CC BY
14
УДК 50
ПРОБЛЕМЫ И БАЗИСНЫЕ ИННОВАЦИИ В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ МЕТОДОЛОГИИ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
О.С. Сироткин, P.O. Сироткин, А.Р. Гатиятова
sirotkin-49@mail.ru; suleimanova-a-r@ya.ru
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме. Материаловедение сегодня вступило в новый этап своего развития. Он характеризуется попытками систематизации и приведения в единую систему огромного массива эмпирической информации о структуре и свойствах металлических и неметаллических материалов. Это связано с тем, что сегодня стало уже очевидно, что без ответа на вопрос о фундаментальном единстве и причинах специфических отличий структуры и свспктв основных кпассов металлических и неметаллических материалов материаловедение никогда не выйдет на качественно новый уровень своего развития - единой и строгой естественной науки и учебной дисциплины. То есть дисциплины, характеризуемые комплексом исходных фундаментальных понятий, единсгй теорией строения и системой (объединяющей различные материалы), позволяют показать специфику и отличия этой науки от других дисциплин. Развитие подобных подходов и есть формирование теоретических основ материаловедения как единой науки о металлических и неметаллических материалах.
Решение основных проблем традиционного материаловедения сегодня возможно только через расширение применения фундаментализации этой учебной дисциплины с использованием базисных инноваций, основу которых составляют новые фундаментальные научные достижения, позволяющие создавать перспективные системные обобщения и учебники следующих поколений. В том числе только на основе базисных научных инноваций возможно раскрытие единства и индивидуальности материаловедения, включая возможность разработки современной научной методологии прогнозирования структуры и свойств новых материалов.
Приведены данные о современных тенденциях расширения и изменения номенклатуры материалов. Изложены современные концептуальные и теоретические положения, раскрывающие индивидуальность предмета материаловедения как самостоятельной естественной науки с опорой на ряд фундаментальных базисных инноваций.
Ключевые слова: материаловедение, проблемы, базисные инновации, новая методология преподавания.
PROBLEMS AND BASIC INNOVATIONS IN IMPROVING THE METHODOLOGY OF TEACHING THE DISCIPLINE «MATERIAL SCIENCE»
O.S. Sirotkin, RO. Sirotkin, A.R Gatiyatova
sirotkin-49@maiI.ru; suleimanova-a-r@ya.ru
Kazan state power engineering University, Kazan, Russia
Abstract. Materials Science today has entered a new stage of its development. It is characterized by attempts to systematize and bring into a single system of a vast array of empirical information on the structure and properties of metallic and non-metallic materials. This is due to the fact that today has already become evident that no answer to the question of the fundamental unity of and specific reasons for the differences of structure and properties of major classes of metallic and non-metallic materials materials will never come to a qualitatively new level of development - a unified and rigorous science and academic discipline. That is,
discipline, characterized by complex source of fundamental concepts, a unified theory of the structure and systems (combining various materials), in order to show the specificity and distinction of this science from other disciplines. The development of such approaches is the formation of theoretical foundations of materials science as an integrated science of metallic and non-metallic materials.
The solution of the basic problems of traditional materials science today is only possible through the extension of the application of the fundamental nature of this academic discipline with the use of basic-innovations, which are based on new fundamental scientific achievements, allowing to create advanced system of generalization and the textbooks of future generations. Including only on the basis of basic-scientific innovation perhaps the revelation of the unity and individuality of the materials, including the possible development of modern scientific methodologies for predicting the structure and properties of new materials.
The data on the current trends of expansion and change of nomenclature of materials. The modem conceptual and theoretical principles that reveal the individuality of the subject of materials science as an independent science based on the number offundamental basis of innovation.
Keyn'ords: materials, problems and basic innovations, new teaching methodology.
