Материал: Менеджмент и маркетинг

ходящие материалы. Успехи в понимании того, чем определяется тип материала, зачастую предшествуют развитию новых технологий. Во многих случаях задача состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует делать окончательный выбор. Прежде всего необходимо четко охарактеризовать условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям, поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала по сравнению с другими, более важными. Классический пример – это требования по прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях следует приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.

Основными областями применения новейших материалов в последнее время являются энергосберегающие процессы, охрана окружающей среды, новые методы передачи информации, ядерная энергетика, космические аппараты, биотехнологии и т.д.

Все материалы в зависимости от применения можно разделить на две группы:

1)связанные с использованием специальных свойств и сфер применения – превращение и передача энергии или информации, ферромагнетики, фоторезисторы, материалы с высоким электрооптическим коэффициентом, сенсорные материалы, высокотемпературные материалы и т.д.;

2)конструкционные материалы и материалы потребительских то-

варов.

Материалы первой группы производятся в относительно малых количествах, цена их на единицу веса высока, области применения достаточно узкие. Материалы второй группы – материалы широкого рынка, производятся в больших количествах, относительно дешевы. Успешное применение новых материалов обеспечивается лишь благодаря тесной связи производителя и потребителя, т.е. согласованию фактических свойств, эксплуатационных условий и цены.

16

PNRPU

Развитие новых технологий, в том числе нанотехнологий и наноматериалов, определяет сегодня будущее стран, также как и наличие природных ресурсов.

Множество различных материалов используется в строительстве, производстве машин, приборов и оборудования. Строго подсчитать их число практически невозможно, потому что непрерывно создаются новые и прекращается применение устаревших. Часто эти материалы, называемые конструкционными, имеют узкофункциональное назначение: металлы с особыми электрическими и магнитными свойствами, демпфирующие, с памятью формы и др. Конструкционные материалы характеризуются двумя главными параметрами – прочностью и пластичностью (вязкостью). Первый обеспечивает в основном надежность работы материала, второй – его способность

кформообразованию.

Всовременной технике используются четыре вида конструкционных материалов: металл, керамика, композиты и полимеры. Все они имеют качественные характеристики, открывающие возможность широкого применения в конструкциях. Однако уровень и соотношение прочности и пластичности ограничивают сферу их использования (рис. 1.4). Например, из керамики, обладающей высокой прочностью, но низкой нормализованной вязкостью, трудно делать детали, работающие на растяжение. Очень хорошие главные характеристики у полимеров. Однако такие их свойства, как низкая конструктивная жесткость (особенно в тонких сечениях), сравнительно узкий температурный интервал сохранения прочности, отсутствие методов регенерации (утилизации) отходов, сужают сферу их применения. Композиционные материалы можно создавать практически с любыми заданными свойствами, но они только начинают входить в конструкторский арсенал.

Металлы и сплавы (на основе железа, алюминия, титана и др.) охватывают огромный диапазон прочности и пластичности, что и предопределяет их широчайшее использование в конструкциях. К тому же металлические материалы отличаются от современных керамических и композиционных низкой стоимостью. Удельная энергоемкость производства даже высококачественной нержавеющей стали почти в пять раз меньше, чем у известных углепластиков. Еще одно достоинство большинства металлических материалов – возможность их многократ-

17

ной регенерации. Таким образом, хорошие конструктивные свойства, низкие удельная энергоемкость и цена долго будут определять приоритет металлов и сплавов. Однако наука может многое изменить.

Рис. 1.4. Области пластичности и вязкости современных конструкционных материалов: Е – модуль упругости; σВ – предел прочности; G – вязкость разрушения; А − атомный радиус

В странах СНГ металлы (сталь, алюминий, титан) составляют

вконструкциях 95–96 %; в США, Японии и европейских государствах – 90–92 %, там большее распространение получили полимеры.

Большинство применяемых сегодня материалов производится такими способами, как плавка и литье. В то же время важное место

всоздании и производстве новых материалов занимает порошковая технология, составляющими которой являются порошковая металлургия и металлургия гранул.

18

1.2. Материалы, используемые

ввысокотехнологичных изделиях

Прогрессивные материалы

Под высокими технологиями обычно подразумевают устройства или изделия, работа которых основана на использовании сложных современных принципов. К числу таких изделий относится различное электронное оборудование, в частности цифровые видео- и аудиокамеры, CD/DVD-проигрыватели, компьютеры, оптико-волоконные системы, а также космические спутники, изделия аэрокосмического назначения и ракетных технологий. Материалы, которые предназначены для использования в высокотехнологичных изделиях (хай-тек), иногда условно определяют термином «прогрессивные».

Прогрессивные материалы, по существу, представляют собой обсуждавшиеся выше вещества, но с улучшенными свойствами, а также новые материалы, обладающие выдающимися характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или полимерами, однако их стоимость обычно очень высока. К числу прогрессивных материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества, которые мы называем «материалами будущего». Это так называемые «умные» материалы и изделия нанотехнологий, которые предназначены, например, для изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации, дисплеев на жидких кристаллах и оптических волокон.

Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможной разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.

19

Биоматериалы

Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека (т.е. не должны вызывать реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ – металлы, керамика, полимеры и полупроводники – могут быть использованы в качестве биоматериалов. В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.

Материалы будущего

«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых искусственно разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает, что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и отзываться на эти изменения заранее определенным образом – качество, присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и традиционных веществ.

Вкачестве компонентов умных материалов (или систем) могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженностиэлектрическогоилимагнитногополей.

Вкачестве активаторов обычно используют материалы четырех типов: это сплавы с памятью к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики, магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные жидкости.

Сплавы с памятью – это металлы, которые после деформирования возвращаются в исходную форму, если изменилась температура.

Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются

вответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнит-

20