Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
Тарабанов В. Н.
Критическое
материаловедение
Конспект лекций
Рекомендовано УМО по университетскому политехническому
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающих по направлениям подготовки
220100 – «Системный анализ и управление» и
280100 – «Безопасность жизнедеятельности»
Санкт – Петербург
2006
2
Тарабанов В. Н. Критическое материаловедение – СПб.:
Познание, 2006. - 224с.
Рецензенты:
Предлагается материал по теоретическим основам и
практическому применению композиционных материалов в
средствах индивидуальной коллективной защиты. В конспекте
рассмотрены теоретические основы «Критического
материаловедения» и устойчивости технических систем,
необходимые при проектировании и создания; основы экспертизы
материалов и конструкций после
воздействия поражающих
факторов, методы экспрессного исследования материалов,
технологии композиционных и нанокомпозиционных материалов
для средств безопасности ГО и ЧС.
Конспект лекций предназначен для студентов вузов,
изучающих курс БЖД в чрезвычайных ситуациях, и может быть
полезным для студентов и аспирантов других специальностей, а
также специалистов, интересующихся проблемами
материаловедения и безопасности.
Илл. -26, табл. – 28.
@ - доктор технических наук Тарабанов Виктор Николаевич.
3
Содержание
Введение………………………………………………………..
Тема 1. Основы теории………………………………….
Глава 1. Энергетические основы термохимии……………
§1. Термодинамические основы термохимии……………..
§2. Термодинамические основы технологических процессов
§3. Управление химическими превращениями веществ в
технологических процессах…………………………
Глава 2. Молекулярное движение в веществе…………..
§1. Направленное и хаотическое молекулярное движение в
веществе…..
§2. Связь предельных температур терморазложения
полимеров с энергетическими затратами на образование
продуктов разложения…
§3. Сдавливание вещества………………………………….
3.1. Влияние высокого давления на технологические
процессы…………………………………………………..
3.2. Физические эффекты при прохождении ударных
волн через вещество………………………………………
Глава 3. Основы теории подобия и планирования
технологического эксперимента………………………….
§1.Основы теории подобия…………………………………….
§2. Основы планирования технологического эксперимента
§3. Условия выбора критериев подобия……………….
§4. Основы термодинамического подобия………………..
Глава 4. Химические и физические свойства
наноразмерных твердых тел (надмолекул и наночастиц )
§1. Наноразмерные частицы твердого тела……………….
§2. Химические свойства твердого тела. «Предыстория»
твердого тела. Надмолекула
……………………
§3. Химия и физика аморфных твердых тел……………..
Глава 5. Основы ТРИЗ……………………………………
§1. Иерархия описания технических систем…………….
§2. Модели технического объекта………………………..
§3. Окружающая среда техническогто объекта……………
§4. Описание функций элементов и построение
конструктивной схемы ФС, технологического процесса,
материала и вещества…………………….
6
11
11
11
14
16
18
18
21
23
23
24
27
27
28
29
31
34
34
34
37
39
39
45
46
48
4
§5. Морфологический анализ техническогообъекта……….
§6. Основные закономерности проявления технического
объекта…………..
§7. Критерий развития технических систем………………...
§8. Сравнение двух технических объектов…………………
Глава 6. Технические системы в чрезвычайных ситуациях.
§1. Критерий дефектообразования в материалах ………….
1.1. Обобщенные факторы свойств материалов
технических систем, находящихся под действием
поражающих факторов до и во время чрезвычайной
ситуации…………………………………………………..
§2. Протекание дефектообразования по месту
их
протекания………………………………………………………
§3. Критерий устойчивости материалов технически систем
при действии поражающих факторов при чрезвычайной
ситуации………………………………………………………..
Тема 2. Испытание материалов………………..
Глава 1. Методы изучения и испытаний материалов и
конструкций…………………………………………………...
§1. Методы испытаний материалов и изделий…..
§2. Неразрушающие методы контроля материалов и
конструкций……….
Глава 2. Методы исследований и измерений нано
размерных частиц материалов……………………………
Глава 3. Устойчивость строительных материалов и
конструкций к длительному термическому облучению…
§1. Устойчивость металлических конструкций и изделий к
термическому облучению……………………
§2. Устойчивость неорганических материалов
и
конструкций к термическому облучению…………………
§3. Полевые методы обнаружения останков ЛВЖ и ГЖ…..
§4. Исследование обугленных останков древесины и других
органических материалов…………
§5. Установление причины разрушения проводника на
пожаре……..
§6. Самовозгорание веществ……………………………
Глава 3. Экспресс – испытания материалов……………..
§1. Идентификация металлических материалов………..
51
52
54
65
66
66
66
67
70
78
78
78
83
94
98
98
109
116
120
123
125
128
128
5
§2. Идентификация неметаллических материалов…………...
Тема 3. Композиты…………………………………
Глава 1. Композиционные (гетерофазные) материалы…
§1. Классификация и схемы армирования композиционных
материалов
§2. Композиционные материалы с металлической матрицей
§3. Композиционные материалы с полимерной матрицей…
§4. Композиционные материалы с полимерными
высокомодульными и высокопрочными волокнами……
Глава 2. Нанокомпозиты…………………………………….
