляд свое влияние в формировании материалогии в большей мере должны оказывать технология материалов и научное приборостроение (рис. 2). Во многих случаях фундаментальные открытия появлялись благодаря созданию новых научных приборов, установок, оборудования.
Кроме использования фундаментальных разработок ряда указанных наук материалогия должна иметь четко определённые и обоснованные предмет исследования, концептуальные и методологические основы. Для их определения и обоснования, по нашему мнению, необходимо, прежде всего, обратиться к истокам науки о материалах.
С.С. Смит [5] справедливо отметил, что наука о материалах такая же древняя, как и философия, которая появилась в античном мире. В. Гейзенберг писал: «...вряд ли возможно продвинуться в современной атомной физике, не зная греческой натурфилософии... но факт, кто хочет дойти до самой сути в том деле, которым он занимается, будь то техника или медицина, - тот рано или поздно придёт к этим истокам и многое приобретёт для своей собственной работы, если научится у греков радикальности мышления, постановке принципиальных проблем» [6]. Слегка перефразируя мысль Гейзенберга можно отметить, что вряд ли можно продвинуться в создании материалогии, не зная греческой натурфилософии.
Уже в древней Греции возникли две основополагающие идеи -познавательная и практическая, которые более 2000 лет развивались самостоятельно (рис. 3).
Первая в начале была уделом философии, вторая - металлургии. В русле познавательной идеи возникли две различные парадигмы, являющиеся концептуальными основами структуры
Рис. 1. Становление материалогии с развитием металлургии, философии, физики, химии
Рис. 2. Достижения технологии и научного приборостроения в становлении материалогии
Рис. 3. Основополагающие идеи развития наук о веществе
материи. Первая парадигма Аристотеля - «стихийная», просуществовавшая около 2000 лет, вторая парадигма Демокрита «атомная» стала основой науки в Новое время, является базовой в материало-гии.
Однако для материалогии представляет ещё больший интерес учение Аристотеля о превращении материи в вещь - «сути бытия» [7]. При рассмотрении причин бытия он выделил четыре их вида (рис. 4, а).
1. Материальные, то из чего состоят вещи.
2. Формальные, в которых форма проявляет себя, образуя сущность.
3. Энергетическая база формирования вещей.
4. Целевая или конечная, отвечающая на вопросы «почему»? и «для чего»?
Форма, согласно Аристотелю, - это активное начало жизни и деятельности вещи. Изменение и развитие есть овеществление
формы, потенциально заложенной в первоматерии. В результате деятельности (энергии), воздействующей на материю,
а)
Первоматерия (Рпта пМепа)
б)
Рис. 4. Принципиальная схема превращения первоматерии в вещь (по Аристотелю): а) начальная; б) уточнённая
возникают различные виды вещей. Следовательно, в основе всего сущего находится первоматерия, но она пассивна и не может образовывать тела (вещи). Образование тел происходит под влиянием «формы» в результате особого деятельного начала (если сказать
современным языком - в результате использования технологии), (рис. 4).
Аристотель своей теорией четырёхзвенной структуры вещи исходил исключительно из того, что вещь - результат творчества, причём неважно, хорошее или плохое это произведение. Введение двух последних звеньев делает вещь и фактически действующей, и целесообразно направленной. Таким образом, Аристотель первым показал путь создания целесообразно направленной вещи из первоматерии, принявшей форму путём энергетического (определённой технологии) и творческого воздействия.
Превращение материи в вещь связанную с образованием определённой формы имеет глубокий научный смысл и является первоначальной базой формирования науки о материалах - материало-гии. Материалогия, по существу, это наука о превращении первоматерии в вещь. Кроме того, классический путь создания материала должен начинаться с анализа назначения и функций вещи и её элементов.
