Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

211

Термоядерная энергия. Термоядерные реакции были

открыты в 30

ых

годах прошлого столетия. Термоядерная реакция –

это реакция синтеза (слияния) ядер. Термоядерная энергетика

позволяет решить проблему энергетического кризиса.

Основные проблемы, стоящие на пути к управляемому

термоядерному синтезу – это удержание плазмы в полоидальной

камере. Температура плазмы достигает более 100 млн. градусов.

Реальное сооружение реактора требует решение ещё множества

инженерных проблем. Демонстрационный реактор должен

работать

на слияние дейтерия и трития, необходимо уметь воспроизвести

тритий за счёт облучения лития термоядерными нейтронами,

использовать стойкость материалов, в условиях интенсивного

нейтронного излучения. Необходимо уметь отводить

выделяющееся в термоядерных реакциях тепло и передавать его во

вторичный контур на переработку в электроэнергию.

Образующиеся в ходе термоядерного горения ядра гелия

после того, как они отдадут свою энергию плазме, представляют

собой своего рода «золу», которую необходимо удалять из

реактора. Температура такой «золы» довольно низкая (—253° С).

Кроме того, из-за бомбардировки первой стенки частицами плазмы

и излучением из нее непрерывно выбиваются примеси, от которых

плазму тоже желательно очистить. Для решения этих проблем в

реакторе предусмотрен дивертор.

Магнитное поле для удержания плазмы создается

сверхпроводящими катушками. В настоящее время самым

подходящим материалом для изготовления сверхпроводящих

катушек считаются сплавы ниобия с титаном или оловом NbTi и

Sn. Эти сплавы становятся сверхпроводящими при самой

высокой из всех известных сверхпроводников температуре — 20 К.

Но ее поддержание требует больших затрат энергии на охлаждение.

Сверхпроводящие материалы очень чувствительны к нейтронному

излучению. Поэтому после бланкета приходится ставить солидный

слой защиты толщиной 1—1,5 м. Кроме катушек, магнитная

система токамака включает еще множество управляющих обмоток.

Они предназначены для регулирования положения плазмы и

стабилизации крупномасштабных неустойчивостей плазмы

методом обратных связей. Вблизи оси тора располагается

индуктивная обмотка для возбуждения в плазме тока. Сила тока в

плазме токамака-реактора исчисляется миллионами ампер. Но его

212

вклад в нагрев плазмы невелик. Ток нужен для создания

конфигурации магнитного поля, способной удерживать плазму.

Первая стенка. Это, пожалуй, самая сложная проблема.

Конструкция первой стенки обычно бывает самым уязвимым

местом для критики при обсуждении современных проектов

реакторов. Всесторонне хорошего решения пока еще не найдено.

Ведь надо учесть множество обстоятельств:

Во-первых, на первую стенку идет из плазмы огромный поток

тепла. В современных проектах он обычно составляет 300—600

кВт/м

. Чтобы стенка не расплавилась, ее надо охлаждать.

Охлаждение водой или газом делается с противоположной от

плазмы стороны. Отвести такой поток тепла с помощью воды или

газа, в общем-то, несложно, но, чтобы температура обращенной к

плазме стороны была не слишком высока, толщина стенки должна

быть небольшой. Если сделать стенку из нержавеющей стали, то ее

толщина должна быть не больше 2 мм. В случае использования

алюминиевых сплавов толщина может быть в несколько раз

больше.

Во-вторых, бомбардировка первой стенки частицами плазмы

приводит к распылению металла. При реакторных параметрах

плазмы скорость распыления может достигать нескольких

миллиметров в год. А это значит, что через 1—2 года работы

реактора первую стенку надо менять. Это очень неприятная опе-

рация. Помимо того, что надо останавливать реактор и практически

полностью его разбирать, стенка еще и радиоактивна. Ведь она

подвергается очень интенсивному облучению нейтронами.

