Материалы с заданными свойствами – это природные материалы, которые были подвержены изменению со стороны человека для создания более новых, надежных материалов, которые мог бы иметь хорошую прочность, небольшой вес и габариты, такие материалы так же называют наноматериалами или полимерами. В настоящее время невозможно обойтись без таких материалов. Так как большинство элементов повседневной жизни созданы из материалов такого рода.
Благодаря изобретению и созданию таких материалов уровень развития технологий прогрессивно поднялся до небывалого уровня, это позволило удовлетворять почти все самые сложные потребности современного общества.
Создание и изучение новых наноматериалов — это основа развития науки и техники. Современная промышленность запрашивает новые материалы с такими свойствами, которые недостижимы в обычных металлах, сплавах, полимерах и т. п. Наноструктурные металлы и сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, повышенной прочностью при одновременно высокой пластичности, что дает возможность создавать принципиально новые конструкционные и функциональные материалы. В большинстве случаев при создании таких материалов необходимо сделать определенный выбор и четко охарактеризовать условия применения материала, так как в настоящее время еще не существует “идеального” материала, который мог бы подойти ко всем необходимым критериям, поэтому при создании материала приходится пренебрегать одними характеристиками это необходимо для достижения максимального КПД данного материала и для достижения необходимых свойств по заданным требованиям. В пример можно взять создание сплавов металлов и их термообработку в металлургии, обычно сплавы с высокой прочностью являются недостаточно пластичными и наоборот, пластичные сплавы недостаточно прочными.
Благодаря изобретению и созданию таких материалов уровень развития технологий прогрессивно поднялся до небывалого уровня, это позволило удовлетворять почти все самые сложные потребности современного общества.
Цель: выяснить область применения строительных материалов с заданными свойствами в современном мире.
Задачи проекта:
Выяснить, как влияет внутреннее строение веществ на их физические свойства.
Рассмотреть особенности создания материалов с заданными свойствами.
Рассмотреть область применения материалов с заданными свойствами в строительстве.
Выяснить перспективы развития технологий создания новых материалов с учетом запросов современной архитектуры.
Исследование базируется на методе анализа, позволяющем рассмотреть тенденции в создании новых материалов, использующихся в строительстве и типологическом методе, позволяющем систематизировать новые технологии производства.
На данный момент издано большое количество научной, научно-популярной литературы, статей, где анализируются значимость создания материалов с заданными свойствами, рассматривается необходимость их применения в современной архитектуре. Существует достаточно большое число источников, в которых затрагивается поставленная в исследовании цель.
Источники исследования.
1. Научные труды, соответствующие тематике исследования.
2. Профильные электронные ресурсы.
История появления материалов с заданными свойствами
Еще на ранних этапах развития человечества, люди использовали ограниченное количество материалов, это были природные, сырьевые материалы такие как камень дерево и т.п. По мере развития технологий появилась необходимость в создании более надежных материалах с необходимым комплексом свойств, для выполнения той или иной функции.
Со временем было обнаружено, что свойства каждого материала могут изменятся в результате термической обработки или при добавлении других материалов или субстанций, таким способом люди научились создавать различные металлы и строительные материалы, такие как термически обработанная глина, бронза – сплав меди и олова. Появление бронзы ознаменовало новый виток развития оружейных и архитектурных технологий (3500-1200до н.э.). это были первые материалы в истории человечества, которые превосходили по свойствам и характеристикам природные вещества.
Позже в 850-900г н.э. началось массовое использование бетона римлянами. Причем множество строений сохранилось до нашего времени в первозданном виде такие как Пантеон. Однако постоянные войны снижали эффективность преемственности поколений. Так и рецепт уникальной структуры римского бетона с использованием пуццоланового вяжущего был утерян и забыт. Однако уже в 1796 году англичанину Джеймсу Паркеру удалось получить цемент путем обжига мелкозернистой глины с известью. И название дали в духе времени – «романцемент». Но свойства «романцемента» не могли удовлетворить возрастающим строительным требованиям и поэтому эксперименты в векторе поиска идеального бетона продолжались. Уже в 1825 Егор Челиев вывел новую методику изготовления цемента в царской России. Так, этот компонент применялся в процессе сооружения Московского Кремля.
Уже во второй половине двадцатого века, появилась как наука, материаловедение, это было связано с резким возрастанием необходимости материалов в развитии строительства, современной техники и новых технологий.
