ОСНОВЫ УНИВЕРСАЛЬНОЙ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Основная цель материаловедения, как известно, — расширение технологических возможностей придания материалу требуемых эксплуатационных свойств. При этом при изготовлении целого ряда изделий для новой техники особое значение приобретает не просто выбор материала из уже существующих разработок, а разработка и конструирование принципиально новых материалов с комплексом свойств, недостижимых у серийных образцов.

Здесь особое значение приобретает понимание того факта, что по мере развития парадигмы использования на практике диаграмм состояния «состав—свойство» выяснилась [19] ее ограниченность в описании свойств материалов, что связано с игнорированием влияния структуры на свойства материала. И.В. Тананаевым в начале второй трети XX в. была сформулирована новая парадигма «состав—структура—свойства», на которую опирается новый методологический подход Ю.П. Солнцева и др. [12] к определению свойств материалов для техники — система исследований, испытаний, разработок, объединенных термином «инжиниринг материалов». Особенностью этого подхода (рис. 9.24) является совокуп-

Схема разработки новых материалов по системе «инжиниринг

Рис. 9.24. Схема разработки новых материалов по системе «инжиниринг

материалов»

ность материаловедческих, технологических и производственных аспектов, практическая реализация которых гарантирует обеспечение требуемого уровня служебных свойств материала и его надежности. Однако и этот метод, по нашему мнению, должен быть усовершенствован, так как не учитывает влияние специфики природы химической связи и четырех базисных инноваций, рассмотренных в настоящем учебнике.

В общем виде взаимосвязь всех этих факторов с учетом базисных инноваций материаловедения как единой науки о металлах и неметаллах и технологическая последовательность решения поставленной задачи представлены в виде схемы (рис. 9.25).

Очевидно, что обе рассмотренные схемы проектирования материалов для машиностроения, энергетики и других отраслей промышленности должны опираться на данные, получаемые на основе базисных инноваций (рассмотренных ранее), учитывающие закономерности многоуровневой структурной организации металлических и неметаллических материалов (см. табл. 4.1) и оценку влияния металлической, ковалентной и ионной составляющих гомо- гетероядер- ного взаимодействия фаз на общую структуру и свойства соответствующих металлических и неметаллических материалов и изделий.

Таким образом, особое значение в современной методологии приобретает возможность решения проблемы получения материала с комплексом требуемых эксплутационных свойств с опорой на базисные инновации в виде универсальной системы понятий материаловедения (см. рис. 1.4), унифицированной классификации уровней структурной организации материалов (см. табл. 4.1), единой модели хими-

Методология основных технологических этапов конструирования материалов с комплексом заданных свойств

Рис. 9.25. Методология основных технологических этапов конструирования материалов с комплексом заданных свойств

ческой связи элементов электронно-ядерной микроструктуры материала (см. рис. 5.13) и Системы химических связей и соединений (СХСС, см. рис. 6.2 и табл. 6.1).

Развитие данного направления позволяет заложить современную методологию прогнозирования и конструирования структуры материалов нового поколения на основе разработки единого универсального подхода к оценке структуры и свойств металлических и неметаллических материалов.

Этот подход основывается на следующей методологии конструирования структуры материалов через систему соответствующих технологических приемов:

1) получение материала и изделия с комплексом заданных свойств отвечающее следующей методологии их конструирования: состав и тип связи — особенности многоуровневой структуры — свойства — область применения.

Ведь очевидно, что именно разница в химическом элементном составе (прежде всего ^-элементы) и типе связи элементов в цепях макромолекул (преимущественно ковалентная) полимеров (и неметаллов в целом) и металлов (в основном 5- и d-элементы, связанные металлической связью) и приводит к кардинальной разнице в их структуре и свойствах.

Традиционные органические (углеродные) полимеры типа термопластов (табл. 9.15) и термореактопластов (табл. 9.16) являются материалами на основе олиго- и высокомолекулярных соединений, имеющими низкие температуры плавления и переработки, обладающими эластичностью, диэлектрическими свойствами и т.д. и относительно низкими механическими свойствами [3, 9].

При этом недостатки физико-химических и механических свойств органических полимеров решаются при использовании элементоорганических (смешанных) и неорганических (безуглеродных) полимеров (оксидов, нитридов и т.д.), а также композиционных или гибридных на мезо-, макро- и химическом микроструктурных уровнях строения материалов.

Металлы же, наоборот, являются немолекулярными соединениями, имеющими высокие температуры плавления (например, температура плавления железа 1539 °С) и переработки в изделия литьем, ковкостью, электропроводимостью и т.д. и т.п. Разница свойств приводит к разнице технологий переработки металлических и неметаллических материалов в изделия. Например, обработка давлением металлов предполагает возможность их прокатки, волочения, штамповки и ковки, обработки резаньем и т.д.