Нейтроны вступают в ядерные реакции с материалом стенки. Так

образуются радиоактивные изотопы. Эта вторичная

радиоактивность настолько велика, что ремонт реактора и замену

первой стенки могут делать только роботы, управляемые на

расстоянии. Люди смогут приблизиться к первой стенке,

извлеченной из реактора, только через несколько месяцев или даже

лет.

Во-вторых, бомбардировка первой стенки частицами плазмы

приводит к распылению металла. При реакторных параметрах

плазмы скорость распыления может достигать нескольких

миллиметров в год. А это значит, что через 1—2 года работы

реактора первую стенку надо менять. Это очень неприятная опе-

рация. Помимо того, что надо останавливать реактор и практически

213

полностью его разбирать, стенка еще и радиоактивна. Ведь она

подвергается очень интенсивному облучению нейтронами.

Нейтроны вступают в ядерные реакции с материалом стенки. Так

образуются радиоактивные изотопы. Эта вторичная

радиоактивность настолько велика, что ремонт реактора и замену

первой стенки могут делать только роботы, управляемые на

расстоянии. Люди смогут приблизиться к первой стенке,

извлеченной из реактора, только через несколько месяцев или даже

лет.

Тонкорасщепленные слюды в качестве накопителей

электрической энергии. После подачи напряжения на кристалл

слюды перпендикулярно спайности ток проводимости в нем быстро

уменьшается, иногда за 2 минуты и более. При этом в кристалле у

электродов накапливаются объемные заряды, создающие в образце

противополе, близкое по величине к внешнему полю. После снятия

внешнего поля и замыкания образца накоротко возникает ток

деполяризации обратного направления и заряд, абсорбированный в

образце, стекает. Это свидетельствует о физической

неоднородности слюд.

Реальный кристалл рассматривается, как совокупность

прослоек последовательно – параллельно соединенных

диэлектриков с проводимостями и диэлектрическими

проницаемостями силикатных слоев и граничных пленок воды.

Наличие водных пленок и газовых линз в кристаллах слюды и

слюдяных бумагах приводит к большой абсорбционной емкости

диэлектрика в постоянном поле.

Влажные слюдяные бумаги и диспергированные слюды

представляют собой влаго-слюдяные композиты. В них слюдяные

микроскопические кристаалики связаны между собой такими же

пленками воды. Эти пленки воды образуют непрерывно сплошную

водную пленку, хорошо проводящую среду в диэлектрическом

силикатном каркасе. Такая система моделирует суперионный

проводник (диэлектрик, с каналами большой сплошной

проводимости в жестком силикатном каркасе). Под действием

внешнего электрического поля слабо связанные с каркасом ионы Н

и ОН

в пленках воды будут разделяться полем и отводиться к

границам кристалла, на которых накапливается разность

потенциалов. Такой влаго – слюдяной композит после зарядки от

внешнего источника тока становится аккумулятором. Основной

214

накопленный заряд связан с концентрацией ионов в водных

пленках, пронизывающих композит дисперсной слюды.

§8. Теплоизоляционные и акустические материалы

Теплоизоляционные материалы. Теплоизоляционные

материалы называют материалы, предназначенные для

минимизации теплообмена с окружающей средой через

ограждающие конструкции зданий и поверхности оборудования

трубопроводов.

Основной признак теплоизоляционных материалов – высокое

содержание воздуха в объеме материала.

Материал имеет следующее строение:

• мелкозернистое ячеистое (как пена),

• волокнистое (как вата),

• зернистое,

• пластинчатое.

Максимальная пористость у первых двух типов (90 – 98 %); у

двух других ( 65 – 80%). Строение вещества твердого каркаса

материала так же влияет на его теплопроводность Вещества,

имеющие стеклообразное строение имеют меньшую

теплопроводность чем вещества кристаллической структуры

соответственно кварцевое стекло имеет теплопроводность

кварцевое стекло равна 0,7 Вт/(м·К), для кристалла кварца

теплопроводность равна 0,72 Вт/(м·

К). Чем ниже средняя

плотность материала, тем больше в нем пор и тем ниже

теплопроводность.