Материаловедение, как и любая другая естественная прикладная наука и учебная дисциплина, непрерывно развивается. Это требует постоянного совершенствования ее специфических черт, раскрываемых, прежде всего, через попытки развития научных и теоретические обобщений о строении и свойствах различных материалов и создание современной методологии ее преподавания как единой дисциплины о металлических и неметаллических материалах. При этом тенденции в современном развитии материаловедения характеризуются, прежде всего, накоплением значительного объема эмпирической количественной информации о структуре и свойствах как традиционных металлических материалов, так и за счет расширения номенклатуры новых полученных наукой и промышленностью - неметаллических [1-8]. Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что к началу XXI века произошло качественное изменение в содержании материаловедения. Это связано со значительным расширением номенклатуры перечисленных выше трех основных классов материалов в первую очередь, за счет синтетических и искусственных органических (углеродных), элементоорганических (смешанных) и неорганических (безуглеродных) полимеров и материалов на их основе: пластмасс, эластомеров, керамик и т.д. (рис.) [4-6].
Рис. Основные (базовые) виды современных материалов в единой системе материаловедения
Металлы
Полимеры (на основе органических ВМС)
Керамика (на основе неорганических ВМС)
Таким образом, материаловедение сегодня опирается на три основных типа конструкционных и функциональных материалов (металлы, полимеры и керамика) и их симбиоз в виде композиционных материалов (КМ) или промежуточных между ними соответствующих «гибридных» соединений, веществ (типа металлических стекол, наноматериалов, керамических металлов, интерметаллидов и т.д.) и композиционных систем (рис.).
В рамках оценки практической значимости основных видов материалов проанализируем сравнительную количественную информацию о современном соотношении масс, объемов и себестоимости мирового производства металлов, полимеров, древесины и керамики к началу XXI века (табл.). Эти данные приведены в работе [9], а ниже эта информация представлена в таблице с выделением в качестве основы материаловедения двух основных классов материалов: металлических и полимерных.
Таблица
Мировое производство материалов в начале XXI века_
Показатель Полимерные мате] эиалы на основе: Металлы
а) органических и неорганических ВМС б) органических синтетических ВМС
древесина керамика пластмассы, эластомеры и т.д. черные цветные
1 Масса, млн. т (%) 1600 (23) 4200 (62) 110 (1,8) или 220* 810(12) 80(1,2)
2 Объем, млн. М^о/о) 2300 (49,8) 2000 (44,9) 100 (2,4) 104 (2,5) 1,8 (0,4)
3 Стоимость, % 6,4 17,3 17,6 50,8 7,9
Примечание: * Данные других источников
Данные таблицы свидетельствуют, что сегодня свыше 90% объема потребностей человечества в материалах различного назначений удовлетворяются полимерными материалами типа керамики и древесины. И лишь около 3% по объему и 13% по массе составляет доля металлических материалов. При этом для полимерных материалов в виде древесины и керамики практически не существует сырьевой проблемы (возобновляемая целлюлоза и две трети Земной коры в виде полимерных оксидов). В тоже время сырьевые запасы железной руды, подобно углеводородам, явно ограничены. Все это, с учетом специфики свойств, сказывается и на величине себестоимости (50,8%) производства металлов (показатель номер 3), включая крайнюю экологическую проблематичность производств металлов (например, электролиз оксида алюминия и восстановление железа из руды), по сравнению с технологиями полимерных материалов. Что очевидно и определяет современную тенденцию значительного изменения в реальной жизни соотношения металлических и полимерных материалов в пользу последних. Ведь сейчас полимеры вытесняют металлы в авиа и космической технике, электро- и теплоэнергетике и т.д. Но мы все конечно понимаем, что без традиционных металлических материалов, их гибридов или композиционных материалов с полимерными составляющими человечество не обойдется. Электро- и теплоэнергетика, машиностроение, строительство и т.д. являются базовыми отраслями применения металлических материалов.
Прямым следствием этих тенденций является накопление огромной разрозненной количественной эмпирической информации о специфике структуры и свойств металлов и неметаллов. А это приводит к значительной раздробленности самого предмета материаловедения и к первой методологической проблеме современного развития и изложения единых фундаментальных основ этой науки. В результате, материаловедение
117
сегодня представляет собой «механическую смесь» отдельных эмпирических данных о металлах, полимерах, керамике и т.д., практически не связанных в единое целое соответствующей теорией [4-8]. Хотя конечно внутри каждого из этих классов материалов теоретические обобщения в большей или меньшей степени имеют место быть.