К сожалению, четыре причины (звена) бытия не нашли должного дальнейшего развития, хотя и прошло около 2,5 тысяч лет! В настоящее время четырёхзвенная схема Аристотеля требует некоторого уточнения:
1. Описанная Аристотелем четырёхзвенная схема является частным случаем в современной технологии получения вещи и соответствует случаю её создания непосредственно из первоматерии (из минерального сырья).
2. Между первоматерией и вещью, как правило, располагается материал или материалы (рис. 5).
3. Виды материалов отличаются не только формой (как утверждал Аристотель), но и структурой, химическим, фазовым составом.
4. Вид материала определяется методологией и технологией превращения материи (материала) в вещь.
5. В процессе технологии первоматериал последовательно принимая различные виды (Mi, ... Мп) и соответственно последовательно изменяет форму, состав, структуру и свойства, приближаясь к форме, составу, структуре и свойствам вещи (рис. 5).
6. В настоящее время для получения вещей используется один вид материи - вещество, поле - второй вид материи, используется для технологических процессов.
Рис. 5. Общая схема превращения первовещества (природное вещество) в материал и материала в изделие
7. В четырёхзвенной схеме Аристотеля, естественно, не предусмотрено использование отходов переработки для производства вещей.
Таким образом, предметом исследования материалогии является:
1. Структура материи (вещество, поле), (рис. 5).
2. Первоматерия (минеральное сырьё).
3. Назначение вещи, условия её эксплуатации.
4. Процессы и закономерности превращения первоматерии (вещества) в первоматериал (М^ - изменение формы, состава, структуры и свойств.
5. Процессы и закономерности перехода из первоматериала М1 в последующие виды материала вплоть до готового материала (Мп), пригодного для практического применения или
удовлетворения духовных нужд человека после изменения его формы, состава, структуры и свойств (М^ Мп).
6. Технология получения из первоматерии и отходов производств различных видов материалов вплоть до готового материала (Мц).
Рис. 6. Схема незамкнутого цикла использования первоматерии
7. Процессы и закономерности воздействия на материалы различного рода сил, полей, сред (механических, электрических, магнитных и так далее).
8. Разработка теоретических и технологических основ создания материалов с заданными формой и свойствами.
9. Разработка концептуальных и методологических основ создания и получения материалов с заданными свойствами.
Интересы материаловеда, как утверждал Е.М. Савицкий, должны простираться от минерального сырья и до готовой продукции, что является также и задачей материалогии. При этом использование первоматерии должно осуществляться по незамкнутому циклу (рис. 6).
Каждый из предметов исследований связан с рядом наук и имеют свои специфические этапы развития и парадигмы, направленные на создание материалов с заданными свойствами.
Концептуальные основы, связанные с разработкой теоретических основ создания и выбора материалов начались ещё в недрах развивающейся науки о металлах - металлографии и, прежде всего, достижений химии. Важнейшей из первых научных парадигм в этом направлении был периодический закон Д.И. Менделеева.
Рис. 7. Парадигмы в развитии практической идеи материалогии
- Именно первая обнаруженная связь удельного веса с составом элементов являлась важнейшей парадигмой научного пути создания новых материалов (рис. 7).
- В первых шагах научного обоснования и разработки материалов было создание и обоснование теории химической связи, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и взаимным влиянием их сил («сродством») -парадигма А.М. Бутлерова.
- Существенный вклад в развитие науки о материалах сделал
Н.С. Курнаков, основатель химического анализа и парадигмы «состав вещества - свойства».
- Парадигма И.В. Тананаева «состав-структура-свойства» стала определением металловедения и материаловедения и существенно приблизила к решению целенаправленного синтеза материала.
- Парадигма Г.В. Самсонова «состав-структура-технология-свойства» сыграла особенное значение в развитии науки о
2
а ы
и»
г 31
5 ас 3 с 6 :с 5 ас ш з: ш СП 1
Л*.