Влажность оказывает существенное влияние на

теплопроводность. Для воды теплопроводность равна 0,58 Вт/м·К,

льда 2,32 Вт/м·К, воздуха 2,32 Вт/м·К. Поэтому теплоизоляционные

материалы должны поглощать влагу в минимальной степени.

Теплопроводность материала зависит от температуры: при

повышении температуры теплопроводность повышается.

Теплостойкость (жаростойкость) оценивают по предельной

температуре применения материала. Она зависит от химического

состава материала. Для органических материалов не превышает 100

– 150

С. Минимальные температуры, при которых работают

теплоизоляционные материалы, зависят от их состава и

выдерживают нагрев от 500 – 800

С. Для больших температур

215

производится, специальная высокотемпературная и огнеупорная

теплоизоляция.

Высокопористое строение и большая удельная поверхность

теплоизоляционных материалов делают их уязвимыми для

действия химически агрессивных веществ. Органические

материалы природного происхождения при повышении влажности

легко заживают. Многие теплоизоляционные материалы

повреждаются грызунами. Прочность теплоизоляционных материалов

при сжатии сравнительно не велика – 0,2…2,5 МПа.

Акустические материалы. Главная задача современной

строительной

акустики – снижение уровня шумового загрязнения

помещений. Шумы оказывают негативное воздействие на химическое

и физическое состояние человека. Слышимые звуки – звуки с частотой

ν = 16 – 20000 Гц, кроме этого существуют не воспринимаемые ухом,

но воздействующие на психику человека инфразвуки (

ν < 16Гц) и

ультразвуки (

ν > 20000 Гц).

Соотношение значений этих энергий в основном зависит от двух

факторов:

• характера поверхности материала конструкции;

• степени упругости и массы материала конструкции.

Акустическими материалами называют материалы, способные

поглощать звуковую энергию, снижая уровень силы отраженного

звука и препятствуя передачи его по конструкции. Поэтому признаку

акустические материалы делят на звукопоглощающие и

звукоизоляционные. Звукопоглощающие материалы имеют

волокнистое, зернистое или ячеистое строение. Их плотность, как

правило, не превышает 500 кГ/м

Звук попадает в поры материала и, проходя по ним, передает

свою энергию материалу. Он преобразует звуковую энергию в

тепловую в результате потери на внутренне трение в стенках пор или

волокон материала. Большинство звукопоглощающих материалов не

водостойки ввиду их гигроскопичности.

Звукоизоляционные материалы применяют для снижения уровня

ударных и вибрационных шумов, передающихся

через строительные

конструкции. Механизм действия таких материалов заключается в

подводе энергии звуковых колебаний в тепловую энергию, в

результате внутреннего трения деформируемых элементов материала

(резиновые прокладки имеют динамический модуль упругости 1-2

МПа, а модуль упругости бетона и кирпича равен 10

МПа).

216

§9. Природные и искусственные материалы

Древесина. Древесина – экологически чистый материал.

В зависимости от степени переработки древесины различают:

• лесные материалы (бревна);

• деревянные изделия и конструкции (фанера, дверные

оконные блоки и др.);

• материалы, получаемые технологической переработкой

древесины (ДСП, арбалит, картон, бумага и др.)

Основу массы древесины составляют клетки ткани, имеющие

веретеннобразную форму и вытянуты вдоль ствола. Срубленная

древесина состоит из отмерших клеток, т.е. только клеточных

оболочек Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень

тонких волокон, называемых микрофибриллами, которые

конпактно уложены и направлены по спирали в каждом слое под

разным углом к оси клетки (подобно отдельным прядям в канате).

Это обеспечивает высокую прочность древесины. Микрофибрилла

состоит из длинных, напоминающих цепь молекул целлюлозы –

природного полимера состава (С

)

, где n = 2500-3000. Ее в

древесине 35-45%. В клеточной оболочки содержатся и другие

органические (клетчатка – 20-30 %, гемпцеллюлозы около 20 %) и

неорганические 0,17-0,27 % вещества.