Второй проблемой и особенностью, характеризующей сегодняшний уровень развития материаловедения, является традиционное признание факта, что теоретическую основу этой науки составляют соответствующие разделы физики и химии, хотя при этом до сих пор утверждается, что «наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем» [13]. Поэтому следует признать, что сегодня материаловедение еще не достигло уровня строгой фундаментальной естественной науки, так как в ней отсутствуют два основных признака (критерии) этого: единая теория строения основного материального объекта ее исследования (в данном случае материала) и система, объединяющая на научной основе различные виды металлических и неметаллических материалов [1-8]. В результате, конкретизация и упорядочение методологии изложения теоретических основ материаловедения представляется крайне важной и актуальной задачей этой дисциплины на современном историческом этапе, позволяющей раскрыть её индивидуальность, показать единство и специфику структуры и свойств, внешне казалось бы, таких различных материалов как металлы, полимеры керамика и т.д. А поэтому следует различать теоретическое и прикладное материаловедение. Раздел теоретических основ материаловедения (TOMB) является интегральной компонентой этой дисциплины, в которой излагаются, прежде всего, исходные и наиболее общие фундаментальные и универсальные разделы этой науки, позволяющие ответить на основополагающие начальные вопросы единства и различия структуры и свойств металлических и неметаллических материалов. Поэтому данный раздел в первую очередь и позволяет раскрыть и понять индивидуальность и специфику предмета этой науки. Прикладное материаловедение, как дифференциальная компонента, изучает более частные вопросы оценки структуры, свойств, переработки и рационального применения различных материалов в конкретных изделиях и конструкциях, то есть развивает, прежде всего, практическую (прикладную) область этой науки. Основной практической целью материаловедения является оптимизация состава, структуры, свойств конкретных видов материалов и методов их переработки с целью получения изделий и конструкций с заданными эксплуатационными свойствами.
В качестве примера вышерассмотренных наличия выше сформулированных проблем отметим, что общепринятое определение материаловедения как «науки о связи состава, структуры (строения) и свойств материалов (или в значительной части дефиниций -металлов)» [10-14] устарело в настоящее время в силу целого ряда факторов.
Во-первых, в настоящее время отсутствует достаточно строгая дефиниция самой главной компоненты приведенного выше определения - понятия "материал". Ответ на вопрос, что такое материал, также далеко не прост. При этом часто не делается разница между понятиями «материал», «вещество», хотя очевидно, что это не одно и тоже. И, как выясняется, подавляющее число учебников по металловедению и материаловедению этого определения не содержит. То же самое можно сказать и о современном научном определении понятия "металл". А если главный фундаментальный объект этой науки -материал - неконкретен и не имеет строгой научной дефиниции, то, очевидно, что в настоящее время и предмет материаловедения достаточно размыт, затрудняя полноценное развитие теоретических основ этой важнейшей дисциплины. Особенно страдает в этом случае фундаментальная компонента данной науки, отвечающая за индивидуальные отличительные черты и закономерности этой научной и учебной дисциплины по сравнению с другими естественными науками.
Во-вторых, состав вещества и материала, в целом, далеко не всегда определяет структуру и свойства материала. Например, состав алмаза (трехмерного объемносетчатого
высокомолекулярного соединения - ВМС, а точнее полимерного тела), графита (двухмерного плоскосетчатого ВМС), фуллерена (с объемной структурой, типа футбольного мяча, на основе 6-ти- и 5-членных циклов углерода) или графена (с плоскосетчатой структурой), карбина, или карбена (одномерного линейного ВМС) идентичен. То есть все эти четыре химических вещества (материала) построены из одного элемента - углерода. Очевидно, что состав в данном случае не определяет структуру и свойства этих материалов. И, следовательно, в общепринятых определениях материаловедения упущена важнейшая фундаментальная компонента в методологической логической цепочке: состав - структура - свойство. Все вышеперечисленные материалы различаются не составом, а спецификой химической связи (соотношением степеней ковалентности и металличности) между ядрами углерода в каждом конкретном случае и, как следствие, типом химической пространственной полимерной структуры: трех-, двух- и одномерная (линейная) [7; 8]. Ведь очевидно, что степень ковалентности связи С-С (или уровень локализации обобществленных электронов в межъядерном пространстве) в алмазе значительно выше, чем в графите. Появление у последнего дополнительных менее локализованных я-связей приводит к снижению степени ковалентности (и повышению степени металличности) связи С-С и соответствующему снижению структурной сложности ВМС с 3-х- до 2-мерной. В результате у графита появляются электропроводящие свойства, которые отсутствуют у алмаза (диэлектрик). Аналогичный вывод следует и из анализа влияния состава на структуру и свойства а-, у- и (3-форм железа (Бе): состав не всегда однозначно определяет структуру и свойства материала [7]. Таким образом, современный методологический переход от состава к свойствам материала должен быть обязательно дополнен четвертой компонентой: состав - тип связи - структура - свойство. Следует отметить, что эти вопросы в последнее время привлекают все большее внимание ведущих специалистов-материаловедов, вплоть до попыток создания и внедрения в жизнь, по предложению академика Ю.Д. Третьякова и др., дефиниции качественно нового термина «фундаментальное материаловедение» [4]. То есть существуют и проблемы универсальности терминов, применяемых в материаловедении.
