Mūsdienu materiāli

Site: Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu kompetences paaugstināšana
Course: ĶīmiT026 : Mūsdienīgs un atvērts mācību process ķīmijā profesionālajā izglītībā
Book: Mūsdienu materiāli
Printed by: Guest user
Date: Friday, 1 July 2022, 11:06 AM

Description

Mūsdienu materiāli.

Titullapa

ESF + ES + IEGULDĪJUMS TAVĀ NĀKOTNĒ logo_LU

logo_Projekts


Sagatavojis: Jāzeps Logins


POLIMĒRIE MATERIĀLI. TEFLONS

Materiāls izstrādāts
ESF Darbības programmas 2007. - 2013.gadam „Cilvēkresursi un nodarbinātība”
prioritātes 1.2. „Izglītība un prasmes”
pasākuma 1.2.1.„Profesionālās izglītības un vispārējo prasmju attīstība”
aktivitātes 1.2.1.2. „Vispārējo zināšanu un prasmju uzlabošana”
apakšaktivitātes 1.2.1.1.2. „Profesionālajā izglītībā iesaistīto pedagogu
kompetences paaugstināšana”
Latvijas Universitātes realizētā projekta
„Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu
kompetences paaugstināšana”
(Vienošanās Nr.2009/0274/1DP/1.2.1.1.2/09/IPIA/VIAA/003,
LU reģistrācijas Nr.ESS2009/88) īstenošanai.

Rīga, 2010

TEFLONS

Pagājušajā gadsimtā, tika atklāta jauna viela, kas izrādījās ļoti izturīga un līdz ar to, var teikt uzreiz ieguva plāšu pielietojamību cilvēka dzīvē. Dēļ vielas lieliskām īpašībām tai atrada vietu daudzās nozares, neizpētot līdz galam tas vielas ietekmi. Tagad ir ļoti grūti iedomāties dzīvi bez tas, vieglāk nosaukt nozares kur to nepielieto. Darbā tiek sakopta informācija par vienu no polimēriem, tā saukto politetrafluoretilēnu. Mēs to vielu zinām zem nosaukuma teflons. Par vienu no savām kolosālām īpašībām teflons ir ienests Ginnesa rekordu grāmatā. Tika noskaidrots, kā šī viela tiek ražota un kā tā ietekmē uz dzīvajiem organismiem, ka arī atklāts viens no nozīmīgakājiem jautājumiem: „Kā doto vielu var pielimēt?", t.i., saistīt ar citiem materiāliem.

Atklāšanas vēsture

Politetrafluoretilēnu 1938. gadā nejauši atklāja firmas DuPont un General Motors kopuzņēmuma Kinetic Chemicals ķīmiķis Rojs Plankets, pētot fluorētos ogļūdeņražus. Plankets bija atstājis ar tetrafluoretilēna gāzi uzpildītu balonu sausajā ledū un pēc kāda laika konstatēja, ka balona manometrs vairs neuzrāda spiedienu. Balons tika nosvērts, lai noskaidrotu, vai gāze nav izplūdusi, bet izrādījās, ka balona masa nav mainījusies. To atverot, atklājās, ka gāze ir pārvērtusies par vaskveidīgu baltas krāsas vielu, kas bija ķīmiski praktiski nesagraujama – tā nešķīda nekādos šķīdinātājos un to neietekmēja vārīšana stiprās skābēs un sārmos. Materiālu neietekmēja ne ļoti zemas, ne ļoti augstas temperatūras, uz to neiedarbojās mitrums un saules gaisma, tādēļ sākās nopietni jaunā produkta pētījumi.

1941. gadā tika atklātas metodes, kā no šīs vielas izgatavot dažādus izstrādājumus, materiālu patentēja firma DuPont zem nosaukuma TEFLONS.

Politetrafluoretilēnu iegūšana

Politetrafluoretilēns jeb (PTFE) ir vinilpolimēru klases pārstāvis. To iegūst no tetrafluoretilena monomēra radikāļu vinilpolimerizācijā suspensijā vai emulsijā:

1att

Īpašības

Politetrafluoretilēns ir polimērs, kas sastāv tikai no oglekļa un fluora. Tas ir plastmasa, kurai piemīt unikālās fizikālās un ķīmiskas īpašības. To var uzskatīt par polietilēna atvasinājumu, kura molekulā visi ūdeņraža atomi aizvietoti ar fluora atomiem:

2att

Politetrafluoretilēnu biežāk pazīst ar zīmola nosaukumu teflons, kaut gan dažreiz to sauc par fluorplastu-4 un synocolonu. Teflonā ārkārtīgi garas oglekļa atomu ķēdes ir it kā "ietītas" fluora atomos, turklāt ķīmiska saite starp fluoru un oglekli ir ļoti stipra. Tādēļ teflons ir ķīmiski ļoti inerts materiāls, kas nereaģē pat ar karaļūdeni. Teflonu iznīcina sārmu metālu sakausējumi un hlora fluorīds. Teflons ir ārkārtīgi slidens materiāls.

Teflons – balta, plānā slānī caurspīdīga viela, kas pēc izskata atgādina parafīnu vai polietilēnu. Teflons ir ļoti izturīgs zemās un augstās temperatūrās, tas ir elastīgs pat no - 70 oC līdz +270 oC temperatūrā. Fluorplasts-4 ir lielisks izolācijas materiāls.

1tab

PTFE makromolekulas ir lineāras. Polimēra vidēja molekulmasa var sasniegt 106. Tas viegli kristalizējas, makromolekulam kristalītos ieņemot spirālveida konformācijas. Kristalizējoties veidojas blīvi kristalīti. Šīs polimērs ir ķīmiski izturīgākais, tas nedeg un nešķīst nevienā no šķīdinātājiem. PTFE ir niecīgs berzes koeficients.

Fluors ir ļoti „dīvains" ķīmisks elements. Molekulas, kas to saturur, „negrib” atrasties blakus citam molekulam, kurās jau ir fluora atomi. Tieši tāpēc, ka politetrafluoretilēna molekulā ir ļoti daudz fluora atomu, molekulas atrodas tik tālu cita no citas, cik vien tas ir iespējams. Tāpēc teflona virsma, atgrūž citus meteriālus, un pie teflona nekas nepielīp.

3att


Izmantošana

Teflons ir nozīmīgs materiāls ikdienas dzīvē. To plaši izmanto rūpniecībā. Tekstilrūpniecības uzņēmumos ražo audumus, kur teflona daļiņas atvieglo tā mazgāšanu, piem. „Gortex". Teflons tiek izmantots arī elektrotehnikā. Teflonu plaši izmanto augsto tehnoloģiju jomā. Atšķirībā no līdzīgiem pēc īpašībām polimēriem materiāliem – polietilēna un polipropilēna, teflonam ir ļoti zema dielektriskā konstante atkarībā no temperatūras, un niecīgi dielektriskie zudumi. Tāpēc to izmanto elektroizolācijā, mikroshēmas, lampās utt. Teflonu izmanto sadzīves priekšmetu ražošanā. Tas sastopas pannas, katlas, gludekļos utt. Medicīnā ir priekšmeti, kuros ir teflons. Tas atrodas ķirurģiskajos instrumentos, protezēs utt. Teflonu izmanto pat kosmētikā un skaistumkopšanā. Bieži vien teflona daļiņas ir ādas injekcijās un kā krēmu sastāvdaļa.

