Автор: Никаноров Иван
Цели и задачи проекта
Все вокруг нас состоит из различных веществ и материалов: дерево, металл, стекло, камень...
Все это органические материалы, которые дала нам природа, но сегодня запасов природных материалов нам не хватает, поэтому человечеству необходимо находить возможность изобретать новые материалы.
Такими материалами и являются композиты, которые сотрут границу между настоящим и будущим, а также помогут справиться с глобальными проблемами экологии на рубеже столетия...
К размышлению на эту тему, меня сподвигло участие в Международном молодежном конкурсе научно-практических и научно-фантастических работ «Горизонт-2100».
В рамках этого проекта, для изучения взаимосвязи проблем экологии и композитов проведена исследовательская и рактическая работа.
На пути к новому столетию мы должны ставить задачи по утилизации неразлагающихся отходов. мне видится возможным, наладить сбор подходящего вторсырья для последующего изготовления предметов интерьера, садовой мебели, мебели для мест общего пользования и т.д
Встречая на морском побережье неорганический мусор, который выглядит непривлекательно, отравляет животный мир, расстраивает нас своей локацией и объемами, часто приходят на ум конструктивные и декоративные решения для утилизации и решения этой проблемы.
Я провел исследование и серию экспериментов для решения и воплощения в жизнь своей идеи. Изучая особенности и характеристики композитных материалов, пришел к выводу, что такой симбиоз: надёжное связующее и "начинка" из вторсырья, отличное решение поставленной задачи.
Мне видится возможным, для преодоления глобальной угрозы экологической катастрофы на горизонте 2100 годов, регулировать на государственном уровне, вопрос использования таких решений по производству мебели для государственных учреждений, мест общего пользования: школ, садов, музеев, театров, больниц, транспорта и т.д.
Заинтересовать подобным материалом строительные организации для сооружения торгового оборудования и отделки помещений. Применять подобные материалы в градостроении.
Предприятия, внедряющие подобные перспективные программы 2100гг.,
могли бы иметь дополнительные налоговые послабления, бесплатную социальную рекламу, преимущества в государственных и коммерческих тендерах.
Так, мы могли бы иметь механизмы, которые могли бы влиять на интерес производителя и реализацию сбыта.
"Хранитель" - такое название для проекта по решению проблем захоронения мусора, мне видится интересным. В корне названия, виден двойной смысл - охрана окружающей среды, нашей планеты от наших, и хранение отходов в конструктиве объектов общего/личного пользования.
Для начала реализации такой программы, у меня возникло предложение по созданию монумента – своеобразного «визуального знамени» с символикой движения «Хранитель», из материалов, включающих в себя неразлагающийся мусор, выступающий арматурой и попутно декором.
Исследование на тему композитных материалов
Композитный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью.
КМ - это неоднородные сплошные материалы из двух или более компонентов с чёткой границей между ними.
Цель изготовления композитных материалов путём объединения двух или более, разных структур, видится очевидной. Таким способом удаётся достичь улучшения структуры в конечном продукте.
Матрицей в композиционных материалах может служить широкий спектр металлов, полимеров, цементов и керамики.
Спектр наполнителей еще более широк: крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы.
Наполнитель, как правило, обеспечивает прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица — его монолитность, передачу напряжений и стойкость к внешним воздействиям.
Преимущества композитных строительных материалов.
- Высокая прочность: при одинаковом диаметре с металлической, композитная арматура сетки способна выдерживать более высокие нагрузки на растяжение, изгиб и вырыв из стены, т.е. прочнее в 3-4 раза;
- Высокая коррозионная и химическая стойкость: отличная сопротивляемость химикатам, солям и коррозии даже в условиях высокой влажности и агрессивных сред;
- Легкость: вес наиболее распространенной металлической сетки (50*50*3 мм, 0,5*2 м) составляет 2,22 кг/м2, аналогичная сетка из композитной арматуры весит 300-360 гр/м2, т.е. легче в 6 раз;
- Низкая теплопроводность — 0,46 Вт/м2, в то время как у металла этот показатель составляет 40-60 Вт/м2, т.е. примерно в 100 раз выше. Это означает, что металлические сетки, находясь в стене, являются «мостиками холода» и снижают теплоэффективность конструкций. Применение композитной сетки позволяет устранить этот недостаток;
- Надежность и долговечность: согласно отчетам об исследованиях, проведенных в Университете Шеффилда (Великобритания) фактор снижения прочности в условиях влажности за период 100 лет составляет 1.25, что соответствует сохранению прочности на 79.6%;
- Высокая прочность сцепления с бетоном благодаря зернистому покрытию;
- Диэлектрик;
- Не намагничивается;
- Экоогичность: при производстве композитной кладочной сетки выделяется в 40 раз меньше углекислого газа, чем при производстве металлической;
- Низкий модуль упругости позволяет быстро и без последствий гасить вибрацию;
- При нарушении бетонной конструкции сохраняет свою форму, предотвращая дальнейшее разрушение объекта.
