Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

201

переработке, либо к утилизации без вреда для окружающей среды и

человека. Отсюда – все более тесное взаимодействие изготовителей

автомобильной техники с изготовителями (поставщиками)

материалов для нее.

Но взаимодействие это не бесконфликтно. С одной стороны

готовность поставщиков материалов удовлетворять новые

требования со стороны автомобилестроительных фирм – одно из

важнейших условий допуска продукции последних на

рынок

автомобилей и успеха на этом рынке. С другой стороны, внедрение

новых материалов может потребовать кардинального изменения

технологии производства, философии проектирования автомобилей,

что не всегда можно сделать быстро. Поэтому такие изменения

планируются и вводятся постепенно, в результате своеобразного

компромисса между автомобилестроителями с разработчиками и

изготовителями материалов.

Особое и все более

заметное место в автомобилестроении

приобретают полимерные материалы. Их

доля в общей массе автомобиля

в настоящее время составляет ~10 %, а по прогнозам экспертов, достигнет 15

%. В абсолютных цифрах это выглядит следующим образом: в 1996 г. средний

легковой автомобиль производства США

содержал 120 кг пластмасс, 114

кг алюминия и 807 кг стали. Причем из пластмасс выпускается

основная номенклатура деталей салона инавесных. Возрастет их доля

(прежде всего полиамида) и в подкапотном пространстве.

Схема уменьшения массы деталей автомобиля. Уменьшение

массы, которое может быть достигнуто при проектировании той или

иной детали путём замены традиционного материала более лёгким

зависит от функционального назначения детали. Плотность литого

алюминия на 65 % меньше, чем у чугуна. Однако чугун имеет более

высокую жесткость по сравнению с алюминием. Поэтому, для того

чтобы получить ту же жесткость в алюминиевой детали, потребуется

больше алюминия, и фактическое снижение массы составит всего

лишь 11 %. Если же алюминиевая деталь должна иметь

ту же

прочность, что и чугунная, выигрыш в массе составит 66 %. В

реальных проектных ситуациях снижение массы от замены чугуна

алюминием может быть от 35 до 60%. Аналогично алюминий и

стеклопластик значительно легче мягкой стали.

Некоторые фирмы (“Ауди”, “Тойота”, “Хонда”, “Шевроле”,

“Рено”) для изготовления части панелей кузова применяют

термопластичные и термореактивные пластики (полиуретан,

202

полипропилен, сплав поликарбоната с

акрилнитрилбутадиенстиролом, модифицированный

поливиниленоксид), но пока только на отдельных моделях, потому

что изготовление деталей из пластмасс обходится, как сказано выше,

дороже, чем из стали, и, кроме того, перед покраской в

электростатическом поле их нужно покрывать электропроводным

грунтом. Снижение массы автомобиля массового производства не

компенсирует более высоких затрат. Зато

уже передние и задние

бамперы легковых автомобилей изготовлены из модифицированного

каучуком полипропилена, решетка радиатора – из

полипропиленового компаунда, АБС-пластиков, сплавов на основе

поликарбонита и акрилнитрилбутадиенстирола. Крышки багажника

выполнены из того же сплава или теплостойкого АБС-пластика.

Декоративные вставки – из полипропиленового компаунда,

пластиката ПВХ и эластомера на основе этиленпропиленовых

каучуко. Ручки

дверей - из стеклонаполненныого полиамида,

полибутилентерефтолата и полиэтелентерефтолата. Рефлекторы фар

легковых автомобилей – из модифицированного поликарбоната и

полифениленоксида, полиэфирного стеклопластика, полиэфиринита.

Топливные баки выполнены как однослойные из высокоплотного

полиэтилена низкого давления с последующим фторированием или

сульфонированием поверхности с целью снижения

бензопроницаемости, так и многослойные из высокоплотного

полиэтилена низкого давления с барьерным слоем из

полиамида.

Быстроразъемные соединения топливных трубопроводов выполнены

из полиамида. Каркасы мягких панелей приборов изготовляют из

стеклонаполненного или тальконаполненного полипропилена,

эластичный слой – из пенополиуретана, облицовка – из плёнки

АБС/ПВХ, жёсткие панели – из полипропиленовых компаундов и т.д.