Ietekme uz cilvēka organismu

Teflons ir stabils un inerts. Ja to uzsilda virs 200 oC, politetrafluoretilēns sadalās un rodas toksiski produkti. Sadalīšanās gaitā iespējama perfluoroktanskābes rašana (PFOA vai -C8 ). Zemāka temperatūra, kāda konstatēta teflona sastāvdaļu nokļūšana gaisā, ir 230°C. Šādu temperatūru panna sasniedz jau pēc 2-5 minūtēm, it īpaši uz gāzes plītīm, kur karstums koncentrējas vienuviet.

Starp teflona termiskas sadalīšanas produktiem ir konstatēts perftorizobutilēns (C4F8) - ļoti indīga gāze. Starp teflona sabrukšanas produktiem arī sastopas sekojošās vielas: heksafluoroetēns (C2F6), oktafluorociklobutāns (C4F8) utt.

Zinātniskie pētījumi liecina, ka produkti, kas izdalās no teflona var izraisīt aptaukošanu, insultu un vairogdziedzera vēzi. Turklāt konstatēts, ka PTFE var radīt kaitējumu vismaz 9 veidu šūnām, kas regulē organisma imunitāti. Jaunākie pētījumi norāda, ta teflona izstrādājumu lietošana var paaugstināt holesterīna un triglisterīna līmeni organismā, teflona irdarbībā dzīvniekiem novēroja izmaiņas smadzenēs, aknās un liesā, pakāpenisku endokrīna sistēma un paaugstinās neauglības un atpalicības risks.

Teflona kaitējumu var novērst, ja izvēlas nerūsējošā tērauda, čuguna, emaljētus vai stikla traukus. Ja izmanto ar teflonu klātos traukus, ieslēdziet tvaika nosūcēju, negatavojiet uzturu augstā temperatūrā, izvairīties gatavot to uz gāzes plīts. Citi ieteikumi.

- Nelietojiet kosmētiku, kuras sastāvā ir vielas ar nosaukumu fluoro-, perfluoro- vai PTFE.

- Nemetiet ugunī atkritumus, kas satur teflonu.

- Iesaisties REACH regulas atbalsta akcijās, boikotējiet preces, kuru ražošanā izmantots teflons.

Politetrafloretilēna pielīmēšana

Ja, jau PTFE piemīt īpašība atgrūst citas vielas, tad rodas jautājums, kā ražotājiem izdodas pielīmēt teflonu pie pannām un citiem priekšmetiem. Neviena no firmam kas ražo izstrādājumus no teflona tādus noslēpumu neatklās, bet ir daži paņēmieni, kā to paveikt.

 1. iespēja. Politetrafluoretilēnam pievieno nātriju, lai atšķeltu dažus fluora atomus molekulā un līdz ar to radīsies brīvie radikāļi un šajās vietās polimērs varēs saistīties ar citiem materiāliem.

4att

2. iespēja. Var izmantot ftoroplasta-4 un spēcīga oksidētāja iedarbību, piem., CrO3. Pirmais ftoroplasta-4 slānis tiek uzklāts uz pannas virsmas ar lieku CrO3 koncentrāciju, un pēc tam, katrā nākošā slānī, CrO3 koncentrāciju jāsamazina. Kad sasniedz pēdējo slāni, tad ir gandrīz tīrs PTFE slānis ar krāsvielu piedevām un metālu, lai slēptu iepriekšējos slāņus.

Literatūras saraksts

1. M. Kalniņš, Ē. Neimanis, V. Kaļķis. Lielmolekulārie savienojumi, Rīga, Zvaigzne 1981g

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluoroethylene

3. http://www.mikolka.info/2007/02/19/teflon/

4. http://pslc.ws/russian/ptfe.htm [5] http://pslc.ws/russian/ptfeidea.htm [6] M. Kalniņš. Polimēru fizikālā ķīmija

KOMPOZĪTMATERIĀLI

Ikdienā mēs nepārtraukti saskaramies ar kompozītmateriāliem. Mūsdienās kompozītmateriālus izmanto būvniecībā, ķīmijas rūpniecība, medicinā, pārtikā, velosipēdu, sporta inventāru, automobiļu un beidzot ar modernajām lidmašīnām un kosmosa kuģu ražošanā, grūtāk ir nosaukt nozares, kurās tie netiek izmantoti. Pasaulē tiek radīti aizvien jauni kompozītmateriāli.

Kompozītmateriāli ir veidoti no diviem vai vairākiem dažādiem materiāliem. Kompozītmateriālu izmantošanas priekšrocības ir augsta mehāniskā izturība, mazs blīvums, tie ir cietāki nekā alumīnijs un nav pakļauti korozijai.

Izstrādātais darbs palīdz saprast kas ir kompozītmateriāli un kādi to veidi eksistē. Galvenokārt darba izstrādei bija izmantoti elektroniskie resursi.

Kompozītmateriālu veidi

Kompozītmateriālus (turpmāk KM) - saliktus materiālus izveido, saistot divus vai vairākus materiālus, lai materiāli palielinātu to lietderīgās īpašības un mazinātu nevēlamās.

Vairākums KM tiek izgatavoti no viena materiāla šķiedrām, kas viendabīgi iestrādātas citā materiālā, kuru sauc par matrici. Matrice saista šķiedras kopā līdzīgi adhezīvam materiālam – līmei – un palielina to stiprību. Turpretim šķiedras padara matrici izturīgāku, stingrāku un novērš plaisu un lūzumu veidošanos tajā. Šķiedras visbiežāk izgatavo no stikla, oglekļa, silīcija karbīta vai azbesta. Par matrici parasti izmanto plastiskus polimērmateriālus, metālus vai keramiskos materiālus. Šīs trīs veida matricas ir pamatā triju veidu izplatītākajiem KM.

Kompozitmateriālaveidošanas princips:

1att

Polimērmatriču kompozītmateriāli

Polimērmatriču KM (PMK), kurus izmanto visplašāk, ietilpst arī ar stikla šķiedru armētie KM (SKM). Šajos materiālos apvienotas stiklašķiedru īpašības, kurām raksturīga gan liela stiprība, gan arī trauslums, ar polimēru elastīgumu. Kalnu velosipēda riteņus var izgatavot no speciālām aviācijas materiāliem paredzētām oglekļa šķiedrām polimēra neilona matricē, kura piešķir šim materiālam stabilitāti un vieglumu. Lai izgatavotu sevišķi vieglus un ārkārtīgi stabilus velosipēdu riteņus ar trim vai četriem spieķiem, izmanto uzlabotu Kevlara KM. Šādus riteņus izgatavo velosipēdiem, ar kuriem startē olimpiskajās spēlēs. Kevlaru vēl izmanto ložu necaurlaidīgajās vestēs. Kevlara šķiedru stiegrojums absorbē un izkliedē naža trieciena vai lodes enerģiju, pirms tie spēj ievainot cilvēka ķermeni, ko sedz šī veste. Kevlara šķiedras ir arī ķīmiski izturīgas un ugunsdrošas. Kevlars ir tāds materiāls, kuru var izmantot speciāliem bruņutērpiem, ložu necaurlaidīgām vestēm, pretmīnu apaviem, kā arī citiem aizsargtērpiem. Kevlars ir pieckārt izturīgāks nekā tērauds un daudzreiz vieglāks. Tas ir šķiedrveida materiāls, kas izgatavots no garām polimēra molekulu virknēm. Šo polimēru sauc par poliparafenilēntereftalamīdu. Saaustas blīvi cita pie citas, šīs šķiedras veido cietu aizsargmateriālu.