Для чего нужны композитные материалы?
Итак, необходимость в композитном материале объясняется главным моментом – конечный продукт должен быть лучше составляющих, из которых он изготовлен
по характеристикам.
Например, требуется деталь самолёта, обладающая более высоким сопротивлением усталости по сравнению с металлом.
Такая деталь не ломается от многократных напряжений, в процессе полёта.
Области применения композитов
- Аэрокосмическая отрасль и авиация
- Судостроение
- Автомобилестроение
- Гражданское и промышленное строительство:
- Дорожное строительство:
- Лёгкая промышленность
- Текстильные технологии
- Медицина (протезы, пломбирующие стоматологические материалы)
ИСТОКИ
Древние первооткрыватели
Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них.
Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте начали использовать глину и солому для строения зданий. Саманные кирпичи, изготовлены из глины в которой использовалась солома, обеспечивающая дополнительную прочность.
В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Древние римляне активно использовали в массовом строительстве бетон — искусственный материал, получаемый из смеси вяжущего вещества и дроблёных камней. Знаменитый Пантеон до сих пор остается самым крупным в мире объектом, купол которого выполнен из неармированного бетона.
Один из древнейших композиционных материалов — булат, в котором тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
Следующая веха – это 1200 год нашей эры. Постарались монголы: они создали первый композиционный лук из таких материалов, как древесина, кость и животный клей. Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины (в основном это была береза), которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки помещали на внутренней стороне лука, закрепляя жилами.
Сделано в СССР: прорывы в области композитов
Дельта-древесина
Один из самых известных композитов, появившихся на свет в Советском Союзе в 1932 году, — это дельта-древесина, она же древесный слоистый пластик или ДСП-10.
Полвека назад дельта-древесина была одним из важнейших композитов аэрокосмической отрасли — из неё изготовляли силовые конструкции самолётов и планеров, вертолётные винты (например, лопасти Ми-10) и так далее.
ДСП-10 гораздо прочнее и дерева, и фанеры, в ней нет, и не может быть пустот и воздушных карманов, она легко поддаётся обработке и не разрушается со временем.
Материал является невероятно прочным, относительно лёгким и, что важно, негорючим!
В 2016 году со дна реки Усманка был поднят истребитель ЛаГГ-3 - сбитый в 1942-м.
На снимке — изготовленные из дельта-древесины элементы конструкции. Они пролежали на дне три четверти века и по-прежнему сохранили форму и не прогнили.
Инженер-изобретатель Семён Лавочкин, к слову, презентовал новый композит лично Сталину, который сперва попытался поджечь образец (часть лонжерона), а затем — порезать перочинным ножом. Когда у него это не получилось, он отдал распоряжение наградить изобретателя орденом.
Одно из характерных современных применений дельта-древесины — это рукояти ножей, инструментов и другого работающего в напряжённых условиях оборудования.
ирование сетчатой конструкцией
Важно разработать не только материал, но и правильную технику применения. Простой пример: есть композитный материал, который позволяет увеличить прочность конструкции, а заодно облегчить систему - технология сетчатых конструкций — не просто использовать, а совместить композит с сетчатой структурой, предложенной ещё Шуховым и используемой в промышленном строительстве. Со стройплощадки — в ракету? Да, звучало странно...
Но идея, нашла своё гениальное применение, решая вопросы максимального облегчения ракет при сохранении прочности структуры и жёсткости.
Проблемы экологии и композитные материалы
Эксперты прогнозируют, что к 2100 году человечество исчерпает все природные ресурсы…
Уже сейчас мы живём в долг у природы.
Беда в том, что люди расходуют за девять месяцев столько, сколько Земля сможет вырабатывать только за 12 месяцев. Печальный прогноз, в частности, касается воды, лесов и рыбы.