Основные тенденции в развитии материалов для двигателей и

шасси автомобиля – это снижение их массы, улучшение

прочностных

характеристик, технологичности изготовления, повышение

надёжности и ресурса. Так, прочностные характеристики, модуль

упругости и теплопроводность деталей улучшают, переходя на чугун

с комбинированной формой графита. С целью снижения массы

подвижных деталей (шатун, клапан, тарелка и пружина клапана и др.)

возможна замена сталей сплавами на основе алюминия и титана;

алюминиевое литьё и литьё

из высокопрочных сплавов на основе

магния внедряются в производство блоков цилиндров. (По данным

203

SAE, в 1960 г. на легковом автомобиле производства США было 23

кг алюминия, а в 1996 г. – 114 кг. Прогноз на 2010 г. – 230 кг.)

Процессы получения шатунов:

a) ковка обычная;

b) ковка порошковая.

“Конкуренция” между процессами может влиять на

использование материалов так же, как и “конкуренция” между

материалами. Матрица для порошковой ковки стоит дороже, чем

обычный

ковочный штамп, однако новый метод требует меньших

затрат труда и даёт заготовку более точных размеров, что уменьшает

потери металла при окончательной обработке. В результате новый

метод оказывается экономически более выгодным.

В ближайшие годы шестерни коробок передач, возможно, будут

выполняться не из цементуемых хром - , никель - ,

молибденсодержащих сталей, а из микролегированных сталей

повышенной обрабатываемости. Для дисков колес хорошо себя

зарекомендовали стали повышенной прочности и алюминиевые

сплавы. Законодательной инициативой ряда стран в области

снижения внутреннего и внешнего шума требуют применения новых

конструктивных решений, и вибро- и шумо- поглощающих

материалов, таких, как “сэндвичи” типа “металл-пластик-металл”,

выпускаемые фирмами “Антифон”, “Соллак”, “Кавасаки”, “Ниппон.

ближайшее время эти материалы распространятся и на автомобили

с передним приводом (щиток передка, передний пол, арки передних

колёс).

Степень звука изоляции будет повышаться также с помощью

композиционных материалов на основе керамических и

стекловолокон (обивка капота, крыши, шумоизоляция моторного

отсека). Их перспективность – в относительной дешевизне, в высокой

огнестойкости, экологической безопасности при производстве

и в

эксплуатации.

Для того, чтобы выполнить жёсткие нормы по косметической

коррозии многие фирмы для лицевых панелей кузова начали широко

применять стали с двусторонним покрытием. Но это требует более

высокого, сокращающего до минимума объём рихтовочных операций

на лицевых поверхностях чёрного кузова, качества работы в

прессовом и сварочном производствах.

Что касается

самих оцинкованных сталей, то ~ 67 % из них

составляют электрооцинкованные и ~ 33 % - горячеоцинкованные. В

204

дальнейшем, как ожидается, доля последних будет расти, поскольку

толщину их покрытия можно сократить до 6-7 мкм, и их применение

сравняется с электрооцинкованными сталями.

Лакокрасочные материалы и мастики для автомобиля. По

прогнозам западных экспертов, не менее половины всех автомобилей

будут окрашивать водоразбавляемыми лакокрасочными

материалами. Причина – опять-таки экология. Например, в Германии

нормы выброса

в атмосферу (эмиссии) растворителей составляют 120

г/м

окрашиваемой поверхности для металлизированных эмалей и 60

г/м

– для пастельных. Ожидается, что в перспективе эти нормы

будут доведены до 35 г/м

. Кроме того, водоразбавляемые материалы

предоставляют возможность вторично перерабатывать отходы и

уменьшать загрязнение сточных вод.

Второе перспективное направление в области повышения

экологической безопасности окрасочных производств – порошковые

краски, не содержащие растворителей. По прогнозам экспертов, их

применение в автомобильной промышленности США возрастет

ежегодно на 16 %. В связи с требованиями по экологической

безопасности мастики на

основе поливинилхлорида, содержащие

хлориды, которые способны образовывать диоксины, будут

заменятся мастиками на основе акрилатных полимеров и

полиуретанов.

Остекление в ближайшие годы тоже будет совершенствоваться

в основном в 4 направлениях: повышение безопасности, комфорта,

снижения массы и улучшения аэродинамики. Стёкла новых типов

будут иметь защитные электрохромные и фотохромные покрытия,

изменяющие светопропускание и электрообогрев;

всё шире

применяется клеевое соединения стёкол с кузовом.