Решение этих проблем авторы видят в необходимости внедрения новой методологии преподавания материаловедения с опорой на логически связанные и вытекающих друг из друга четыре базисных научных инновации [4-8]:
- единую для металлов и неметаллов систему универсальных базовых понятий, включая элементы системной классификации материалов по различным признакам;
- единую универсальную классификацию основных уровней структурной организации (микро-, мезо- и макро-) металлов и неметаллов, давшую ответ на вопрос о единстве природы их электронно-ядерного микроуровня структуры.
- единую универсальную модель химического взаимодействия элементов тонкой электронно-ядерной микроструктуры металлических, полимерных, керамических и других материалов. Она определяет базовое единство (на тонком электронно-ядерном микроструктурном уровне) и разницу в структуре и свойствах металлов и неметаллов в зависимости от характера локализации - делокализации обобществленных электронов. То есть разница в структуре и свойствах металлов и неметаллов определяется через степени ковалентности, металличности и ионности соответствующих гомо - и гетероядерных связей элементов их тонкой микроструктуры;
- систему химических связей и соединений (СХСС), базовых гомо - и гетероядерных веществ, металлической и неметаллической природы в виде «Химического треугольника -ХТ», включая разворот левой стороны «ХТ» СХСС в виде Периодической системы гомоядерных связей элементов (атомных остовов) в «чистых» металлах, неметаллах и переходных между ними промежуточных (например, полупроводниковых) или полиморфных форм материалов на их основе.
Новизна предлагаемой методологии изложения материаловедения и этих базисных
инноваций заключается в том, что до сих пор не было реальных попыток по созданию и использованию в материаловедении единых для металлов и неметаллов систем: универсальных понятий (1 инновация), классификации уровней их структурной организации (2 инновация), единой модели химической связи элементов их микроструктуры (3 инновация) и системы (4 инновация), объединяющих все многообразие их исходных соединений и веществ и позволяющей прогнозировать их структуру и свойства.
Литература
1. Ван Флек JL Теоретическое и прикладное материаловедение. М.: Атомиздат, 1975. 472 с.
2. Арзамасов Б.Н., Крашенинников А.Н., Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Научные основы материаловедения, учебник для вузов / М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 1994, 366 с.
3. Каллистер У.Д., Ритвич Д.Дж. Материаловедение: от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) / пер. с англ. 3-го издания, под ред. А.Я. Малкина. СПб: НОТ (научные основы и технологии), 2011. 896 с.
4. Сироткин О.С. Введение в материаловедение (Начала общего материаловедения). Казань: КГЭУ, 2002, 184 с; 2-е изд., доп. 2004, 212 с.
5. Сироткин О.С. Сироткин P.O. Основы теоретического материаловедения. Казань, КГЭУ, 2010, 300 с.
6. СироткинО.С. Основы инновационного материаловедения. М: ИНФРА-М. 2011. 158 с.
7. Сироткин О.С. Основы современного материаловедения. М.: ИНФРА-М, 2015. 364 с.
8. Сироткин О.С. Сироткин P.O. Фундаментальные основы единства природы и различий многоуровневой структуры и свойств металлических и неметаллических материалов. Перспективные материалы. //Межвузовское учебное пособие. Под. ред. проф. Д.Л. Мерсона. Тольятти, ТГУД013, С. 363-417.