Pats cietākais materiāls, ko sauc par spektra šķiedrām, izgatavots no polietilēna KM, kurā šķiedras ir saaustas kopā tā, lai tās cita ar citu veidotu taisnleņķi, iestiprinātas elastīgos sveķos un pārklātas ar lamināta plēvi. Šī materiāla stiprība ir 10 reizes lielāka par tērauda stiprību. Arī bruņu automobiļos KM rada tādu pašu nodrošinājumu kā antiballistiskais tērauds.

Dizaina kompozītmateriālus izgatavo uz šūnveida loksnes, kas parasti tiek aplīmēta ar dažādu faktūru un krāsu plastmasas loksnēm. Galvenokārt tie tiek izmantotas arhitektūrā un interjera dizainā.

2att

Lai izgatavotu izstrādājumus no KM, kas armēti ar stiklšķiedrām, bieži vien vispirms izgatavo šī materiāla lentes. Garu stiklšķiedru kūli velk cauri veidnei. Veidnē atrodas saistviela – polimērsveķi,kas darbojas kā matrice. Tad ar polimēru klātās stiklšķiedras presē uz atbalstlentes un vai nu iegūst nepārtrauktu, garu loksni, vai to velmē slāņveida materiālā, ko sauc par laminātu. Šādas loksnes ir izturīgas šķiedras garenvirzienā. Laminātu var iegūt, ja ar polimēru pārklāj grieztas īsas šķiedras un tad tās presē uz atbalstlentes. Šis kompozīts ir vienādi izturīgs visos virzienos. Garu šķiedru laminātos šķiedru kūļi ir izvietoti paralēli cits citam saistvielas matricē un tad saķepēti plānā slānī uz atbalstloksnes. Šiem slāņiem piemīt liela stiprība šķiedras ass virzienā, bet neliela stiprība – citos virzienos. Lai iegūtu materiālu, kura stiprība visos virzienos būtu vienādi liela, slāņus izkārto citu uz cita, katru nākamo slāni novietojot 450 leņķī pret iepriekšējo. Laminātus izgatavo, piemēram, no SKM garo šķiedru kūļi izvietoti vienā virzienā. Lai panāktu, ka jahtas korpuss ir vienādi izturīgs visos virzienos, daudzus lamināta lentes slāņus liek citu uz cita tā, lai šķiedras būtu vērstas dažādos virzienos. Pēc tam šos slāņus pārklāj ar neapgriezeniski cietējošiem sveķiem.


Metālmatriču kompozītmateriāli

Metālmatriču KM (MKM) visbiežāk izmanto silīcija karbīda šķiedras, kurās ir iestiprinātas alumīnija un magnija sakausējuma matricā.Tagad lieto arī titānu, varu un dzelzi. Metālmatriču KM visvairāk lieto velosipēdu un golfa nūju, kā arī raķešu vadības sistēmās.

Daži kompozīti jau pēc to dabas ir karstumizturīgi un ugunsizturīgi. KM, kuru sastāvā ir silīcijs un alumīnijs – 2 nedegoši ķīmiski elementi – izmanto rūpnieciskajās celtnēs. Cits perspektīvs Si – Al KM izmantošanas veids ir to lietošana lidmašīnās. To aizdegties spējīgais, no plastmasām veidotais iekštelpu interjers var izdalīt tikpat daudz enerģijas, kā tam ekvivalenta aviācijas degvielas masas gadījumā, ja šie materiāli aizdegas. 1998. g. geopolimērs – viegls neuzliesmojoš lamināta audums, kura pamatā ir Al – Si KM,- bija pirmais materiāls, kas izturēja sarežģītos liesmizturības testus.Viscaur pilnīgi nedegoši materiāli, kā piemēram, geopolimērs, ir ļoti dārgi. Kā alternatīvu var izmantot degošu materiālu pārklāšanu ar nedegošiem materiāliem.

Siltumizturība arī ir viens no raksturlielumiem, kas būtiski nepieciešams materiāliem, no kuriem izgatavo kosmosa kuģus. Kosmiskajam aparātam jāspēj pretoties karstumam, kas rodas, nolaižoties atmosfērā, bet tā raķešdzinējam jāiztur augstā degvielas sadegšanas temperatūras. Pirmo kosmosa kuģu siltumaizsardzības ekrānus izgatavoja no Be un fenola epoksīdsveķu maisījuma, kuru iepildīja bišu šūnām līdzīgā tērauda veidnē. Iegūtos konusus izvietoja nolaižamā aparāta apakšdaļā –konusu materiāls sadega un nodrupa, aizvadot karstumu prom no kosmiskā aparāta.

3att

2007. gadā ASV aviācijas ražotājs Boeing ir izcēlis gaismā savu jaunāko veikumu – 787 Dreamliner. Šis lidaparāts tajā laikā bija vienīgais lielizmēra pasažieru aviolaineris, kuram 50% no visas struktūras (arī fizelāža un spārni) bija izgatavoti no oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem. Pierastais alumīnijs ir atbīdīts otrajā vietā un veido tikai 20% no visas lidmašīnas. Tāpat arī titāns un tērauds vairs neveido būtisku daļu – tikai attiecīgi 15% un 10%. Tādejādi tas padara šo lidaparātu par videi draudzīgāko aviolaineri pasaulē. Kompozītmateriāli arī padara to vieglāku un daudz izturīgāku, nekā to jebkad to ir spējis alumīnijs. Ja runājam par kompozītmateriālu priekšrocībām, tad arī noteikti jāpiemin gaisa kvalitātes uzlabošanās lidmašīnas iekšienē, proti, līdz ar šī materiāla klātbūtni gaiss kļūs mitrāks un garo pārlidojumu pasažieriem pieņemamāks.Boeing uzreiz ir saņēmuši vairāk nekā 600 pasūtījumus no 45 aviopārvadājumu kompānijām no visas pasaules.