Стандартной считают влажность древесины 12%, при которой

определяют и сравнивают ее свойства. Вода в древесине может

находиться в двух состояниях: свободном и физически связанном.

Свободная или капиллярная вода заполняет полости клеток и

сосудов и

межклеточное пространство. Связанная или

гигроскопическая вода находится в стенках клеток и сосудов

древесины в виде тончайших гидратных оболочек. На поверхности

мельчайших элементов, слагающих стенки клеток.

Свободная вода, накапливаясь в полостях клеток, существенно

не влияет на ее прочность и объем, увеличивая лишь массу и

теплопроводность. Гигроскопическая вода, покрывая поверхность

мельчайших частиц в

стенках клеток водными оболочками,

увеличивает и раздвигает их. При этом объем и масса древесины

увеличивается, а прочность снижается. Частичная плотность

древесины составляет 1,54 г/см

. У большинства древесных пород

плотность сухой древесины меньше (1000 кг/м

217

Пористость древесины главнейших пород применяемых в

строительстве составляет 50-70%. Древесина как материал

высокопористый и волокнистый характеризуется относительно

низкой теплопроводностью (

λ = 0,35 Вт/м⋅К - вдоль волокон и 0,17

Вт/м

⋅К - в поперечном направлении).

При длительном воздействии кислот и щелочей древесина

медленно разрушается. В кислой среде древесина начинает

разрушаться при рН = 2. Слабощелочные растворы почти не

разрушают древесину. В морской воде древесина сохраняется

значительно хуже, чем в пресной. В воде большой биологической

агрессивности стойкость древесины низкая. Прочность древесины

имеет большое различие вдоль

и поперек волокон (при растяжении

вдоль волокон в 15-20 раз, а при сжатии в 3-6 раз больше, чем

поперек волокон.

Прочность при сжатии вдоль волокон достаточно высока и

составляет в среднем 40-60 МПа, (на уровне бетона пустотелые

волокна древесины работают как жесткие пространственные

элементы). Прочность при сжатии поперек волокон составляет

примерно 0,15-0,3 от предела

прочности вдоль волокон.

Прочность при растяжении вдоль волокон в 2-3 раза больше

прочности при сжатии в этом направлении и составляет 100-120 МПа.

Прочность при растяжении сильно зависит от наличия некоторых

пороков (сучки, косослой и др.), но мало изменяется от влажности.

Прочность древесины при изгибе сопоставима с прочностью металлов

и составляет 60-120 МПа. При скалывании

вдоль волокон целостность

самих древесных волокон не нарушается, а разрушение древесины

происходит вследствие нарушения сцепления между волокнами.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон составляет 10-20%

от предела прочности при сжатии в этом же направлении. При

перерезании древесины поперек волокон внешние силы направлены

перпендикулярно волокнам. Предел прочности в поперечном

направлении при перерезании

в 3-4 раза выше, чем при скалывании.

Фактическая прочность строительной древесины в изделиях

стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), имеющих те или иные

дефекты строения и другие особенности, существенно ниже

стандартной прочности: поэтому при нормировании допускаемых

напряжений (расчетных сопротивлений) устанавливают относительно

большие коэффициенты запаса. Предел сопротивления при изгибе

составляет 0,6 – 0,65 от предела прочности при

стандартном

218

испытании. Предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от

статистического предела прочности.

Породообразующие материалы. Материал - природное тело,

однородное по химическому составу, строению и свойствам,

образующееся в результате физико-химических процессов на

поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем

большинстве - твердые тела: кристаллические и аморфные.

Характерным признаком минералов, имеющих кристаллическое

строение

, является спайность - способность минерал раскалываться по

строго определенным плоскостям (например, слюда – раскалывается

по трем плоскостям, образуя, косые параллелепипеды). Спайность

отсутствует, например, у кварца, кристаллы которого при ударе

раскалываются на не правильные куски, имеющие раковистый излом.

Спайность-свойство с точки зрения строителя отрицательное, так как

уменьшает ее обрабатываемость (шлифовку, полировку).