§7. Материалы для электроэнергетики

Жизнь индустриального общества поддерживается благодаря

непрерывным материалам и энергии. Нельзя перерабатывать

материалы, не потребляя энергии. В то же время получение энергии

вряд ли можно предоставлять без соответствующих материалов.

Все аспекты использования энергии – добыча и переработка

топлива, превращения одних

форм энергии в другие, распределения

энергии в другие, распределения энергии и её эффективное

потребление – зависят от наличия специальных материалов,

205

служащих катализаторами химических реакций, поглотителями

солнечного излучения и проводниками электричества или

способных противостоять коррозии и высоким температурам.

Таким образом, усовершенствование применяемых в

энергетике материалов прямо отражается на жизненном уровне

общества. Жизненный уровень общества сильно зависит от уровня

потребления энергии, роль которого значительно возросла роль в

жизни общества. Возникли новые технологии, телесвязь

и др.,

обрабатывающая и добывающая промышленности и транспорт.

Другой очевидной причиной является то, что новые материалы

способствуют решению проблем окультуривания и эффективного

использования энергии.

Совсем недавно тепловая энергия воспроизводилась добычей

и сжиганием каменного угля. В современном хозяйстве так пока

используется природный газ (после минимальной переработки).

Нефть потребляется как топливо после

значительной химической

переработки, а электричество является продуктом

крупномасштабного преобразования энергетических ресурсов.

Среди мыслимых новых энергетических процессов, только процесс

использования солнечной энергии для отопления и горячего

водоснабжения домов основывается на потреблении природной

энергии в “чистом” виде. Все другие процессы использования

энергии требуют того или иного вида её переработки или

преобразования. Для таких

преобразований нужны

соответствующие материалы. Примером является сталь. Она может

быть в виде кованных изделий, проката, в виде отливок. Как

следствие, свойства и характеристики кованной и листовой стали

оказываются существенно различными: первая обладает большой

прочностью, вторая - дешевле.

Высокая стоимость фотоэлементов объясняется в первую

очередь высокой стоимостью материалов, из которых они

изготавливаются (

из крупных кристаллов кремния исключительной

чистоты). Однако в настоящее время будущее фотоэлементов

представляется более обнадёживающим. В США разработан метод

выращивания кристалла “кремния из дендритной ткани”, что

значительно удешевляет стоимость крупных монокристаллов

кремния.

Получение чистого кремния это только часть стоимости

солнечных фотогальванических элементов. Улучшение

206

технологических стадий легирования, металлизации и

герметизации так же значительно удешевляет этот вид энергии. Для

металлизации вместо серебра теперь можно брать медь, известны

новые материалы для оболочек, автоматизирована пайка

электрических контактов фотоэлементов.

В настоящее время эффективность потребления энергии

составляет не более 10%. На примере преобразования химической

энергии нефти в механическую работу двигателя автомобиля

это

хорошо прослеживается. Стадии добычи сырой нефти, её

переработки с получением бензина транспортировки бензина

относительно эффективны: в целом они поглощают 19% энергии,

содержащейся в сыром источнике (нефть) так, что остаток равен

81%. Следующей стадией является сжигание бензина в двигатели

внутреннего сгорания автомобиля. Коэффициент полезного

действия двигателя составляет не более 30%, так что общая

эффективность после этой стадии не превышает 24%. Далее

возникают дополнительные механические потери при передаче

вращения от двигателя на колёса и при взаимодействии колёс с

дорожным покрытием. В конечном счёте только 10% всей энергии,

заключённой в сырой нефти, расходуется на перемещение

автомобиля.

Входная температура в любом реальном устройстве

определяется рабочими характеристиками материалов.

Значительная

часть усилий, затрачиваемых на разработку

материалов для электростанций и других электросиловых

установок, нацелено то, чтобы создать материалы, способные

работать при более высоких температурах, и тем самым,

приблизиться к термодинамическому приделу КПД.