Со временем, когда уровень развития технологий достаточно вырос, а именно уже сравнительно недавно примерно 100 лет назад, ученые поняли, что существует соответствие между структурными элементами материала, и самим материалом. Такое, казалось бы, небольшое открытие привело к развитию и появлению множества различных материалов с улучшенными характеристиками и со своими отличительными особенностями. Создание принципиально новых материалов, позволило создавать на их основе современные сложнейшие конструкции и позволило добиться невероятных научных достижений в таких сферах как космонавтика, информационные технологии, строительство, а также это позволило создавать атомные электростанции.
Полупроводники и полупроводниковые приборы в строительстве
Существует такая группа веществ, которые по своим электропроводным свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие вещества называют полупроводниками. К этим веществам можно отнести множество химических элементов, фосфор, кремний, германий и другие. Но наиболее характерными полупроводниками являются германий и кремний. С ними связаны множество успехов в создании полупроводниковой электроники. Атомы этих веществ, образуют кристаллическую решетку по типу алмаза с ковалентной связью атомов.
От классических проводников полупроводники отличаются концентрацией свободных электронов. Концентрация носителей заряда в полупроводниках значительно меньше, чем в металлах, поэтому удельное сопротивление полупроводников гораздо больше, чем у проводников.
Удельное сопротивление полупроводников значительно зависит от температуры. Наличие примесей также может по-разному влияет на электрическую проводимость проводников, а также металлов. Из-за особенности кристаллического строения в полупроводниках имеются электроны проводимости.
Если в проводнике создать электрическое поле, то движение как электронов, так и дырок принимают направленный характер, при чем дырки перемещаются в направлении поля, а электроны – на встречу им.
В чистом полупроводнике число свободных электронов равно числу дырок, поэтому проводимость чистых полупроводников на половину электронная, на половину дырочная. Такую проводимость называют собственной проводимостью.
Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились ещё в 1920 - 1930-х годах в СССР. Уже в 1924 году в Нижегородской радиолаборатории учёный О. В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. Позже, на этой основе впервые в мире было создано детекторное приёмопередаточное устройство – Кристадин.
Применение нанотехнологий в изобретении новых строительных материалов
В настоящее время существуют такие материалы как наноструктурные материалы. К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Нанотехнология – это, по сути, междисциплинарная область науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размерами в несколько десятков нанометров. Сам термин «нанотехнология» появился в 1794, ввел его японец Норио Танигути. Уже в 1981 году появился первый туннельный микроскоп, инструмент необходимый для взаимодействия с атомами веществ. Считается что нанотехнология сформировалась на этапах изменений в компьютерных технологиях. Особенно важным событием в истории стало изобретение транзистора в 1947г. Однако нанотехнология используется не только в изучении и изобретении новых полупроводниковых и магнитных запоминающих устройств. Уже в наше время нанотехнологии позволяют развивать другие направления науки и техники. На основе материалов с новыми заранее заданными свойствами создаются новые типы
Свойства наноматериалов определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов). В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по данным признакам.
Наноматериалы могут быть неорганическими веществами такие как, металлы и неметаллы, органическими, например полимеры, а также композиционными материалами. Выделяют три класса наноматериалов, это наночастицы, нанослои и плёнки, а также объёмные наноструктурные материалы.
Наночастицы это твердые тела, размеры которых не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести нанопорошки, нановолокна, нанопроволоки и нанотрубки.
Нанометровые плёнки позволяют решать такие задачи как, повышение износостойкости и коррозионной стойкости материалов, создание магнитных сред для записи и хранения информации, а также изменение оптических свойств в стеклах, линзах и зеркалах и др.
Нанокомпозит это многокомпонентный твердый материал, в котором хотя бы один компонент снабжен средним параметром кристаллитов в нанодиапазоне до 100 наномикрон. Упрочняющими фазами нанокомпозитов могут быть пленки, а также волокна или частицы. Толщина пленок, диаметр волокон и размер частиц лежат в нанометровом диапазоне. В качестве матриц композитов используются металлы, керамика или полимеры.
Принципиальным отличием нанокомпозитов от композиционных материалов, является размер упрочняющей фазы. Это определяет более высокие механические свойства нанокомпозитов. Волокна или нанотрубки, используемые в нанокомнозитах, имеют большую прочность, чем углеродные, борные, стеклянные и другие волокна, традиционные для композиционных материалов.