ЯЛ
I Физико-химический ЛМулыивлриационннй
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ
ДИАЛИЗ МИОЛИ термодинамики, случайного 6ЫБ0РА.ПОДОБИЯ,
ЭКСТРАПОЛЯЦИИ , КОРРЕЛЯЦИИ
(кау?ман,Са&ицкий , Аптекарь , ВоЗЛЬйЖЕНСКИЙ, Гу-ЛЯЕ!» , КУТОЛИН)
В И £ Ш И и'к ф л * тог
" папайигры
ИГМ*ИО»ЕСНОСТИ
3
* а*д1?:й5^
материалах, став концептуальной основой практического использования синтеза материалов с заданными свойствами (рис. 8).
Парадигмы Менделеева, Бутлерова, Курнакова, Тананаева были руководящими идеями на различных уровнях познания материалов в вопросе о прогнозировании и выборе их свойств.
Однако только парадигма Самсонова является реальной основой прогнозирования и синтеза материалов с учётом технологии, на которую указывал ещё Аристотель в четырёхзвенной схеме получения вещи (рис. 8).
Но и парадигма Самсонова не полностью соответствует схеме Аристотеля, так как в ней предусмотрено создание абстрактного материала, вернее перспективных материалов.
Для создания функциональных материалов схема концептуальной основы должна начинаться изучением и уточнением условий работы и параметров эксплуатации (и оканчиваться вещью). На необходимость новой парадигмы в создании теории выбора и получения материалов с заданными свойствами неоднократно обращал внимание член-корр. РАН А.И. Холькин при рецензировании предыдущих наших работ [7-11].
Представляет интерес структурная схема исследований, приведённая в работе [12] «синтез-структура-свойство-прибор». Интуитивно материаловед, как правило, всегда ориентируется на создание материала для определённой «вещи».
В связи с вышесказанным мы предлагаем новую парадигму, которая является концептуальной базой материалогии: «условия и параметры эксплуатации - состав-структура-технология-свойства» (рис. 9) - парадигма ИМ.
Парадигмы Самсонова и ИМ, по-нашему мнению, являются базой для разработки методологии материалогии. Известно, что методология науки, в том числе и методология науки о материалах
- учения о принципах построения, формах и способах решения проблемы создания и получения материала с заданными свойствами и внешней формой, относится к “частнонаучному слою” (этажу) методов познания. Она имеет свои специфические особенности, которые не должны противоречить “верхним слоям” методов познания - предельно общим и общенаучным. При ре-
шении проблемы методологии науки о материалах использование только теоретического или только эмпирического уровня
является недостаточным в связи с чрезвычайно сложной и многогранной задачей этой науки.
Рис. 9. Общая пятизвенная парадигма ИМ. Показаны составляющие звенья парадигмы 4-5 и связи составляющих звеньев Fl-Flo<•
В данном случае необходимо использование совмещённого, теоретико-эмпирического уровня. Однако в любом случае получение реальных свойств возможно только через технологию.
Путь создания материала осуществляется преимущественно по двум направлениям: директивное (хоздоговоры, программы, решения вышестоящих органов и так далее) и стратегическое (материалы на перспективу) - инициатива исследователя, решения вышестоящих и правительственных органов (рис. 10).
Для решения вопроса синтеза нового материала необходимо:
1. Использование парадигмы материалогии.
2. Использование научных парадигм “низшего” порядка (например, инструментального материаловедения, материаловедения сварочных материалов и так далее).
Рис. 10. Направления создания функциональных материалов
3. Использование ряда моделей, связанных с процессом эксплуатации материала, создания структуры и состава, а также технологии получения и его обработки.
4. Использование банка данных (при его наличии или литературных данных по технологии, составу, структуре и свойствам известных материалов).
5. Использование эталонных материалов и их исследование.
6. Использование достижений физики и химии твёрдого тела.