Keramikas matriču kompozītmateriāli

Keramikas matriču KM (KMK) ir trešā veida KM. Tajos silīcija karbīda šķiedras fiksētas borsilikātstikla matricē. Keramikas matrices padara materiālus īpaši piemērotus izstrādājumiem, kas pakļauti augstu temperatūru iedarbībai. Keramika ir pierādījusi savu noderīgumu ne tikai ikdienišķās situācijās. Uzlabotas keramiskas īpašības ir nodrošinājušas tās izmantošanu īpaši svarīgās jaunās jomās. KM ir īpaši noderīgi tādēļ, ka tiem var piešķirt dažādu formu. Tos var izveidot gan kā šķiedras, gan arī kā visdažādākās figūras. No silīcija stikla, kam pievieno Na, Ca un P var iegūt Biostiklu. Šis KM pēc implantēšanas organismā reaģē ar dabisko kaulu un līdz ar to piesaistās tam. To izmanto arī vidusauss implantātiem, ķīļiem – lauztu kaulu sastiprināšanai, kā arī zobārstniecībai. Piemēram, rūdīta silīcija karbīdu izmanto gūžas locītavas aizstājēja izgatavošanai. Tajā izveidotas poras kā dabiskā kaulā, līdz ar to stimulējot locītavas aizstājēja saaugšanu ar dabisko kaulu un audu veidošanos ap mākslīgo locītavu.

KM to stiprības un viegluma dēļ kļuvuši populāri sporta inventāra izgatavošanā. Tenisa raketes visbiežāk izgatavo no KM, kuros matrice ir grafīts un kuri armēti ar oglekļa šķiedrām. Šīs šķiedras ir izvietotas tā, lai samazinātu iespēju raketei zaudēt formu un izliekties,tādai, lai palielinātu tās stabilitāti.

Raķešdzinēju iekšējās caurules un elektriskos vadus pārklāja ar sveķiem un stiklšķiedru. Šo materiālu pēctečus mūsdienās plaši lieto rūpnieciskajās iekārtās un sadzīves tehnikā, kur nepieciešama efektīva siltumizolācija, kas pasargā no siltuma piekļūšanas vai pretēji saglabā siltumu. Pie kosmisko siltumizolācijas materiālu jaunākās paaudzes pieder aerogels – īpaši viegls, sauss silīcija receklis, kas ir tikai trīs reizes smagāks par gaisu.

Polimēru kompozītmateriāli mūsdienās tiek izmantoti samērā plaši (korians, kristalons, avonits u.c.), ko ikdienā sauc par akmens masu, mākslīgo granītu vai marmoru. No tā ražo galdvirsmas, palodzes, vannas, izlietnes, bāra letes u.c. Tie var būt pilnīgi mākslīgi vaiaris saturēt sadrupināta akmens gabaliņus, kas iestrādāti sintētisko saistvielu – akrila, silikona vai epoksīda sveķu – masā. Vizuāli var atgādināt arī marmoru vai granītu.

Mākslīgā akmens virsmas īpašības: tas ir ļoti izturīgas (dažu veidu virsmas ir cietākas pat par granītu); elastīgākas nekā granīts, neplaisā, tāpēc plāksnes var būt plānākas; mitruma izturīgas (izlijis ūdens tajās neiesūcas, pat ja to ilgi neuzslauka); neuzsūc netīrumus un krāsojošus šķidrumus (vīnu, tēju, kafiju u. c.); pietiekami karstumizturīgs (uz tā var likt parasta biezuma katlus un pannas, nebaidoties, ka materiāls tiks bojāts; mikroklimata ietekmē materiāls nemaina formu un izmērus; ja ir kādi skrāpējumi, virsmas sākotnējo izskatu iespējams atjaunot, to slīpējot; fiziski silts; viegli kopjams (ar mitru drāniņu vai ar parastajiem mēbeļu kopšanas līdzekļiem).

4att

Interjeru projektētāji ir iecienījuši mākslīgo akmeni, jo tajā var īstenot visneparastākās dizaina ieceres, veidojot dažādus līmeņus, liektas un lauztas formas, padziļinājumus un izvirzījumus, sabiezinājumus un sašaurinājumus.

Mākslīgā akmens virsmā neatkarīgi no virsmas konfigurācijas un izmēriem nav redzamas šuves ne stūros, ne priekšējā malā, ne arī kur citur.

Jauns kompozītmateriāls Multiform COMP

Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) Polimērmateriālu institūtā veikts pētījums par riepu pārstrādi un otrreizēju izmantošanu jeb reciklēšanu. Riepu pārstrādes rezultātā ir iespējams iegūt jaunu, vērtīgu materiālu, kam pielietojums galvenokārt būs celtniecībā, ceļu būvē un nākotnē, iespējams, to varēs izmantot arī bērnu spēļu laukumu pārklāšanai. Paredzams, ka jaunā ražošanas tehnoloģija palīdzēs atrisināt riepu atkritumu problēmu, ļaus ietaupīt izejvielu resursus un sniegs ieguldījumu ekoloģiskās situācijas uzlabošanā.

Ārzemēs jau agrāk ir izstrādātas tehnoloģijas, kā riepu pārstrādes rezultātā iegūto sasmalcināto gumiju(smalkni) izmantot dažādu jaunu kompozītmateriālu iegūšanai.

Kā notiek riepu pārstrādes process? Ar speciālu tehnoloģisko iekārtu riepas sasmalcina, gumijas daļiņas veidojot rupjākas vai mazākas, jo atkarībā no smalknes veida un daudzuma mainās arī kompozītmateriāla īpašības. Gumijas smalknei pievieno saistvielu, un noteiktos gaisa temperatūras un mitruma apstākļos veidojas gatavs kompozītmateriāls. Svarīgi, ka jaunā materiāla izgatavošanai nav vajadzīgas kādas īpašas, sarežģītas tehnoloģiskas iekārtas. Šo materiālu var veidot arī \"in situ\" – uz vietas tieši būvobjektā vai citur. Riepu gumijas smalkni sajauc ar saistvielu un izklāj uz virsmas. Pēc 24 stundām, kad masa ir ieguvusi vajadzīgo cietību, tai pāri var klāt betonu vai citu materiālu.

Pētījuma praktiskās daļas nodrošināšanā kopā ar RTU Polimērmateriālu institūta speciālistiem un studentiem piedalījās arī SIA\"Tenchem\" un SIA \"Piekūns un dēli\", kas ikdienā nodarbojas ar riepu restaurāciju. Firmu rīcībā ir aparatūra, kas spēj sasmalcināt riepu gumijoto, cieto apvalku.

Pētījums, kura pilns nosaukums ir \"Kompozītmateriāla izstrāde uz nolietotu riepu reciklāta un polimēru saistvielas bāzes\",laboratorijas apstākļos tika izstrādāts gada garumā. Pēc darba pamatmateriāla izstrādes pētījuma autori veica no jauna iegūtā kompozītmateriāla vispusīgu analīzi un secināja, ka \"Multiform COMP\" (tāds ir šim materiālam dotais sākotnējais nosaukums) piemīt daudzas ļoti vērtīgas īpašības. Tam ir labas fizikāli mehāniskās īpašības – elastība un spiedes stiprība, bet tā porainās struktūras dēļ šis materiāls labi slāpē skaņas un mehāniskās vibrācijas, tam piemīt arī siltumu izolējošas īpašības. Blīvējot kompozītu pie dažādām slodzēm un gumijas daļiņas ar saistvielu savienojot atšķirīgās proporcijās, var iegūt atšķirīgus materiālus ar prognozējamām īpašībām.