Породообразующие

материалы классифицируются следующим

образом:

• магматические-первичные породы, образующиеся при

остывании магмы (гранит, габбро, базальт и др.);

• осадочные-вторичные породы, образовавшиеся в

результате выветривования магматических пород (песчаники,

известняк, диатомиты, доломит и др.);

• метоморфические - осадочные и магматические породы,

изменившие свое строение и свойства в результате длительных

физико-химических процессов, протекающих под воздействием

высоких давлений, температур и минерализованных вод, вовремя

нахождения их в земной коре (мрамор, гнейсы, кварцы и др.).

219

Выводы

В настоящем учебном пособии рассмотрен основной вопрос

повышения надежности ТС на стадии проектирования - путем

введения корректировки известных вероятностных распределений.

Для этого в пособии по курсу «Критическое материаловедение»

был предложен и рассмотрен критерий устойчивости материала

надмолекулы наиболее слабого по свойствам к окружающей среде и

поражающим факторам, который предлагается вводить на стадии

проектирования

в известные вероятностные распределения,

физически означающие корректировку интенсивности появления СВ

за заданный промежуток времени.

В учебном пособии не рассматриваются конкретные методики

получения критерия устойчивости. Вопрос стоит шире – необходима

ли корректировки известных вероятностных распределений и какие

теоретические основы должны быть заложены для этого. Основная

часть указанной задачи представлена в учебном пособии.

Все, что касается конкретной методики получения критерия

устойчивости, проведения эксперимента, подтверждающего

приведенные предпосылки и практическое внедрение – это

самостоятельная трудоемкая работа, которой должна предшествовать

научно – исследовательский поиск.

220

Рекомендуемая литература

1. Китанин Э. Л., Сапожников С. З. Техническая термодинамика.

//Уч. пособие. – СПб.: СПбГТУ, 1993. - 50 с.

2. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И., Войткун Ф. Материаловедение.

//Учебник для вузов. – СПб.: Химиздат, 2002. – 696 с.

3. Алексковский В. Б. Курс химии надмолекулярных соединений. –

Л.: ЛГУ, 1990. - 290 с.

4. Шлëнский О.Ф., Шашков А.Г., Аксенов Л.

Н. Теплофизика

разлагающихся материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 144 с.

5. Калашников Я.А. Физическая химия веществ при высоких

давлениях. – М.: Высшая школа, 1987. - 241 с.

6. Филлипов Л.П. Подобие свойств веществ. – М.: МГУ, 1978. – 302

с.

7. Меламедов И.М. Физические основы надежности. – Л.: Энергия,

1970. -152 с.

8. Яковлев В.В. Прикладные аспекты теории надежности. / Уч.

пособие. – СПб.:

Нестор, 2000. - 178 с.

9. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. – М.: Мир, 1972. –

420 с.

10. Шелинский Г. И. Основы

теории химических процессов. – М.:

Просвещение, 1989. – 192 с.

11. Смелков Г.И. и др. Методика определения пожарной опасности

электропроводок в стальных трубах. - М.: ВНИИПО МВД СССР,

1980. – 11с.

12. Концев Н. Справочник по газовой хромотографии. – М.: Мир,

1976. – 200 с.

13. Граненков Н.М. и др. Комплексное определение параметров

нагрева полимерных материалов и металлических изделий,

используемых на железнодорожном транспорт и авиационном

транспорте: Методические рекомендации. – М.: ВНИИПО МВД

СССР, 1991. - 66 с.

14. Чешко И.Д. и др. Способ выявления очагово признака пожара.

А.с. 134 0321 (СССР), 1987.

15. Табукин С.И., Табукин И.С. Пожаровзрывобезопасность

пылевидных материалов и технологических процессов их

переработки. – М.: Химия. 1976. – 260 с.

16. Коленко Е.А. Технология

лабораторного эксперимента. СПб.:

Политехника, 1994. – 751 с.

17. Вопросы оборонной техники.// Сер. 15. Композиционные

материалы в машиностроении. Вып. 1-2. - М.: ИМ. IT, 2001. – 250с.