§1. Общая характеристиеа нанокомпозитов и технологий
их получения…
§2. Нанокомпозиты с наноразмерной слюдой………….
Глава 3. Функциональные материалы для средств
безопасности ГО и ЧС………………………………………...
§1. Композиционные материалы для средств
индивидуальной и коллективной защиты…..
§2. Материалы и вещества в индустрии утилизации
и переработки промышленных и бытовых отходов…
§3. Материалы, вещества и технологии, применяемые при
ликвидации последствий разлива нефтепродуктов……..
§4. Материалы для электроники и фотоники………………..
§5. Материалы для аэрокосмической техники…………….
§6. Материалы для автомобильного транспорта………..
§7. .Материалы для электроэнергетики …………
§8. Теплоизоляционные и акустические материалы…….
§9. Природные и искусственные материалы……….
Выводы
Рекомендуемая литература…………………………………
130
133
133
133
140
142
144
161
163
163
178
183
188
196
200
204
214
216
219
220
6
Введение
Критическое материаловедение (КМ) – дисциплина,
изучающая поведение материалов, конструкций и на их основе
технических систем в момент изменения проектной
функциональности, и разрабатывающее пути повышения их
устойчивости в критических состояниях в момент воздействия
поражающих факторов (чрезвычайной ситуации). В качестве
технических систем могут быть композиционные материалы,
конструкции, средства индивидуальной и коллективной
защиты,
здания и сооружения. Изменение технических свойств или их потеря
могут быть в результате технологической трансформации материала
в конструкцию, длительной или неправильной эксплуатации
технической системы в результате воздействия внешних
поражающих факторов и др.
Цель. Овладеть знаниями выбора критических параметров
материалов и технических систем, взаимосвязями критических
параметров с устойчивостью этих материалов
и технических
систем в условиях чрезвычайной ситуации.
Критическое материаловедение изучает риск потери
устойчивости или изменения штатных технических параметров
материалов, на их основе конструкций и сооружений в
чрезвычайных ситуациях. В качестве технических систем могут
быть композиционные материалы, конструкции, средства
индивидуальной и коллективной защиты, здания и сооружения.
Изменение технических параметров или их потеря
могут быть в
результате технологической трансформации материала в
конструкцию, длительной или неправильной эксплуатации
технической системы в результате воздействия внешних
поражающих факторов и др.
Задача курса - вооружить обучаемых теоретическими и
практическими навыками, необходимых для:
• - обеспечения и прогнозирования параметров свойств
материалов, объектов и их элементов при воздействии негативных
природных и техногенных
чрезвычайных ситуаций;
• - идентификации материалов, объектов и их элементов,
разрушенных при техногенных и природных чрезвычайных
ситуациях;
• - умения сформулировать основные требования к
функциональным материалам, веществам и конструкциям при их
7
создании, обеспечивающим устойчивость объектов при воздействии
на них поражающих факторов.
• Специалист должен знать:
• причины потерь критической устойчивости материалов
веществ и конструкций при воздействии них поражающих факторов
в чрезвычайных ситуациях;
• классифицировать материалы, вещества и конструкции по
функциональным признакам;
• физические основы создания композиционных материалов с
критическими параметрами,
обеспечивающих устойчивость
объектов при ЧС, экономичные и экологически приемлемые;
• основы организации и управления опасными технологиями
по производству композиционных материалов и изделий;
• - основы экспертизы и идентификации материалов, веществ и
конструкций, поврежденных при ЧС.
Специалист должен уметь:
• производить взаимозамену материалов и конструкций при
использовании их в объектах для
обеспечения устойчивости ЧС;
• проводить контроль параметров свойств материалов и
веществ;
• прогнозировать и оценивать критические параметры
материалов и конструкции при эксплуатации объектов для
обеспечения их устойчивости при ЧС;
• эффективно применять региональные природные ресурсы
для создания объектов, устойчивых при ЧС;
• планировать и осуществлять мероприятия по повышению
критических параметров свойств, веществ и конструкций по защите
производственного персонала и населения ЧС;
• руководить действиями подчиненных при производстве
материалов и веществ.
• Дисциплина “Критическое материаловедение” изучается в
десятом семестре. Предшествующие дисциплины, обеспечивающие
данную дисциплину: математика, физика, химия, техника
безопасности, БЖД, защита в чрезвычайных ситуациях,
материаловедение.
Заканчивается курс зачетом.
8
Курс «Критическое материаловедение» сравнительно
молодой, как и молода сама теория безопасности в контексте с
новыми реальностями России. По курсу изданы учебные пособия.
Известные вероятностные распределения СВ, такие как
Пуассона, Вейбулла для ТС, рассматриваются в теории
безопасности без учета структуры материалов, конструкторских и
технологических и пр. особенностей. Поэтому в вероятностных
авариях, приведенных
выше, имеются большие различия в
расчетных и действительных данных.
