Сырьевые ресурсы производственных материалов

       Все многообразие материалов применяемое в современной технике ,по химическому составу можно разделить на металлические ,керамические ,неметаллические  и композитные ,которые могут сочетаться в своем составе металлические и неметаллические  химические  элементы. Такая классификация отражает исторический  путь   реализации   запросов  техники  создания материалов   с прогрессивным для своего времени уровнем потребительских свойств.

    Около 90% конструкционных материалов создано на основе металлов и только 10% имеет в своей основе неметаллические вещества. Такое соотношение отражает объективные закономерности реального мира. Из химических элементов представленных в периодической системе Д.И.Менделеева ,только 92 элемента встречаются в естественных  условиях в природе, а не созданы искусственно. Из них 80 элементов являются металлами, из числа которых 65 элементов находят применение в технике.

      Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению. Для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержаться в земной  коре в больших количествах: алюминий-8,8%;железо-4,65%;магний-2,1%;титан-0,63%.

   Содержание других металлов оценивается в долях процента: хром-0,02%;медь и никель- по 0,01%; медь и никель –по 0,01%;уран-0,0003%;вольфрам-0,0001%;. Особенна богата природа благородными металлами.

    Природные ресурсы не металлических материалов более внушительны. Земная кора состоит главным образом из кремнезема и солей кремневой кислоты –силикатов. Содержания кремня в земной коре составляет 26%. Он самый распространенный в природе химический элемент.

      Одним из самых распространенных элементов на земле является углерод. Его общее содержание в земной коре составляет 0,35%. Кроме того, углерод является основной органичеческой жизни на земле, входит в химический состав земной флоры и фауны; углекислый газ (химической соеденение углерода с кислородом СО2) в огромных количествах выделяются живые организмы и поглощают растения и  деревья, а также он выбрасывает в атмосферу в процессе сжигания органического топлива(дрова, торф, уголь, мазут, бензин ,керосин).

      Среди металлических материалов преобладают черные металлы, к которым относят железо и его сплавы .

Они широко применяются во всех отраслях техники для изготовления деталей машин и оборудования ,а также для производства инструмента, строительных конструкций и бытовых изделий.

        Остальные металлы составляют лишь около 10% общего количества машиностроительных материалов на металлической основе. Их условно относят к цветным металлам. В отраслях массового машиностроения наиболее широко применяются сплавы на основе меди и алюминия. Остальные металлы используются технике в соответствии с о своими специальными свойствами. Среди них можно выделить легкие (магний, титан), тугоплавкие(вольфрам, молибден и др.),благородные (золото, серебро и др.) металлы.

     В составе технической керамики  кремний является основных элементов. Многие силикаты и соединения кремния с другими химическими элементами применяется не только в технике не только в качестве конструкционного материала. Например , из природных силикатов используются: слюда электроизолятор, асбест  как огнеупор.  Соединения кремня с углеродом(карбид кремния ,более известный по техническим названием «карборунд») имеет высокую твердость и используется в качестве абразивного инструмента. Силикаты служат сырьём для производства стекла. Стеклянные волокна являются одним из компонентов стеклопластиков, которые с успехом заменяют металл в машиностроении, а также служат основой волоконной оптики.

                         Кремний является основой электроники.

Широкое применение в машиностроении получили полимеры - химические соединения, в основе которых лежит гигантская цепочка из атомов углерода. Среди других химических элементов углерод выделяется многочисленностью и разнообразием своих химических соединений. Число его только изученных соединений примерно в 50 раз превышает количество химических соединений всех остальных элементов, вместе взятых. Многие из химических соединение углерода имеют техническое применение.

Открытие новой аллотропной  модификации углерода – фуллеренов – положило начало резкому усилению интереса мирового научно - технического сообщества и внимания государственных органов власти к одному из перспективных направлений коллоидной химии – нано -  технологи.

Соотношение объемов производства используемой в машиностроении технической керамики и полимерных материалов установить сложно, однако можно считать, что полимеры имеют более широкое применение.

В последние годы активно развивается новое направление материаловедения – теория о практика применения композитных материалов, которые в ряде случаев сочетают в себе металлические и неметаллические вещества. Объем их производства можно оценить как 5% общего количества конструкционных материалов, а уровень применения – как стадию широкого промышленного опробования в отраслях массового машиностроения и устойчивого роста масштабов использования в передовых отраслях специального машиностроения.

Общий объем технического, а не только машиностроительного применения материалов больше соответствует уровню их ресурсного обеспечения исходным сырьем. Доля металлических материалов составляет лишь около 3% по объему и около 13% по весу в общем количестве потребляемых  мировым сообществом материалов. Свыше 90% объема потребностей человеческого общества в материалах удовлетворяется керамикой с практически неограниченным ресурсным обеспечением и древесиной, которая является возобновляемым природным ресурсом.

Однако в настоящее время развитие новой техники передовых отраслей машиностроения предъявляет повышенные требования к работоспособности материалов в экстремальных рабочих условиях эксплуатации изделия. В качестве примера на рис. 3.25 представлен температурный режим эксплуатации основных деталей фюзеляжа современного сверхзвукового самолета. Ответим, что некоторые отрасли современного машиностроения, такие как, например, ракетно – космическая техника, предъявляют еще более жесткие требования к тепловому режиму эксплуатации деталей.

Металлические материалы в этих условиях работать не могут. Черные металлы не проходят как по температуре эксплуатации, так и вследствие низкого значения удельной прочности. Легкие  цветные металлы обладают более  высоким показателем удельной прочности, но не выдерживают заданного температурного режима эксплуатации. Керамика обладает хрупкостью и не выдерживает тепловых и силовых ударных нагрузок.

Попытки модифицировать свойства как наиболее широко применяемых в машиностроении металлических материалов, так и неметаллических материалов, традиционными способами повышения их технических характеристик до современного уровня практически себя исчерпали. Можно предположить, что в обозримом будущем от традиционных способов модифицирования объемных материалов конструкционного назначения трудно ожидать революционного повышения уровня потребительских свойств материалов, хотя эволюционное улучшение их технических характеристик неизбежно.

Принципиальный недостаток традиционных способов повышения физико – механических характеристик материалов заключается в обратно – пропорциональной зависимости соотношения прочность – пластичность. (рис. 3.26). Возможный успех технологических проектов по многократному повышению прочности материала блокируется столь же резким снижением его пластичности.

Существенным ограничением технического применения современных объемных материалов конструкционного назначения является низкий показатель удельной прочности. Принципиальное значение удельная прочность материала имеет в транспортном машиностроении.  Оно возрастает в ряду: водный транспорт – наземный транспорт – воздушный транспорт – космический транспорт. Для автомобильного транспорта считается, что процент снижения массы автомобиля соответствует уменьшению расхода топлива на столько же процентов. Экономический эффект от снижения материалоемкости воздушных и космических транспортных устройств существенно выше и достигает 15 тыс. дол. США на 1 кг снижения массы (табл. 3.5).

Отсутствие материалов, необходимых для создания новых процессов современной техники с экстремальными условиями эксплуатации, привело к развитию новых разделов материаловедения. Это обусловило разработку принципиально новых материалов с комплексом свойств, многократно превышающим достигнутый традиционными технологиями уровень. Промышленное производство именно таких материалов прогнозирует нанотехнология.