Засорение почвы и водоемов отходами жизнедеятельности человека – одна из злободневных проблем нашего времени.
Часть мусора со временем разлагается, часть оседает в недрах или остается на поверхности навсегда.
Уже сейчас, глобальная катастрофа нависает над нами, мусорные полигоны и стихийные свалки отравляют воздух, являются причиной болезни людей, вымирания животных. Для хранения и переработки отходов в данный момент необходимо задействовать все возможные ресурсы: ограничение использования пластика, сортировка бытовых отходов, переработка и вторичное использование, бережное, экономное использование предметов обихода.
Если мы будем использовать все доступные меры, то сможем замедлить приближение катастрофы. Но без инновационных идей/методов захоронения отходов, приближение катастрофы не остановить…
Развитие современного направления. Стратегическая цель.
Развитие отрасли производства композитных материалов с 2013 года относится к приоритетному направлению развития промышленности РФ.
За последние годы наблюдается уверенный рост объёмов производства и потребления композитов различного типа в строительстве, авиации, специальном и транспортном машиностроении, производстве товаров народного потребления, расширяется объём научных и экспериментальных работ в области композитов.
Также для студентов и школьников существует множество платформ для исследования композитов. В этом году мне удалось принять участие в программе «Курс молодого инженера» на базе МГТУ им. Баумана, «Композиты России».
Это и послужило почвой к размышлениям на тему композитных материалов.
Цели и задачи.
В результате поставленного опыта я получил отличный образец материала для решения поставленных задач.
Опытный образец КМ демонстрирует:
- Прочность
- Красоту и изящество
- Универсальность в применении полученного материала в быту (примеры)
- Экологичность
Целью данной работы является получение новых композитных материалов.
Связующим компонентом (матрицей) является смесь из эпоксидной смолы, отвердителя и пигмента с наполнением различными компонентами. Я использовал «начинку» из кусков пластика, металлической стружки (вторсырьё, отходы производства).
При добавлении пигмента в смеси происходит окрашивание матрицы - смолы. Это добавляет визуальных эффектов.
Выбор компонентов КМ обусловлен задачей: найти способ избавления
от медленно разлагающегося вторсырья, путём создания из него наполнителя для новых материалов. Второе важное назначение этого наполнителя – повышение антикоррозионных свойств покрытия. Массовая доля наполнителя в проведенных опытах составляла 20-50% по отношению к эпоксидной смоле. В присутствии наполнителя твёрдость композита повышается.
Заключение
Древнейший метод, который помогал предкам делать кирпичи и самолеты прочнее, в сочетании с современными технологиями дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди них авиа- и автомобилестроение, космонавтика, строительство и медицина, включая стоматологию и протезирование.
В этом проекте мне было интересно рассмотреть применение композитных материалов с точки зрения охраны окружающей среды, в целях экономии ресурсов на рубеже 2000-2100гг.
Склады отходов на полигонах разлагаются крайне медленно и оказываются фактором, загрязняющим окружающую среду.
Захоронение и утилизация отходов требует гигантских вложений и энергозатрат.
Хотелось бы обратить ваше внимание на полимерные композиты, которые позволяют нам создавать уникальные комбинации с использованием вторсырья.
Притом, использование этого метода возможно даже в домашних условиях, как я продемонстрировал на моем опыте.
Если не останавливаться и пойти дальше, то можно находить множество изящных решений для утилизации отходов и создания множества прекрасных вещей с использованием композитов.
Экологическая ситуация подталкивает нас к таким решениям, с которыми хорошо справляются композитные материалы.
Возьмём привычные предметы: сумки, зонты, спортинвентарь, предметы интерьера, садовую, парковую мебель, как безопасное и виртуозное решение - вместилище отходов, и сырьё для качественных новых материалов, которые могут быть прекрасным вложением и решением проблем экологии…
Представьте малые архитектурные формы, детские площадки и даже целые города, которые способны вместить в свой конструктив мусор океана и мощь композита…
Список использованной литературы:
Статьи в периодических изданиях:
- «Популярная механика»
- «Техника молодёжи»
- «ЭКО»-информ // ЭКО. Всероссийский экономический журнал, №11, 2017.
Печатные издания:
- Композиционные материалы. Справочник. Васильев В.В.,1990.
Интернет-ресурсы:
- https://emtc.ru/МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Лекции из курса на базе центра «Инжинириум» МГТУ им. Н.Э. Баумана