Одно из характерных долгосрочных перспектив повышения

термодинамического КПД является применение керамических

лопаток в турбинах. Керамические материалы, например, нитрид

кремния (Si

) и карбид кремния (SiC), могут в течение долгого

времени выдерживать температуры, превышающие 1200

Перспективным направлением являются использование

энергии термоядерного синтеза, использование сверхнизких

температур. Кабели со сверхпроводником при криогенных

температурах могут заменить воздушные линии электропередач с

громоздкими мачтами и передавать энергию с меньшими потерями.

Такие кабели могут выдерживать электрический ток плотностью

207

свыше 1500 А/см

. Среди них особенно важен ниобий–титановый

сплав (NbTi), т.к. он легко вытягивается в тонкую проволочку.

Однако критическая температура такого сплава 9,5 К.

Перспективными в направлении повышения с более высокой

критической температурой является сплав ниобия и олова

(критическая температура 18,1 К). Для изоляции такого кабеля при

криогенных температурах может использоваться полипропилен.

Влияние материалов

на использование энергии проявляется

ещё и в том, что они могут повышать надёжность и безопасность

производства и преобразования энергии. Безопасная технология

необходима, например, для длительного хранения радиоактивных

отходов. Общепринятая стратегия в этой области предусматривает

три последовательные операции. Сначала удаляемый материал

преобразуется в относительно нерастворимое твёрдое вещество.

Затем это вещество заключается

в герметичный контейнер. И,

наконец, производится захоронение контейнеров в сухой и

стабильной геологической структуре. Для первых двух операций

требуется разработка соответствующих материалов.

На второй стадии удаления разноактивных отходов в качестве

материалов для оболочки может найти применение титановый

сплав Ti – 12.

Энергетические системы велики и сложны, и требуется

десятилетия для того, чтобы новый источник

энергии занял

заметное место в энергетическом балансе. Уже сейчас ясно, что

удельный вес нефти в энергетическом балансе будет уменьшаться.

Роль возобновляемых источников энергии – солнечной радиации и

вектора, ядерной энергии будут возрастать. Второе по значению

место займёт жидкое топливо из угля (процесс химической реакции

соединения угля с водородом).

Ключевая проблема промышленного

производства жидкого

топлива из угля состоит в разработке катализаторов, позволяющих

вести процесс в менее жёстких условиях (использование

небольших температур и давлений). Вещества: гидроксиды титана,

ниобия, тантал, цирконий – служат матрицей для металлических

катализаторов: палладия, платины, молибдена или никеля.

Материалы для энергетики будущего человечества.

Энергия любого вида топлива – это солнечная энергия,

аккумулирования в

форме химической. Сжигая топливо, мы

выделяем солнечную энергию, которая когда-то была запасена в

208

нём. Солнечная энергия – это не только свет и тепло. Ветер, теплота

океана, течение рек, внутреннее тепло Земли, приливные явления,

вызываемые луной и др. Для того, чтобы осуществить систему

снабжения человечества энергией созданы стационарные, крупные

потребители энергии – фабрики, заводы и др. Для обеспечения

мобильных объектов потребителей энергии созданы и создаются

автономные источники

энергии, а точнее устройства, позволяющие

накапливать энергию хранить и выделять без преобразований.

Существуют различные автономные источники энергии:

электрические, механические, химические и др. Существует весьма

перспективный проект использования дешёвой электроэнергии путём

разложения воды на кислород и водород, а затем использования

водорода в качестве экологического безвредного горячего (табл. 28.).

Электрохимические аккумуляторы. Для современных

гальванических элементов, в том числе и аккумуляторов, нужны

свинец, никель, цинк, серебро. Существует большое количество

типов и разновидностей электрохимических аккумуляторов. На

практике до сих пор оправдывают себя три вида аккумуляторов:

кислотный (свинцовый), щелочной (железо-никелевой) и серебряно-

никелевый. Перспективными считаются аккумуляторы, где

электролитом является расплавленный щёлочной металл (литий,

натрий) при

высокой температуре и ряд других.