Также известно, что теплоизоляционная защита для многоразового корабля «Буран», созданная учеными ВИАМ, сделана из отдельных элементов – плиток из теплозащитного материала из особочистых кварцевых волокон с стекловидным покрытием. Такое решение приняли вследствие того, что кварц более стабилен, в процессе нагрева и в нем не происходит полиморфных превращений, в результате этого он не трескается. Вдобавок кварц имеет рабочую температуру 1250 градусов, эти плитки приклеивалась к корпусу "Бурана" через демпфирующую фетровую подложку, которая, в свою очередь, приклеивалась к плитке с помощью эластичного клея. Он должен был выдерживать большой перепад температур, большие напряжения, не "глотать" влагу. И вся «начинка» была создана нашим институтом.
Применение полимеров в строительных сферах
Полимеры – это кристаллические и аморфные вещества, которые могут быть как органическими или неорганическими и представляют собой высокомолекулярное соединение с большим количеством мономерных звеньев. Полимеры формируются из мономеров в результате таких реакций, как: полимеризация и поликонденсация.
К полимерам можно отнести различные природные соединения как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и т.д. Также полимеры получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения благодаря реакциям полимеризации, поликонденсации и химическим превращениям.
В строении полимера выделяют мономерные звенья — повторяющиеся структурные фрагменты, которые включают в себя несколько атомов. В состав полимера входит большое количество повторяющихся звеньев одинакового строения. Высокомолекулярные соединения, в состав молекул которых входит несколько типов повторяющихся группировок, называются гитерополимерами или сополимерами. Для образования полимера из мономеров нужна реакция поликонденсации или полимеризации. Многие природные соединения относятся к полимерам: нуклеиновые кислоты, белки, каучук, полисахариды и прочие органические вещества.
Существует также немало неорганических полимеров. Большая их часть получается синтетическим путем благодаря простейшим соединениям природных элементов и реакциям полимеризации или поликонденсации, а также и химическим превращениям. Для образования названий полимеров перед названием мономера ставят приставку поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и пр.
К полимерам относятся различные АБС, ПВХ пластики, поликарбонаты, полиэтилены, полистирол, искусственный каучук, а также композитные составы с армирующими элементами из углеволокна, стекловолокна, стеклохолста, металла и т.д. В отличие от традиционных строительных материалов, нужные технические характеристики полимеров задаются при их производстве. В зависимости от конкретных требований синтетические материалы могут обладать различной прочностью, гибкостью, цветом, степенью прозрачности, стойкостью к температурным воздействиям.
Теплоизоляция. Синтетические теплоизоляционные материалы занимают огромное место на современном строительном рынке. Наиболее востребованными синтетическими утеплителями являются: пенополистирол (пенопласт), экструдированный пенопластерол и пенополиуретан жесткого и напыляемого типов.
Гидроизоляция. Полимерные материалы обладают отличными гидроизоляционными свойствами, благодаря этому полимеры входят в состав различных водозащитных систем, в том числе, окрасочного, обмазочного, оклеечного, штукатурного и проникающего типов. Более известными видами полимерной гидроизоляции являются: битумнополимерные составы служащие для обмазки горизонтальных и вертикальных бетонных поверхностей, полимерные мембраны ПВХ и ТПО, штукатурные гидроизоляционные составы, проникающие составы, это более современный способ гидроизоляционной защиты железобетонных конструкций. Одновременно состав также увеличивает прочностные характеристики существующих сооружений из бетона.
Полимерные полы. Такие полы позволяют создать идеально ровное покрытие на черновых конструкциях из бетона, древесины, металла. Образуемая в результате отверждения поверхность полимеров, не нуждается ни в какой дополнительной отделке. Наибольшее распространение наливные полы получили в производственных зданиях, торговых центрах, складских помещениях, медицинских и образовательных учреждениях.
Клеевые составы выполняют такую функцию как ремонт бетона и производство клееных деревянных конструкций. В результате возрастания популярности последних в состав клея вводятся добавки, снижающие или даже полностью исключающие вероятность возгорания древесины. Также популярностью пользуются и полимерные химические анкеры, для фиксации тяжеловесных металлических деталей в вертикальных и горизонтальных конструкциях из бетона и в кирпичной кладке.