Для ТС с небольшим количеством элементов, которые
выполнены из материалов с изотропной структурой, не столь важны
конструкторские и технологические особенности. В то же время,
при прочих равных условиях эксплуатации и устойчивости к
поражающим факторам принятые и рассмотренные в лекциях
очень важны
и влияют на надежность ТС. Настоящее пособие
дополнено оригинальным критерием устойчивости.
В конспекте на конкретных примерах показана
необходимость совершенствования, уточнения конечного результата
- надежности и риска в известных вероятностных распределений
СВ. В учебном пособии такой критерий дается в общем виде. Эта
работа трудоемкая, требует научного осмысления и
многофакторного экспериментального подтверждения.
Курс
состоит из разделов. В конспекте лекций по дисциплине
«Критическое материаловедение» заложены теоретические основы.
Приведены основные положения термохимии, молекулярное
движение в веществе, основы теории подобия, введение в макро и
микромир твердого тела, показаны основные приемы использования
в материаловедении приемов ТРИЗ (теории решения
изобретательских задач), показана связь и возможности
материаловедения в теории
безопасности.
При изучении теории критического материаловедения
рассматриваются термодинамические основы технологических
процессов и вопросы молекулярного хаотического и направленного
движения их в твердых телах. Здесь же раскрыта связь физических
явлений в надмолекулярных структурах твердых материалов в виде
технических систем, находящихся в зоне чрезвычайной ситуации с
воздействующими на них поражающих факторов, которые влияют
на
устойчивость этих технических систем. И, наконец, в этой же
части рассматриваются вопросы надежности и риска потери
технических свойств технических систем через понятие критерия
9
устойчивости слабого неделимого элемента в виде надмолекулы.
Критерий устойчивости является функцией критерия «предыстории
материала» и критерия ухудшения ТС (конструкторских и
технологических) под воздействием поражающих факторов.
Приводятся методам исследования и испытаний материалов.
Эти вопросы требуют специального рассмотрения, так как
надмолекулу и надмолекулярную структуру, можно реально
исследовать и получить визуальную или косвенную информацию о
них. Для этого необходимо использовать специальные приборы и
методики, которые не рассматривались в дисциплине
«Материаловедение». Здесь же студенты ознакомятся с основными
принципами экспертного материаловедения и экспресс –
испытаниями материалов.
И, наконец, рассмотрены композиционные материалы, которые
могут быть использованы в средствах коллективной и
индивидуальной защиты. Традиционно применяемые
металлические и неметаллические материалы в значительной мере
достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем
развитие современной техники требует создания материалов,
надежно работающих в сложной комбинации силовых и
температурных полей, при воздействии агрессивных сред,
излучений, глубокого вакуума, высоких давлений и пр.
Интерес специалистов к классу КМ значителен, так как они
подают большие надежды на скорые прорывы и новые направления
в технологическом развитии во многих сферах деятельности, в том
числе и в области средств коллективной и индивидуальной защиты.
Рассматривается взаимосвязь композиционных материалов
через их критические
параметры, их функциональные свойства,
закономерности трансформирования надмолекулы в
надмолекулярные структуры в композиционный материал и
техническую систему.
Приведены оптимальные схемы армирования и физические
особенности технологии получения изделий. Приведенные
примеры могут быть применены в конкретных системах защиты.
Описание функциональных свойств материалов позволяют
ознакомить студентов: 1) с современными материалами и
технологиями; 2) с диапазоном физико-технических
параметров,
воздействующих на материалы в результате внешнего воздействия
при эксплуатации и в результате их технологической переработки;
3) с превращениями материалов в различные агрегатные состояния
10
или же приобретение новых физико-технических параметров без
изменения агрегатного состояния и при этом с улучшением
потребительских качеств.
Здесь рассматриваются современные материалы и технологии
на примерах ведущих отраслей промышленности устойчивости.
Например, с увеличением давления или температуры после
критических нагружений вещество приобретает более
универсальную структуру, строение упрощается: вещество
переходит в атомарное состояние
, внешние электроны теряются,
химическая индивидуальность атомов исчезает. В этом случае
нижняя граница такой универсализации свойств соответствует
температуре Т = 10
5
К (~ энергия 15 эВ) и давлении
Р= 2·10
6
атм. Для указанных примеров разрушаются
привычные понятия и представления о размерах и свойствах
вещества. Нанокомпозиты в последние годы стали наиболее
захватывающими материалами.
В конспекте рассмотрены лишь некоторые отрасли
промышленности. На приведенных примерах студенты могут
ознакомиться с уровнем достигаемых технологических температур и
давлений, с критическими параметрами свойств материалов, при
которых они
приобретают новые качества, не всегда отвечающие
запросам человека, но наводящие его на мысль нетрадиционного
использования. Курс «Критическое материаловедение» поможет
студентам связать воедино знания по всем общеобразовательным и
специальным дисциплинам учебного плана.
Автор с благодарностью учтет все пожелания и замечания
читателей, направленные на улучшение предлагаемого пособия.