Zinātnieki paredz, ka jaunajam kompozītmateriālam nākotnē būs plašs pielietojums. Tas var kalpot par amortizējošu un skaņu izolējošu grīdas segumu, kā arī rūpniecisku iekārtu amortizējošu segumu. Šo materiālu var izmantot kā amortizējošu starpslāni arī ceļu segumos, piemēram, ieklājot zem dzelzceļa gulšņiem un veidojot norobežojošus pildījumus dzelzceļa stigu tuvumā,kas palīdzētu mazināt vilcienu kustības radīto troksni un vibrāciju. Iespējams,\"Multiform COMP\" kā izturīgs un elastīgs segums varēs kalpot arī bērnu rotaļu laukumos. No riepu smalknes nākotnē varētu izgatavot arī plāksnes,kuras var izmantot namu starpsienu skaņas un siltuma izolācijai. Būvniecības speciālisti jau ir akceptējuši ieceri par šāda materiāla varbūtēju pielietojumu celtniecībā.

Izmantotās literatūras avotu saraksts:

1. http://www.atlants.lv/konspekts/kompozitmateriali/499742/

2. http://www.e-koks.lv/files/publikacijas/Platnes_2008.pdf

3. http://www2.la.lv/lat/majas_viesis/jaunakaja_numura/zinatne/?doc=25176

4. http://www.unesco.lv/lat/index/programmes/science/fwis/2006.html

5. http://easyget.lv/dzivesstils/read/11555/

6. http://www.apollo.lv/portal/auto/2509/articles/163766

7. http://air.blogs.lv/2007/11/page/4/

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB

9. http://www.dekoplast.lv/index.php?id=13

10. http://www.nra.lv/zinas/22878-virtuves-darba-virsma.htm

VIEDIE MATERIĀLI

Struktūras ar īpašībām reaģēt uz dažādiem apkārtējās vides signāliem, sola jaunu materiālu un ierīču pārpilnību, kas varētu rast jaunus risinājumus dažādu tehnoloģiju pilnveidošanai. Jaunas tehnoloģijas un materiāli, kas spēj selektīvi reaģēt uz apkārtējās vides izmaiņām var efektīvi uzlabot cilvēku dzīves kvalitāti un nodrošināt vides ekoloģiju, saudzējot tās enerģijas rezerves. Viedo materiālu strauja izpēte un inovatīva pielietošana saimniecībā ir kļuvusi ārkārtīgi populāra un rada pieprasījumu pēc vairākiem materiālu elementiem ar dažādām īpašībām. Plašs pieprasījums pēc dažāda tipa viedajiem materiāliem ir būvniecības sektorā, kur atsevišķās celtņu daļās iebūvē materiālus ar spēju reaģēt uz saules starojumu, palielinātu mitrumu un daudziem citiem vides signāliem. Novērtējot viedo materiālu efektivitāti, tiek pieņemti jauni standarti arhitektūrā.

Viedo materiālu veidi

Viedie materiāli un to struktūras ir objekti, kas reaģē uz apkārtējās vides signāliem, mainot kādu no savām īpašībām. Šādi materiāli tiek veidoti tā, lai tie selektīvi reaģējot uz noteiktu signāla veidu mainītu savu struktūru, vai pārveidotu enerģiju no viena veida otrā. Viedo materiālu pārvērtības notiek atgriezeniski un tās var veikt atkārtoti. Materiālu spēja reaģēt uz apkārtējās vides signālu nosaka to iedalījumu. Izdala divas viedo materiālu grupas:

1. veida materiāli tieši pakļaujas apkārtējās vides signāla ietekmei mainot vienu vai vairākas no savām īpašībām (ķīmiskās, elektriskās, magnētiskās, mehāniskās vai termiskās).

2. veida materiāli pārveido tiem pievadīto enerģiju no viena veida citā. Pievadītā enerģija maina materiāla iekšējo enerģijas līmeni, tomēr nemaina tā struktūru.

1. veida materiāli:

  • termohromie (thermochromic) materiāli – pievadot termisko enerģiju, mainās materiāla krāsa,
  • fototropie (phototropic) materiālie – apstarojot ar gaismu, mainās materiāla struktūra un krāsa,
  • termotropie (thermotropic) materiāli – pievadot siltumu, mainās materiāla mikrostruktūra (agregātstāvoklis, elektrovadītspēja, tilpums, blīvums),
  • magnetoreoloģiskie (magnetorheological) vai elektroreoloģiskie (electrorheological) – pievadot magnētisko vai elektrostatisko lauku, mainās vielas viskozitāte,
  • formas atmiņas (shape memory) materiāli – pievadot termisko enerģiju, mainās vielas mikrostruktūra kristāliskajā fāzē sakārtojot vielas atomus noteiktā kārtībā,
  • mehanohromie (mechanochromic) materiāli – spiediena vai deformācijas rezultātā, mainās krāsa vai tie kļūst caurspīdīgi;
  • elektrohromie (electrochromic) meteriāli – pievadot noteiktu spriegumu, mainās krāsa,
  • fāzi-mainošie (phase-changing) materiāli – veidojoties ķīmiskām saitēm, uzkrājas un izdalās siltums,
  • athēziju-mainošie (adhesion-changing) materiāli – pievadot elektrisko lauku vai gaismu, mainās dažādu atomu vai molekulu adsorbcijas un absorbcijas spēja.

2. veida materiāli:

  • gaismu izstarojošie (light-emitting) materiāli – pievadot enerģiju izstaro redzamā spektra gaismu.
  • elektroluminiscenti (electroluminiscent) materiāli – gaismu izstaro, pievadot elektrisko strāvu.
  • ķīmiskiluminiscenti (chemoluminiscent) materiāli – gaismu izstaro, notiekot ķīmiskai reakcijai.
  • fotoluminiscenti (photoluminiscent) materiāli – gaismu izstaro UV gaismā.
  • elektrostrikcija (electrostrictives) – sprieguma ietekmeē rodas enerģija, kura deformē materiālu.
  • formas atmiņas (Shape Memory Alloys) metaliskie materiāli – noteiktā temperatūrā metāls pieņem noteiktu formu.
  • fotovoltaiskie (photovoltaics) materiāli – elektriskas enerģijas iegīšamas paņēmiens, lai pārveidotu saules enerģiju par elektrisko enerģiju.
  • magnetostrikcija (magnetostrictives) – magnētiskā lauka iedarbībā materiāls deformējas.
  • pjezoelektriskie (piezoelectrics) materiāli - spiediena iedarbībā materiālā rodas elektriskais spriegums.
  • termoelektriskie (thermoelectrics) materiāli - pievadot elektrisko strāvu, materiāla pretējās pusēs novērojama temperatūras maiņa [1].

Viedo materiālu darbības princips

Termohromo, mehanohromo un elektrohromo materiālu darbības princips ir samērā līdzīgs, mainās tikai darbību ierosinošais signāls.

1att

1. att. Elektrohromisks stikls, kuram plūstot cauri elektriskajai strāvai, tas satumst.