Электростатические и электродинамические

аккумуляторы. “Чистая” электрическая энергия может быть

накоплена в аккумуляторах на основе конденсаторов и катушек

индуктивности. Конденсаторы или электростатические накопители

энергии обладают свойством накапливать (в обкладках) равные по

величине и противоположные по знаку электрические заряды. Кроме

статических (конденсаторных) накопителей, электрическую энергию

можно аккумулировать

в динамических накопителях, так

называемых катушках индуктивности, состоящих из витков

проводника, по которому течёт ток. Особо большие количества

энергии можно накапливать в индуктивных аккумуляторах, если

применять накопители энергии, основанные на явлении

сверхпроводимости. Для электрических и индуктивных накопителей

энергии используются электротехнические материалы:

проводниковые (медь, сплавы меди) и диэлектрики (электрическая

изоляция: жидкая,

газообразная, твёрдая).

209

Таблица 28.

Взаимосвязь сфер энергетики и материалов.

Сфера

энергетики

Электрическ

ие

материалы

Керамика

Перспектив

ые полимеры

Компози

Перспективн

е металлы

обыча

ископаемого

топлива

ысокотем

ературная

электроник

Твёрдые

буровые

головки

Сальники и

уплотнения

Коррозионнос

ойкие

материалы

Обогащение

топлива

Катализатор

Коррозионнос

ойкие

материалы

Обогащение

и сжигание

угля

Катализатор

ы,

износостойк

ая керамика

Износосто

йкие

композит

дерная

энергетика

адиацион

остойкая

электроник

Иммобилиза

торы

радиоактив

ных

отходов

Контейнеры

для

радиоактивны

х отходов;

высокотемпер

атурные

радиационнос

тойкие

сплавы

опатки

турбин

Производств

о и передача

электрическ

ой энергии

Сверхпрово

дники

етал

турбин

Изолятор

Элементы

парового

контура

Солнечная

энергия

ешёвые

солнечные

фотоэлемен

ты

Избиратель

ые

светофильт

ры

Оболочки

солнечных

фотоэлемент

ов

Сжигание

мусора

Коррозионнос

ойкие

материалы

Геотермальна

я энергия

ысокотемп

ературная

электроник

Коррозионнос

ойкие

материалы

Эффектив

ые магниты

ысокотемпер

атурные

сплавы Сохранение

энергии

Энергоуправ

ляющие

системы

Элементы

теплообмен

ников

ёгкие

элементы

транспортны

х средств

ёгкие

элементы

транспор

тных

средств

Переработка

210

Проводниковые материалы должны иметь наибольшую

проводимость, диэлектрические материалы – наименьшую. Главная

трудность в создании мощных электрических и

электромеханических накопителей энергии, до сих пор практически

непреодолимая – это возникновение огромных усилий между

витками обмотки и между выводами. Поэтому такие устройства

должны иметь механически прочную электроизоляцию обмоток и

между выводами.

Аккумуляторы механической энергии. Поднятый груз

–

самый древний и простой аккумулятор механической энергии.

Другой вид аккумулятора механической энергии – это

механический осциллятор (маятник в часах). Значительно большую

запасённую механическую энергию имеют упругие элементы

аккумуляторов. Обладая достаточно ценными свойствами –

стабильностью накопления энергии, высоким КПД, они обеспечили

себе прочное место во многих машинах и механизмах. Упругий

элемент аккумуляторов работает

либо на растяжение-сжатие, либо

кручение (сдвиг), либо на изгиб.

Сейчас пружинные двигатели для самых различных

механизмов выпускаются достаточно большими партиями.

Закалённая пружинная лента закладывается в барабан, крепится

одним концом к ней, другим к валу и заворачивается вокруг него.

Пружинная лента работает на изгиб.

В качестве аккумулирующего элемента целесообразно

использовать

материалы, допускающие большие деформации под

действием больших сил. Ничего лучшего не найти – использовать

газ. При его сжатии запасается огромная энергия сопоставимая с

энергией перспективных электроаккумуляторов и маховиков.

Однако КПД пневмоагрегатов невелик, симбиоз с гидроприводом

позволяет значительно увеличить этот показатель. Для повышения

удельной энергии гидрогазовых аккумуляторов баллон в который

закачен газ, выполняется

из возможно более прочных материалов,

имеющих к тому же и низкую плотность. Такими материалами

могут быть стеклянное и графитовое волокно на эпоксидной

связки. Вместо волокон можно использовать сверхпрочные

нитевидные материалы. Для закачки в баллон используются газы,

технически инертные (азот, гелий). Для предотвращения утечки

газа используются различные уплотняющие материалы, магнитные

материалы

и вещества.