Применение материалов с заданными свойствами в строительных сферах
Российской Федерации
В современных сферах строительства нашей страны постепенно начали появляться все более новые материалы, и тем самым улучшая и развивая новые технологии строительства различных типов зданий и сооружений. Одно из таких сооружений является Крымский мост – транспортный переход через Керченский пролив, соединяющий Керченский и Таманский полуострова. Этот мост был создан с использованием новейших технологий и материалов, для нашей страны этот проект стал символом сильной политической воли и высокой степени экономического развития, которого она достигла за последнее десятилетие.
Масштаб данного проекта был по истине велик, на данный момент Крымский мост считается самым длинным мостом в России, его протяженность составляет 19км, причем он состоит из параллельно расположенных автомобильной и железной дорог. Уже сейчас очевидно, что мост через Керченский пролив является одним из самых сложных сооружений в инженерной практике России. После успешного возведения Крымского моста Технологии, реализованные при строительстве начали применять на других объектах транспортной инфраструктуры в регионах РФ.
Со времен создания полупроводниковых транзисторов и создания первого компьютера прошло не мало времен, технологии полупроводниковых приборов развивалось, уже в наше время такие технологии регулярно используются в строительстве и проектировке зданий, одной из таких технологий является BIM – Building information modeling. Такая технология позволяет создать комплексное представление в цифровом виде физических и функциональных характеристик объекта. Благодаря BIM созданная виртуальная модель объекта позволяет специалистам увидеть все проблемы и несостыковки, вносить корректировки, предвосхищать риски будущей конструкции, рассчитывать ресурсы и контролировать процесс работ.
Так же совершенно недавно в строительстве начали применять влагостойкий гипсокартон, такой вид материала предназначен для использования в помещениях с повышенным содержанием водяных паров. Благодаря особому составу центрального листа, гидрофобным и фунгицидным пропиткам он может применяться в ванных комнатах и на кухнях.
Заключение
Еще с древних времен человек возводил простые укрытия, это были укрытия от природных воздействий и нападения зверей, такими укрытиями как правило были шалаши или землянки. Но с течением времени технологии постройки и организации пространства становились все более осмысленнее, начали появляться всё более новые материалы, вместо землянок начали появляться деревянные и позже каменные здания, начали появляться маленькие селения, которые разрастались в численности и становились городами, за все это время технологии возведения зданий, за буквально небольшие сроки достигли небывалых высот. Уже в древнем Египте люди начали массово использовать камень, в обработке которого они достигали совершенства и даже по сей день постройки этой великой цивилизации радуют и удивляют нас.
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов остается. Многие используемые нами материалы получают из невосполнимых ресурсов. К таким ресурсам относится, полимеры, первичным сырьем для которых является нефть, а также некоторые металлы. Эти невосполнимые ресурсы постепенно исчерпываются. Из этого возникает необходимость в создании новых материалов со свойствами, аналогичными существующим, но более экологичными в стадии создания и эксплуатации.
Так же существует общепризнанная потребность в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в эффективном использовании существующих источников. Следовательно, можно понять, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии как промышленности, так и строительства.
Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды.
Для контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, существует необходимость в усовершенствовании методов переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей природе при добыче полезных ископаемых.
Как следствие всего этого возникает необходимость экономической оценки не только производства, но и учета экологических факторов, в следствии этого оказывается необходимым проанализировать весь жизненный цикл материала.
XXI век станет эпохой расцвета строительства и следовательно, инновационных строительных материалов и технологий.
Использованные источники
Физика 11 класс: учеб. Для общеобразовательных учреждений с прил. На электрон. носителе: базовый и профильный уровни / Г. Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфеньтевой. – 21-е изд. – М.: Просвещение, 2012.
Статья Современное строительство без современных материалов – Режим доступа: https://ardexpert.ru/article/3959.
Полимерные материалы в строительстве (Нормативная литература) – Режим доступа: https://perekos.net/sections/view/59.
Б.М. Балоян «Наноматериалы» Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения – Режим доступа: https://www.sgu.ru/sites/default/files/method_info/2020/b.m._baloyan_i_dr._nanomaterialy.pdf.
Применение полупроводников — справочник студента – Режим доступа: https://school16rostov.ru/estestvennye/primenenie-poluprovodnikov-spravochnik-studenta.html.