Magnetoreoloģisko un elektroreoloģisko materiālu darbības princips samērā līdzīgs, abu materiālu ierosinātājs ir magnētiskais vai elektriskais lauks, kas sakārto laukam pakļautās daļiņas noteiktā secībā [2].

2att

2. att. Magnetoreoloģisks materiāls, kas magnētiskā lauka ietekmē maina viskozitāti atkarībā no daļiņu sakārtojuma vielā [3].

Termotropo materiālu darbības princips balstās uz temperatūras maiņu, kā rezultātā molekulas sakārtojas noteiktā secībā.

3att

3. att. Termotrops materiāls, kura molekulas temperatūras ietekmē atgriezeniski sakārtojas noteiktā secībā un mainās materiāla agregātstāvoklis [4].

Formas atmiņas materiāli temperatūras ietekmē maina savu struktūru, daļiņām sakārtojoties noteiktā kārtībā.

4att

4. att. Formas atmiņas materiāls, kas tiek pakļauts deformācijai un vēlāk temperatūras ietekmē atgūst savu sākotnējo formu [5].



Viedo materiālu pielietojums

Viedo materiālu pielietošana saimniecībā

Plašākais šo materiālu pielietojums (skaita vienību ziņā) ir būvniecībā, kur dažādās konstrukcijās izmanto speciāli pielāgotus materiālus. Kā standarta materiālus var uzskaitīt:

Fasādes sistēmas – „inteliģentie logi”:

  • saules starojuma kontrole;
  • fotohromie un elektrohromie materiāli;
  • vienmērīga siltuma izkliede telpā;
  • fotoelektriskie, formas atmiņas, elektro un magnetoreoloģiskie materiāli;
  • siltuma ražotāju kontrole;
  • fotoluminiscenti, elektroluminiscenti materiāli;
  • apkartnes enerģijas pārveidošana elektriskajā enerģijā;
  • temperatūras, mitruma, CO2 daudzuma kontrole;
  • gaismošanas sistēmu optimizācija;
  • celtniecības struktūru kontrole;
  • pjezoelektriskie, formas atmiņas, elektro un magnetoreoloģiskie materiāli.
Standarta materiāli būvniecībā

Populārākie celtniecības elementi ir ēku fasādes ar dažādām īpašībām, pārsvarā gaismas intensitāti kontrolējoši materiāli. Materiālu daudzveidība rada izvēles iespējas individuāliem projektiem. Plaši tiek lietoti logu materiāli, kas saules izstaroto enerģiju pārvērš siltuma enerģijā un nodrošina papildus apkuri ēkām ar lielu logu platību. Pastāv risinājumi arī celtnēm ar stikla fasādēm vietās, kur ir augsts putekļu daļiņu daudzums un logi ātri nosmērējas. Athēziju samazinoši viedie materiāli samazina putekļu uzkrāšanos uz stikla virsmas, kā rezultātā telpā ieplūst vairāk gaismas.

5att

 

5. att. Logs bez un ar titāna dioksīdu, kas samazina virsmas adsorbcijas un lipšanas spēju.

Telpās, kurās ir vēlams samazināt gaismas intensitāti pielieto elektrohromiskos materiālus, kas pie lielas saules intensitātes ietonē logu, bet pie mazākas gaismas intensitātes kļūst caurspīdīgs. Gaismas caurplūšanas ierobežošanai izmanto arī šķidrā kristāla tehnoloģijas. Kad elektriskā lauka ietekmē polimēru molekulas sakārtojas noteiktā secībā, un gaisma spēj izlauzties cauri to sakārtojumam.

6att

6. att. Polimēru šķidrā kristāla tehnoloģijas, kas elektriskā lauka ietekmē maina gaismas caurlaidību.


Kopsavilkums

1. Viedo materiālu īpašības ir pietiekami universālas, lai tos varētu izmantot saimniecībā aizvien jaunās sfērās.

2. Enerģijas pārveidojošo viedo materiālu pielietošana dažādās tehnoloģijās ir būtiska nozīme dabas resursu taupīšanā.

3. Pārdomāta materiālu lietošana ēku celtniecībā ilglaicīgi ļauj samazināt siltumenerģijas un elektroenerģijas patēriņu.

4. Viedo materiālu pielietošana būtu daudz vairāk vēlama arī Latvijas tautsaimniecība, jo bieži vien energoresursi tiek izmantoti nelietderīgi un neekonomiski.


Izmantotā literatūra

1. 
Application of smart materiāls in retrofitting homes can help housing energy efficiency/ Aut. Sanja Vavan Vucelij, [tiešsaiste]. Belgrada, 2009- [atsauce 17.04.2010.]. Pieejams internetā: http://www.energy-housing.net/dateien/Vavan_Vuceljic_Paper.pdf

2. 
Department of Engineering Sciences, [tiešsaiste]. Uppsala, Oktobris 2005- [atsauce 27.04.2010.]. Pieejams internetā: http://www.chromogenics.com/docs/science52.pdf

3. 
HowStuffWorks, [tiešsaiste]. Atlanta, 1998- [atsauce 27.04.2010.]. Pieejams internetā: http://science.howstuffworks.com/liquid-body-armor2.htm

4. 
Introduction to liquid crystals/ Aut. Rego A. J., [tiešsaiste]. Pomona: California State Polytechnic University, 2010- [atsauce 27.04.2010.]. Pieejams internetā: http://www.csupomona.edu/~jarego/pages/LC_intro.html

5. Shape memory alloys, [tiešsaiste]. Edmonton: University of Alberta, 2008- [atsauce 27.04.2010.]. Pieams internetā: http://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html

FORMU SAGLABĀJOŠIE MATERIĀLI

Mūsdienās arvien lielāka nozīme ir praktiskiem un pēc iespējas universālākiem materiāliem, kas spēj vienlaicīgi pildīt vairākas funkcijas. Mehāniski elastīgiem materiāliem vienlaicīgi ir jābūt ļoti izturīgiem; inertiem un arī arī viegli ekspluatējamiem. Līdz ar to arvien pieaug nepieciešamība pēc daudzfunkcionāliem materiāliem, kas vienlaicīgi ir arī ļoti vienkārši ekspluatējami.

Viena no šādu materiālu grupām ir formu saglabājošie materiāli (metālu sakausējumi vai polimēri), kas ārējo faktoru - temperatūras izmaiņas - ietekmē maina savu formu vai atgriežas sākotnēji uzdotā formā no bezformīga veidojuma, pārveidojot siltuma enerģiju mehāniskajā enerģijā. Šādiem materiālie ir plašs praktiskais pielietojums un īpašu vērtību tie iegūst brīžos, kad tiek izmantoti situācijās, kad nepieciešami izturīgi stiprinājumi, taču tieša cilvēku darbība nav iespējama.

Pašlaik lielāko daļu formu saglabājošu materiālu (FSM) veido no dažādu metālu sakausējumiem un tikai neliela daļa tiek veidota no organiskajiem polimēriem. Viens no galvenajiem iemesliem tam ir metālisko savienojumu plašais īpašību klāsts - augsta siltum- un elektrovadītspēja, mehāniskā izturība, nereti inertums -, kas ļauj priekšmetus no šādiem materiāliem izmantot ļoti plašā nozaru lokā. Otrs svarīgs iemesls ir FMS parādības pamatīpašība -kristālrežģa pāreja no vienas formas citā ārējo faktoru ietekmē. Tieši šī parādība ļauj FSM pārveidot siltuma enerģiju mehāniskajā enerģijā.

FSM mūsdienās plaši pielieto medicīnā, celtniecībā, aviācijā, robotika un saistītajās nozarēs. Atkarībā no nozares, kurā materiālus izmanto, atbilstoši izvēlas arī FSM, kas siltuma iedarbībā atgriežas sākotnējā formā, dinamiski maina savu formu atkarībā no temperatūras izmaiņām vai arī pārveido siltumu praktiski izmantojamā mehāniskajā darbā.

Formu saglabājošo materiālu pielietošanas iespējas arvien pieaug un strauji palielinās arī nozaru skaits, kurās šādus materiālus izmanto.

Pirmie formu saglabājošo materiālu (FSM) pētījumi veikti 20. gadsimta 30 gados. Šajā laikā zviedru zinātnieks - ķīmiķis Gustavs Arne Olanders (Arne Ōlander) pētīja dažādus samērā retu metālu sakausējumus, un 1932. gadā atklāja zelta - kadmija sakausējuma pseidoelastību - materiāla atgriezenisku elastību, ko izraisa vielas kristālu pāreja no austenīta uz martensīta kristālisko fāzi (skat. 1. attēlu).

 

1att

1. att. Kristālisko fāžu pāreja FSM.

1938. gadā amerikāņu zinātnieki Aldens Buhanons Grēningers (Alden Buchanan Greninger) un Viktors Murandiāns (Victor G. Mooradian) novēro martensīta fāzes veidošanos vara un cinka sakausējumā mainoties savienojuma temperatūrai. Aptuveni 10 gadus vēlāk ukraiņu zinātnieki Kurdjumovs un Handros, kā arī amerikāņu pētnieki Čangs (Chang) un Rīds (Read) veica plašus pētījumus sakausējumu kristāliskās struktūras izmaiņu parādībā, pilnībā atklājot sakausējumu termoelastību.

Pirmos komerciāli ražojamos FSM 1962. - 1965. gadā izveidoja ASV Militārās jūras artilērijas laboratorija (Naval Ordnance Laboratory), izmantojot niķeļa un titāna sakausējumus. Šis produkts tirgū tika piedāvāts ar nosaukumu Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Dotais sakausējums niķeli un titānu satur aptuveni vienādās attiecībās. Nitinol savienojuma īpašības tika atklātas nejauši, vienam no laboratorijas darbiniekiem kādas sapulces laikā sildot materiāla stiepli ar šķiltavām.

20. gs. 90 gadu beigās plaši pieejami kļuva arī organiskie FSM – dažādi biopolimēri. Tiem piemīt gan metāla sakausējumu FSM raksturīgās īpašības, gan arī pavisam unikālas īpašības, piemēram, biodegradācijas iespējas. Tādējādi pašlaik FSM iespējams pielietot visdažādākajās nozarēs, risinot plašāko problēmu loku.

Formu saglabājošo materiālu sastāvs un struktūra

Metālu sakausējumu formu saglabājošie materiāli

Formu saglabājošie materiāli sākotnēji tika veidoti no dažādu metālu sakausējumiem. Arī mūsdienās lielākā daļa pielietojamo FSM ir veidoti no dažādiem metālu sakausējumiem.

Visizplatītākais FMS ir Nitinol - sakausējums, kas satur ~55% niķeļa un ~45% titāna (Nitinol raksturlielumus skatīt 1. tabula). Bez tam plaši pielietoti ir vara - cinka - alumīnija, kā arī vara - alumīnija - niķeļa sakausējumi. FMS veidošanai izmanto arī kadmiju, kobaltu, galliju un dažus citus metālus dažādas attiecībās. Taču neatkarīgi no FMS procentuālā sastāva, tiem visiem piemīt spēja pāriet no vienas kristāliskās fāzes citā. Austenīta struktūra ir lineāra, bet martensīta struktūra - izliekta (2. attēls). Pāreju no austenīta un martensīta fāzi iespējams realizēt 24 dažādos veidos.

2att

 

2. att. Martensīta (pa kreisi) un austenīta (pa labi) kristālrežģa forma.

Martensīta forma ir salīdzinoši mīkstāka un vieglāk deformējama. Tā pastāv zemākās temperatūrās. Augstākās temperatūrās pastāv cietākā austenīta fāze, kas ļauj materiālam atgūt tam sākotnēji piešķirto formu.

1. tabula

Nitinol FSM stiepļu raksturlielumi atkarībā no diametra [15]

Raksturlielums

250 µm

375 µm

Minimālais noliekšanās rādiuss, mm

12,50

18,80

Rekomendējamā strāva, mA

1,000

2,750

Maksimālais saraušanās laiks, s

0,2

0,5

Relaksācijas laiks (istabas temp.), s

5,5

10,0

Maksimālā deformācijas attiecība, %

8

Iesakāmā deformācija, %

3 - 5

Organisko polimēru formu saglabājošie materiāli

Formu saglabājošo polimēru galvenās īpašības ir analoģiskas metālu sakausējumu FSM, taču tie veidoti no organiskiem polimērajiem savienojumiem. Šādu polimēru galvenās sastāvdaļas ir poliuretāns, PET, polietilēnglikols, polistirēns, politetrahidrofurāns u.c.

Vairumā gadījumu polimērie FSM karsējot samazina savu izmēru:

3att

 

3. att. Organisko polimēru FSM izmēra izmaiņas temperatūras ietekmē.

Formu saglabājošo materiālu pielietojums

Medicīna

Medicīnas nozarē FSM izmanto salīdzinoši plaši. Tos pielieto dažādu skavu, stiprinājumu un diegu formā. Latvijā šobrīd tiek izmantotas dažādas FSM metālu sakausējumu skavas dažādu kaulu un mugurkaula skriemeļu stiprināšanai un fiksēšanai (4. attēls), kuras savu sākotnējo formu atgūst ķermeņa temperatūras (~37 °C ietekmē).

4att

4. att. Žokļa kaula lūzuma ārstēšana, izmantojot metāla vai FSM skavas.

FSM metālu sakausējumu skavām piemīt lielāka funkcionalitāte salīdzinoši ar tāda paša pielietojuma tērauda vai titāna platēm. Ja titāna vai tērauda plate savu noturību kaulu sastiprinājumā zaudē jau pirmajā nedēļā, tad FSM pastāvīgi savu formu atjauno konstantas ķermeņa temperatūras ietekmē. Tādējādi iespējams veicināt atveseļošanās procesu un samazināt ķirurģiskās iejaukšanās apjomu. Šeit gan ļoti svarīgi ir izvērtēt FSM skavas veidoto spiedienu uz savienojumu, lai tas nebūtu pārlieku liels vai mazs.

FSM stieples plaši tiek izmantotas zobārstniecībā zobu brekešu veidošanai. Šo metodi 20. gs. 70 gadu sākumā izstrādāja amerikāņu stomatologs un izgudrotājs Georgs Andreasens (George Andreasen). Viņa izstrādātās FSM metālu sakausējumu stieples maina savu formu noteiktā temperatūru intervālā, tādējādi nodrošinot konstantu zobu izvietojuma korekciju.

Ražošana

Unikālos FSM jau 20. gs. 60 gados plaši izmantoja ASV un citu valstu militārie spēki. No FSM tiek veidotas atsevišķas dažādu lidmašīnu detaļas, piemēram, spārnos esošo regulējošo mehānismu sastāvā (5. attēls). Tā kā daudziem FSM piemīt spējas konstanti mainīties atbilstoši ārējai iedarbībai (temperatūras izmaiņām), tie ir īpaši noderīgi tieši militārajā jomā, kurā tehnika bieži vien ir pakļauta smagiem ekspluatācijas apstākļiem.

5att

5. att. Lidaparāta elastīgā spārnā iestrādāta FSM stieple.

Šāda veida FSM plaši pielieto ne tikai aviācijā, bet arī kosmonautikā un citās mehānikas nozarēs, kurās iekārtu darbība ir saistītas ar pastāvīgi dinamisku darbu un salīdzinoši sarežģītiem apstākļiem.

Arvien straujāk praktisku nozīmi iegūst dažādi FSM metālu sakausējumu un organisko polimēru cauruļu un citu savienojumu stiprināšanai, noslēgšanai un hermetizācijai. FSM tiek pielietoti arī ražojot dažādus briļļu ietvarus. FSM šādos ietvaros veidoti tā, ka tiem ir salīdzinoši zema kristālisko fāžu pārejas temperatūra, kas ietvaram ļauj automātiski atgriezties savā sākotnējā formā tiklīdz tam vairs netiek pievadīts mehānisks darbs. Šādi ietvari ir daudz izturīgāki un spēj ilgāk kalpot.

Robotika

Ļoti liela praktiskā nozīme mūsdienās ir FSM pielietošana robotikā un ar to saistītās nozarēs. FSM metālu sakausējumi un polimēri var kalpot līdzīgi kā cilvēka saites vai muskuļi (6. attēls). Savienojumiem pievadot siltumu, tie spēj konstanti sarauties vai izstiepties, mainīt savu formu, tādējādi veicot kustību. Izmantojot FSM, salīdzinoši vienkāā veidā siltuma enerģiju iespējams pārvērst par mehānisko enerģiju.

6att

6. att. FSM vada (augšējais) darbības princips locītavas mehānismā.

Šādu materiālu pielietošanas priekšrocība robotikā ir samērā mazs enerģijas patēriņš. Pareizi izvēloties atbilstoši apstākļiem nepieciešamo FSM, iespējams nozīmīgi mazināt kopējo enerģijas patēriņu un optimizēt izveidoto mehānismu darbību.

Formu saglabājošo metālu sakausējumu un polimēru materiālu salīdzinājums

Lai arī pašlaik lielāka praktiska nozīme ir tieši metālu sakausējumu FSM, nozīmīgi ir arī polimērie FSM, kam piemīt vairākas metālu sakausējumu FSM neraksturīgas īpašības.

Ievērojama ir polimēro FSM deformācijas spēja - tie spēj izmainīties izmērā līdz pat 800 %, salīdzinot ar metāla sakausējumu FSM, kas deformējas maksimāli par 7-8 %. Tādā veidā iespējams panākt plašākas izmantošanas iespējas gadījumos, kad sākotnēji materiālu nepieciešams ievērojami deformēt.

Polim
ērajiem FSM ir relatīvi mazāks blīvums. Tas vienlaicīgi gan samazina materiāla svaru, gan palielina materiāla bojāšanās risku gadījumos, kad nepieciešama liela materiāla izturība. Metāla sakausējumu blīvums ( ~ 7 g/cm3) ir aptuveni 7 reizes lielāks par polimēro FSM blīvumu.

T
ā kā nereti liela nozīme ir procesā izmantotajai enerģijai, ievērojams ir spiediens, kas nepieciešams, lai deformētu metālu sakausējumu materiālus. Tiem vienlaicīgi ir arī daudz lielāks spēks, kas rodas, FSM atgriežoties sākotnējā stāvoklī. Pieliktā spēka apjoms uz vienu vienību atšķiras aptuveni 70-100 reizes.

Atjaunošan
ā laiks daudz ilgāks ir polimēru FSM. Ja metālu sakausējumu FSM atjaunošanās laiks ir aptuveni 1 sekunde, tad polimēriem tas var ilgt pat vairākas minūtes. Šis faktors var apgrūtināt FSM pielietošanu gadījumos, kad to ātri nepieciešams atkārtoti deformēt.

Polimēru FSM ir ievērojami lētāki un daļa no tiem arī biodegradējami. Tas ļauj šādus materiālus iestrādāt ne tikai mehāniskajās ierīcēs vai inertos priekšmetos, bet gan arī ikdienā plaši izmantojamās precēs, piemēram, apģērbā.

INFORMĀCIJAS AVOTI

1. Austenite - http://en.wikipedia.org/wiki/Austenite

2. George Andreasen - http://en.wikipedia.org/wiki/George_Andreasen

3. Martensite - http://en.wikipedia.org/wiki/Martensite

4. Memory Metal - http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/memmetal/index.html

5. Naval Ordnance Laboratory - http://en.wikipedia.org/wiki/Naval_Ordnance_Laboratory

6. NiTi Memory Metal - http://mrsec.wisc.edu/Edetc/cineplex/NiTi/index.html

7. Nitinol Devices, Components and Online Shop - http://www.memory-metalle.de/html/01 start/index outer frame.htm

8. Nitinol materials and components - http://www.nitinol.com/

9. Nitinol Nickel Titanium Shape Memory Alloys -http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=5077

10. Pseudoelasticity - http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudoelasticity

11. Shape Memory Alloy - http://en.wikipedia.org/wiki/Shape memorv alloy

12. Shape Memory Alloys - Frequently Asked Questions -http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=1744

13. Shape Memory Allovs -http://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html

14. Shape memory allovs and their applications -http://www.stanford.edu/~richlin1/sma/sma.html

15. Shape Memory Allovs- Nitinol -http://web.archive.org/web/20010211212753/http://www.mide.com/matsys/shapemem/shamemal l.htm

16. Shape memory polymer - http://en.wikipedia.org/wiki/Shape memory polymer

17. Shape-Memory Polvmers -

http://www.nano.org.uk/conferences/textiles2008/abstracts/Behl.htm

18. Stent - http://en.wikipedia.org/wiki/Stent

19. Arne Ōlander - http://sv.wikipedia.org/wiki/Arne Olander

20. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной Академии наук

21. Украины- http://www.imp.kiev.ua/Persons/Kurd/kurd.html

MODERNIE MATERIĀLI. ANOTĀCIJAS

Interneta resursu saites un norādēs uz bibliotēkā atrodamo literatūru un šo avotu anotācijas:
- par polimēriem un to izstrādājumiem - skatīt šeit,
- par teflonu - skatīt šeit,
- par modernajiem materiāliem - skatīt šeit.