Как директивное, так и стратегическое направления создания
материалов являются следствием потребностей человеческой практики. Стратегическое направление основано на законе непрерывного улучшения уровня свойств материалов по мере развития человеческой цивилизации. Парадигма ИМ предполагает обобщение знаний о непрерывном изменении уровня физико-химических и эксплуатационных свойств искусственных материалов, полученных как за счёт изменения состава, структуры и использования новых технологий известных материалов, так и за счёт принципиально новых.
В любом случае создание материала (вещи) начинается с определения необходимого комплекса свойств, то есть исследовательская работа начинается с подготовительного этапа. В процессе выполнения первого этапа, в зависимости от полноты предлагаемого комплекса свойств, начинают с изучения литературных источников, банков данных по эксплуатации вещи и её материала, составления модели работы материала, изучения банка данных по материалам, выбора аналогов модельных материалов и их исследования и так далее. Заканчивается этап уточнением комплекса свойств, условий работы материала, составлением чертежа, схемы, описания.
Особенность подготовительного этапа заключается в том, что задание на его составление выдается заказчиком, либо самим учёным (особенно для разработки материалов на перспективу).
Второй этап - функциональный. Осуществляется теоретикоэмпирическое определение функций Fi...Fn. Заканчивается этап обобщением данных функций. Создаются гипотезы по составу, структуре, технологии. Составляется модель материала.
Третий этап - технологический - получение материала по заданной технологии.
Четвертый этап - исследование свойств полученного материала, сопоставление реальных свойств с заданными.
Пятый этап - корректирующий. При необходимости осуществляется коррекция состава, структуры, технологии.
При обсуждении результатов, изложенных в данной работе научными сотрудниками Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН и технического университета (КнАПИ, г. Комсомольск-на-Амуре) было решено создать при университете кафедру материало-гии, а также совместную лабораторию с одноимённым названием.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верхотуров А.Д., Фадеев В.С. Некоторые вопросы современного состояния и перспективы развития материаловедения. - Владивосток: Дальнаука, 2004. -
Ч.1. - 320 с.
2. Савицкий Е.М. Металловедение в Академии наук СССР // Неорганическое материаловедение в СССР. - Киев: Наук.думка, 1983. - С. 29-39.
3. Ребиндер П.А. Развитие физико-химической механики материалов как новой пограничной области знания // Новые материалы в технике и науке. - М.: Наука, 1981. - C. 17-37.
4. Смит С.С. Материалы // Современные материалы. - М.: Мир, 1970. - C. 920.
5. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. - М.: 1989.
6. Лосев А.Ф., Тахо-Годи А.А. Платон и Аристотель. - М.: Молодая гвардия, 1993. - 383 с.
7. Верхотуров А.Д. Основные идеи и парадигмы развития материаловедения.
4.1. // Химическая технология. - 2001. - № 8. - С.2-9.
8. Верхотуров А.Д. Основные идеи и парадигмы развития материаловедения.
4.2. // Химическая технология. - 2001. - № 9. - С.2-6.
9. Верхотуров А.Д. Минералогическое материаловедение как раздел науки о материалах. Ч.1. // Химическая технология. - 2002. - № 6. - С. 2-8.
10. Верхотуров А.Д. Минералогическое материаловедение как раздел науки о материалах. Ч.2. // Химическая технология. - 2002. - № 7. - С. 2-8.
11. Верхотуров А.Д. Материалогия - наука о принципах выбора и создания материалов с заданными свойствами // Химическая технология. - 2004. - № 11. - С. 9-13.
12. Ефименко А.В. Синтез, структура, свойства оксидных гетероструктур анодных плёнок, сенсоры на их основе: Автореф. дисс д-ра физ.-мат. наук. - Благовещенск, 2006. - 48 с. ид и =1
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Верхотуров А.Д. - доктор технических наук, директор Хабаровского Научного Центра Дальневосточного Отделения Российской Академии Наук (ХНЦ ДВО РАН);
Шпилёв А.М. - доктор технических наук, ректор Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (КнАПИ);
Коневцов Л.А. - научный сотрудник ХНЦ ДВО РАН.