9. Волков Г.М. Объемные наноматериалы. М: КНОРУС, 2011, 168 с.
10. ЛахтинЮ.М. Леонтьева Б.Н. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528с.
11. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухина Г.Г. и др. Материаловедение: учебник для вузов. М.: Машиностроение. 2002. 648 с.
12. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М.: Высшая школа, 2004., 519 с.
13. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: учебник для ВУЗов. Изд-е 2-е, перераб. и доп. СПб ХИМИЗДАТ, 2002, 696 с.
14. Ржевская C.B. Материаловедение. Издание 2-е, стереотипное. М: МГТУ, 2000.
References
1. Van Flek Г. Teoreticheskoe i prikladnoe materialovedenie. M.: Atomizdat, 1975. 472 p.
2. Arzamasov B.N., Krasheninnikov A.I., Pastukhova Zh.P., Rakhshtadt A.G. Nauchnye osnovy materialovedeniya. uchebnik dlya Vuzov / M.: Izd-vo MGTU im. N.E Baumana, 1994, 366 p.
3. Callister W.D., Rethwisch D.G. Materialovedenie: ot tekhnologii k primeneniyu (metally, keramika, polimery) / per. s angl. 3-go izdaniya, pod red. A.Ya. Malkina, SPb: NOT (nauchnye osnovy i tekhnologii), 2011. 896 p.
4. Sirotkin O.S. Vvedenie v materialovedenie (Nachala obshchego materialovedeniya). Kazan', KGEU, 2002, 184 p; 2-е izd., dop. 2004, 212 p.
5. Sirotkin O.S. Sirotkin R.O. Osnovy teoreticheskogo materialovedeniya. Kazan', KGEU, 2010, 300 p.
6. Sirotkin O.S. Osnovy innovatsionnogo materialovedeniya. M: INTRA-M. 2011. 158 p.
7. Sirotkin O.S. Osnovy sovremennogo materialovedeniya. M.: INFRA-M, 2015. 364 p.
8. Sirotkin O.S. Sirotkin R.O. Fundamental'nye osnovy edinstva prirody i razlichii mnogourovnevoi struktury i svoistv metallicheskikh i nemetallicheskikh materialov. Perspektivnye materialy. //Mezhvuzovskoe uchebnoe posobie. Pod. red. prof. D.E. Mersona. Tol'yatti, TGU,2013,PP. 363-417.
9. Volkov G.M. Ob"emnye nanomaterialy. M: KNORUS, 2011, 168 p.
10. Lakhtin Yu.M. Leont'eva B.N. Materialovedenie. M.: Mashinostroenie, 1990. 528 p.
11. Arzamasov B.N., Makarova V.I., Mukhina G.G. i dr. Materialovedenie: uchebnik dlya vuzov. M.: Mashinostroenie. 2002. 648 p.
12. Kolesov S.N., Kolesov I.S. Materialovedenie i teklmologiya konstruktsionnykh materialov. M.: Vysshaya shkola, 2004., 519 p.
13. Solntsev Yu.P., Pryakhin E.I., Voitkim F. Materialovedenie: uchebnik dlya VUZov. Izd-e 2-е, pererab. i dop. SPb KliIMtZDAT, 2002, 696 p.
14. Rzhevskaya S. V. Materialovedenie. Izdanie2-e, stereotipnoe. M: MGTU, 2000. Авторы публикации
Сироткин Олег Семенович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технологии материалов» Казанского государственного энергетического университета.
Сироткин Ростислав Олегович - кандидат химических наук, PhD, доцент кафедры «Материаловедение и технологии материалов» Казанского государственного энергетического университета.
Гатиятова Алсу Расиховна - кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и технологии материалов» Казанского государственного энергетического университета.
Authors of the publication
Oleg S. Sirotkin - Dr. Sci. (techn.), Professor, head of Department of materials Science and technology materials of the Kazan state power engineering University.
Rostislav O. Sirotkin - cand. Sci. (chem), associate Professor, Department of materials Science and technology materials of the Kazan state power engineering University.
Alsu R. Gatiyatova - cand. Sci. (pedagogic.), senior lecturer of the Department of materials Science and technology materials of the Kazan state power engineering University.
Дата поступления 18.02.2017.