При этом литье изделий из металлов протекает при высоких температурах на порядок и более, чем литье органических полимерных

Таблица 9.15

Свойства некоторых термопластичных полимеров

Материал

ав, МПа

8, %

ан, кДж/м2

Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки) Т, °С

Полиэтилен: низкой плотности (< 0,94 т/м3), высокой плотности (> 0,94 т/м3)

  • 10-18
  • 18-32
  • 300-1000
  • 100-600

не ломается 5-20

  • 60-70
  • 70-80

Полипропилен

26-38

700-800

3-15

100

Полистирол

40-60

3-4

2

50-70

Поливинилхлорид:

жесткий,

пластикат

  • 50-65
  • 10-40
  • 20-50
  • 50-350

2-4

не ломается

  • 65-85
  • 50-55

Фторопласт-4

20-40

250-500

16

250

Фторопласт-3

37

160-190

8-10

150

Органическое стекло

80

5-6

2

65-90

Капрон (сухой)

75-85

50-130

3-10

80-100

Примечание. ов — удельная прочность; 6 — относительное удлинение; ан — ударная вязкость.

Таблица 9.16

Свойства некоторых термореактопластичных полимеров

Материал

св, МПа

5, %

ан, кДж/м2

Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки) Т, °С

Фенопласты

15-35

1-5

<1

200

Полиэфиры

42-70

2

<1

95-120

Эпоксидные смолы

28-70

2-6

<1

150-175

Силиконы

22-42

5-10

<1

350

Порошковые пластмассы

30-60

1-3

0,5-5

100-200

Волокниты

30-90

1-3

10-20

120-140

Гетинаксы

60-70

-

4-5

125

Текстолиты

65-100

1-3

20-35

90-105

Стеклотекстол иты

200-600

1-3

50-200

200-400

Вспененные пластмассы

0,5-2,5

-

1

-

материалов, так как в последнем случае необходимо преодолеть энергию связи лишь межмолекулярного взаимодействия, более слабого, чем преодоление энергии химической связи при плавлении металла. В результате технологии производства полимерных материалов отличаются от технологии производства металлических и керамических изделий (прессование, пластическое и шликерное формование) прежде всего большим применением литья, экструзионного формования, выдувания, вакуум-формования и т.д., протекающих при значительно более низких температурах. При этом полимерные материалы в целом ряде случаев, например для изготовления бытовой техники, являются более технологичными, чем металлы.

С другой стороны, отметим большую роль термической обработки (отжиг, включая возврат, рекристаллизация и т.д., закалка, отпуск и т.д.) и ХТО в металлах и стеклах, по сравнению с органическими полимерами.

Особо следует отметить специфическую разницу технологий сварки металлических и полимерных материалов, где в первом случае особое значение имеет электросварка. Причем в этом случае имеет место разница на порядок и более температур плавления материала, при которых протекает сварка металлов и полимеров, определяемая принципиальным отличием их структуры и свойств, а также природой плавления этих материалов. В металлах при сварке происходит обратимое разрушение химической структуры исходных материалов, а в полимерах (сварка полиэтиленовых труб) — лишь их превращение на уровне надмолекулярных структур, без разрушения химических связей. Ведь после разрушения последних (в отличие от металла) в полимере происходят деструкция макромолекул и необратимое разрушение его структуры;

  • 2) правильный выбор природы (состав, тип связи, структура и т.д.) исходных веществ для получения необходимого сырьевого материала или технологии обработки уже готового сырья;
  • 3) оптимизация обработки или переработки материала (через создание необходимой структуры вещества) в конечное изделие, характеризуемая комплексом заданных свойств в результате механического (деформационное упрочнение, включая наклеп в металлах или получение высокомодульных волокон полимеров и т.д.); теплового (термообработка — отжиг, закалка, отпуск и т.д.); физического (лазерное, магнитное, ультразвуковое токи высокой частоты или СВЧ и т.д.); химического (воздействие химических веществ, в процессе легирования или модификации их структуры и свойств на электронно-ядерном химическом уровне и т.д.) и смешанного (термомеханического, термохимическое или ХТО, термомагнитное, электротермическое и т.д.) типов воздействий.

Выбор той или иной обработки или их нескольких разновидностей определяется необходимым воздействием на конкретный уровень структуры (микро-, мезо- или макро-) материала или их совокупность для придания материалу заданных свойств.

Таким образом, управление всеми уровнями структуры материала: микроструктура: тонкая электронно-ядерная или молекулярная (химическая) и нано-; мезо- и макроструктуры (см. табл. 4.1) — в результате перечисленных различных типов воздействий на строение вещества является основным фактором получения материала с комплексом заданных свойств. При этом понятно, что сегодня наиболее прорывные приемы и технологии получения материалов с комплексом качественно новых свойств должны обеспечивать изменение их строения прежде всего на тонких нано- и электронно-ядерном уровнях их микроструктуры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >