Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют маломощные лазеры (до 1 кВт). Это небольшие газовые лазеры импульсно-периодического действия и твердотельные лазеры на кристаллах иттрий алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью этой группы лазеров разработаны технологические процессы выполнения тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10 - 100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности, изготовления волок для протяжки тонкой проволоки, обработки фильер пресс-форм.

Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с созданием измерительных систем и приборов, записью и воспроизведением информации, с медицинскими обследованиями и лечением пациентов, резкой, сваркой и наплавкой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности. В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяют на лазерные. Это дает возможность получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15-0,2 мкм. Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (0,01-0,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

Лазерные системы широко применяются для измерения шероховатости поверхности, размеров и формы обрабатываемых поверхностей, что повлекло за собой принципиально качественные изменения, как в самом технологическом процессе обработки заготовок, так и в конструкции оборудования и средств автоматизации производства.

Лазерные технологии произвели революционные изменения в технологических процессах записи и воспроизведения информации, передачи ее по оптико-волоконным системам на большие расстояния, при создании принтеров.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой мощностью (свыше 1 кВт). К этой группе относятся мощные газовые лазеры. Их используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, производстве строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мм достигает 100 м/ч при расходе электроэнергии 10 кВтч. Кроме того, прочность сварных швов при лазерной сварке в несколько раз выше обычной, это очень важно для многих отраслей, например, атомной энергетики, химии и др. Лазерная сварка дает возможность избежать деформации свариваемых деталей. Производительность агрегатов лазерной сварки в 5-8 раз выше, чем у современных сварочных автоматов. Используя мощные газовые лазеры непрерывного действия, можно вырезать контур детали в стальном листе толщиной до 100 мм. Лазерные технологии также обеспечивают поверхностное упрочнение деталей (закалка, наплавка, легирование, аморфизация), что позволяет увеличить срок службы изделий в 8-10 раз. Применение лазерной технологии дает большой эффект при изготовлении деталей с особо высокими требованиями к качеству и точности, получении изделий с особыми характеристиками.

2.4 Технологические процессы изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией

Технологические процессы порошковой металлургии нашли применение при производстве различных металлоизделий относительно недавно (с 50-х годов XX в.).

Благодаря порошковой металлургии получены материалы, которые известными традиционными способами изготовить было невозможно; это твердые сплавы, пористые металлические подшипники и фильтры, фрикционные и антифрикционные материалы, композиционные материалы и электротехнические магнитомягкие изделия, технической керамики и тепловых труб с капиллярной структурой и многое др.

Кроме того, стало возможным максимально эффективно использовать материалы, получать композиционные изделия с уникальными свойствами. Технологические процессы порошковой металлургии, композиционные и сверхтвердые материалы, защитные, фрикционные и антифрикционные покрытия, пористые изделия находят широкое применение в машино- и приборостроении, пищевой, фармацевтической, химической, радиоэлектронной, строительной и легкой промышленности, медицине, авиации, космической технике, в технике защиты окружающей среды. Началом развития порошковой металлургии в Беларуси явилось создание в Белорусском политехническом институте специальной лаборатории, которая с течением времени выросла в Белорусский государственный научно-производственный концерн порошковой металлургии.

Сущность технологического процесса изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией заключается в том, что металлы, сплавы или химические соединения металлов превращают в порошки или гранулы различной фракции.

Затем их смешивают в определенной пропорции, прессуют в так называемых пресс-формах, извлекают спрессованную заготовку и в специальных печах в условиях инертной среды или вакуума спекают в течение определенного времени, охлаждают по заданному режиму и получают достаточно прочное соединение порошков или гранул в виде соответствующей формы полуфабриката или уже готового изделия. Часто для придания спрессованным и спеченным порошковым заготовкам определенных свойств проводят дополнительную термообработку или пластическую деформацию, а для получения требуемых размеров и их точности, а также шероховатости поверхностей - обработку резанием.

В машиностроительной и инструментальной промышленности порошковой металлургией изготавливают твердосплавные инструменты (резцы, фрезы, пилы, сверла, волоки, фильеры, валки); направляющие и подшипники; постоянные магниты, супермагниты; детали электро- и радиоприборов; зубчатые колеса; фильтры и катализаторы, тормозные колодки и направляющие втулки и т. д.

Важными преимуществами порошковой технологии является возможность изготавливать металлоизделия практически без отходов при значительной сложности геометрической формы обрабатываемой заготовки, возможность создания композиционных изделий, состоящих из монолитного и порошкового слоя, обладающего уникальными свойствами, например высокой твердостью, износостойкостью, жаростойкостью и т. д. Металлическая стружка, облой, заусенцы, литники и другие виды металлоотходов могут быть легко превращены в специальных мельницах в порошки, которые полностью, без потерь, превращают в готовые детали или близкие по форме и размерам к ним заготовки.

Металлоотходы можно переплавлять и превращать в специальных установках в гранулы, которые затем в пресс-формах формируют в полуфабрикаты, обладающих различной пористостью в зависимости от технологического процесса.

Широкое применение пористые порошковые материалы получили при изготовлении фильтров; подшипников скольжения, магнитов, поршневых колец, уплотнений, электрических контактов; металлопластмассовых и металлостеклянных изделий, металлопе-номатериалов, огнепреграждающих пористых элементов, пористых титановых дисковых аэраторов, пористых глушителей шума, тепловых трубок и теплоотводов, защитных экранов электромагнитных излучений и т. д.

Экономическая целесообразность применения порошковой металлургии для изготовления многих металлоизделий может быть обоснованной в следующих случаях:

- когда необходимо металлоизделиям придать особые свойства, которые невозможно получить другими способами;

- когда расход дорогостоящего материала недопустим;

- когда трудоемкость порошкового металлоизделия ниже альтернативного;

- когда геометрическая форма детали требует применения сложных и дорогостоящих инструментов;

- когда экономическая эффективность изготовленного методом порошковой металлургии изделия очевидна.

2.5 Технологические процессы обработки материалов давлением

Обработка материалов давлением нашла широкое применение в различных отраслях промышленности и прежде всего в металлургии и машиностроении для получения металлических материалов и заготовок. Обработка материалов давлением позволяет во многих случаях добиться уникальных результатов, которые немыслимы при других способах обработки материалов. При формоизменении заготовок из металлов и сплавов удается еще и изменить в лучшую сторону их свойства (повысить прочность и пластичность, вязкость и упругость), сформировать на поверхности определенный микрорельеф, определяющий шероховатость и свойства поверхностного слоя. Подавляющее большинство способов обработки материалов давлением весьма рационально используют исходную заготовку при формировании проката, проволоки, поковки, штамповки- отходы составляют несколько процентов, в некоторых случаях процесс может быть вообще безотходным. По производительности технологические процессы обработки материалов давлением не знают себе равных (скорость прокатки может достигать 100 м/с, практически скорость сварки давлением неограниченна, что успешно используется при производстве сварных труб, сварке больших габаритов многослойных листов).

Диапазон применяемых на практике давлений чрезвычайно широк: от вакуума до сжатия в специальных камерах при давлении 10¹⁰Н/м². Если для изготовления деталей и заготовок из полимерных и пластмассовых материалов применяют низкие давления, то для обработки металлических сплавов иногда требуются такие давления, которые обычные инструментальные материалы не выдерживают и тогда необходимо переходить к твердым сплавам. Известно, что для получения искусственных алмазов из углерода требуется огромное давление и для реализации такого технологического процесса необходимо иметь уникальное оборудование и специальный инструмент. Часто для обработки металлических сплавов в холодном и горячем состоянии применяют мощное оборудование (прессы, молоты, штамповочные машины, прокатные и волочильные станы, гибочные машины и т. п.), которое относятся к дорогостоящим технологическим устройствам, но благодаря высокой эффективности они окупаемы в короткие сроки. Важным условием эффективной эксплуатации такого оборудования является высокий коэффициент его загрузки.

2.6 Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов

В современном машиностроении получают все большое распространение материалы, которые отличаются высокой твердостью и вязкостью, трудно поддающиеся традиционным способам обработки. Все возрастающее количество применяемых штампов и пресс-форм отличается высокой сложностью внутренних полостей. Это послужило основанием создания и внедрения в производство высокоэффективных электрофизических (ЭФ) и электрохимических (ЭХ) методов обработки, cущность которых заключается в том, что обработка облегчается благодаря ослаблению связей между элементарными объемами заготовки за счет их нагрева, расплавления и удаления из зоны обработки или перевода сплава в легко удаляемое соединение.

При электрофизической обработке используют инструмент -электрод, который может быть изготовлен из легкообрабатываемого материала (меди, графита, медно-графитовой композиции и т. п.).

При сближении в жидком диэлектрике электродов, инструмента и заготовки возникает электрический разряд, и через зазор между ними начинает течь электрический ток. Электроны, соударяясь с анодом (заготовкой), интенсивно его разогревают и расплавляют микро-объемы заготовки.

Расплавленные частички сплава охлаждаются жидким диэлектриком и удаляются из зазора между инструментом и заготовкой. Электрофизические методы отличаются высокой концентрацией энергии (1 000-100 000 000 Вт/см²) на локальных участках обрабатываемой заготовки, частицы материала удаляются с поверхности в расплавленном или парообразном состоянии.

На электроэрозионных станках можно выполнять сложные полости в заготовках, резать и сверлить их, шлифовать и полировать.

При полировке отпадает необходимость в применении инструмента, достаточно обеспечить мощный разряд между полируемым изделием и водным раствором поваренной соли.

Разновидностями ЭФ являются электроэрзионная, электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная и плазменная обработка.

Характерной особенностью электроэрозионной (электроразрядной) обработки является то, что электрический пробой происходит по кратчайшему пути, что предопределяет разрушение (оплавление) наиболее близкорасположенных участков заготовки.

Поэтому при выполнении углублений (полостей) или отверстий обрабатываемая поверхность заготовки принимает форму электрода. Известно, что механическая обработка наружных поверхностей заготовки значительно проще, производительнее и экономичнее, может быть выполнена более качественно, чем внутренних поверхностей, при этом может использован простой инструмент и универсальные оборудование.

Электрохимические методы обработки основываются на анодном растворении сплава. Анод под действием электрического тока в среде электролита растворяется, и продукты растворения удаляются протекающим через зону обработки электролитом.

Плотность энергии при ЭХ значительно меньшая, чем при ЭФ-методах (10-10 000 Вт/см²); в некоторых случаях качество обработки получается выше, чем при ЭФ-методе. При ЭФ- и ЭХ-методах обработки легко автоматизировать технологический процесс изготовления таких сложных изделий, как пресс-форм, штампов, волок, фильер, матриц, пуансонов.

2.7 Применение ультразвуковых колебаний в технологических процессах

Ультразвуком принято называть упругие механические колебания с частотой свыше 18 кГц, которые находятся за пределами слышимости обычного человека. Ультразвук характеризуется частотой, амплитудой и интенсивностью колебаний. Ультразвуковые колебания получают с помощью специальных преобразователей, в которых высокочастотные электрические колебания преобразуют в механические. Для этого часто используют пьезокерамические материалы и специальные металлические сплавы, которые способны под действием электрического тока или электромагнитного поля изменять геометрические размеры. Можно применять и чисто механические устройства. Ультразвуковые колебания передаются через твердые тела, жидкость или газ, в т. ч. и через воздух.

Ультразвуковые, или так называемые акустические колебания, впервые начали применять для измерения расстояния между подвижными и неподвижными объектами, затем успешно использовали для определения их размеров. Весьма удачно ультразвук применили для определения внутренних дефектов в твердых телах, так появились дефектоскопы. Далее ультразвуковые колебания начали применять в медицинской практике для обследования состояния внутренних органов в живых организмах. В настоящее время при исследованиях на установках УЗИ удается с высокой точностью и минимальными затратами определить состояние человеческого организма, малейшие патологические отклонения при полной безопасности для обследуемого пациента. Нашли применение ультразвуковые ингаляторы, которые позволяют без нагрева медпрепоратов получить воздушно-капельную смесь, легко вдыхаемую пациентом. Перспективным является применение ультразвука для получения определенной влажности воздуха в помещении.

Ультразвуковые колебания различной интенсивности применяют в промышленности для проведения и интенсификации технологических процессов. Так, ультразвук сейчас широко используют для мойки различных материалов и деталей. В этом случае очистка изделий от загрязнений происходит вследствие явления кавитации жидкости - возникновения и захлопывания пузырьков (полостей) под действием ультразвуковых колебаний. С помощью ультразвука можно значительно ускорять растворение различных веществ. Ультразвуковые колебания успешно применяются при обработке материалов резанием, в том числе при абразивной обработке (шлифовке и полировке) высокопрочных и твердых заготовок, например при изготовлении волок и фильер из твердых сплавов. При волочении и прокатке, прессовании и штамповке наложение ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению усилий деформации и снижению контактного трения, что оказывает благоприятное влияние на обработку материалов давлением. Положительное воздействие ультразвука наблюдается при обработке расплавленных металлов, а также при сварке, при этом изменяется характер кристаллизации металлических сплавов и формируется мелкозернистая структура, что благоприятно сказывается на свойстве сплава, повышается прочность и надежность.

Ультразвук при проведении многих технологических процессов повышает их эффективность и качественные параметры обработки. В частности, многие химические и биологические процессы могут быть ускорены в десятки раз. Например, можно уменьшить время созревания вина или пива и многих других процессов брожения.

Успешно применяют ультразвук и для лечения: дробят почечные камни, очищают сосуды и раны, режут ткани, лечат зубы и воспалительные процессы, сваривают сосуды, кости, бронхи и т. д.

Целесообразность применения ультразвуковых технологических процессов должна подтверждаться более высоким качеством выполнения работы и экономией материальных и энергетических ресурсов.

2.8 Мембранная технология

Мембранная технология - одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран. Процесс разделения основан на том, что некоторые компоненты системы проходят через мембрану медленнее других или вовсе задерживаются. Движущей силой процесса может быть градиент концентраций, давления, электрического потенциала или температуры по обе стороны мембраны. Эффективность разделения оценивается показателями «селективность», «производительность» и «коэффициент разделения». Разделение смесей через мембрану осуществляется в основном при температуре окружающей среды без фазовых превращений, что обусловливает простоту конструкции мембранных аппаратов и экономичность процесса.

Мембранная технология применяется для опреснения соленых и очистки производственных и бытовых сточных вод, для получения особо чистой воды, разделения углеводородов. Повышения концентрации растворов, в том числе фруктовых и овощных соков, молока и его производных, выделения и очистки биологически активных веществ, применяемых в медицине и г. п.

Растворы разделяют с помощью следующих способов мембранной технологии: обратного осмоса, ультрафильтрации, диализа; электродиализа, микрофильтрации

Способ разделения обратным осмосом заключается в том, что раствор под давлением 3-8 МПа подается на полупроницаемую мембрану, пропускающую растворитель (воду) и задерживающую полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. Суть способа состоит в следующем: если концентрация вещества в растворе «А» больше, чем в растворе «В», находящихся по разную сторону мембраны, то возникает поток молекул (ионов) этого вещества через мембрану от раствора «А» к раствору «В», Этот поток можно остановить, если повысить давление в растворе «В». Разность давлений, при которой прекращается переход через мембрану вещества, называется осматическим давлением. При обратном осмосе используют плоскокамерные, трубчатые или рулонные аппараты с разделительными мембранами в виде пленок и полых волокон. Метод применяется для опреснения соленых и очистки сточных вод, разделения смесей путем удаления одного из ее составляющих, концентрирования растворов и др.

Ультрафильтрация относится к процессу мембранного разделения растворов и коллоидных систем, в которых молекулярная масса растворенных (диспергированных) компонентов намного больше молекулярной массы растворителя (дисперсионной среды). Для разделения в данном случае применяется небольшое избыточное давление 0,1-0,8 МПа. При этом значительное влияние оказывает на ультрафильтрацию «концентрационная поляризация», приводящая к гелео-образованию или выпадению осадка у поверхности мембраны. Пользуется ультрафильтрация для очистки сточных вод от высокомолекулярных соединений, очистки крови и биологически активных веществ, вакцин, вирусов, молока, фруктовых соков и др.

Микрофилътрация используется для разделения коллоидных систем при помощи полимерных высокопористых пленок, часто нанесенных на подложки (пластины, цилиндры, сетки, бумажные листы). Их толщина составляет 10-350 мкм, размер пор - 0,01-14 мкм, градиент давления по обе стороны мембраны - 0,01-0,1 МПа. Микрофильтрация применяется для очистки технологических растворов и воды от тонко диспергированных веществ. Основные достоинства способа -простота конструкционного оформления установки, большая производительность при малых эксплуатационных затратах.

Диализ предназначен для разделения растворенных веществ, значительно различающихся молекулярными массами. Способ основан на неодинаковых скоростях диффузии веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Применяется диализ в при производстве искусственных волокон, ряда биологических препаратов, для очистки растворов биологически активных веществ и др.

Электродиализ - способ разделения ионизированных соединений под действием электродвижущей силы. Создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит в результате различия скоростей их переноса через мембрану. Способ широко используется для обессоливания морской и соленой воды, сахарных растворов, молочной сыворотки, для извлечения минерального сырья из соленых вод.

Мембранное газоразделение представляет собой разделение газовой смеси на компоненты или ее обогащение в аппаратах с непористыми перегородками (мембранами). Способ основан на различии между коэффициентами газопроницаемости компонентов газовой смеси. Для разделения газовых смесей применяются мембраны из стекла, металлов, полимерных материалов. Наибольшей производительностью обладают ассиметричные мембраны, состоящие из пористого и сплошного слоев. Причем толщина последнего составляет около 0,25% общей толщины мембраны.

Тип мембраны определяет конструкцию аппарата, достижимую плотность упаковки мембран и эксплуатационные параметры. Известны аппараты с плоскопараллельным расположением мембранных элементов, с рулонными элементами, с половолоконными и капиллярными мембранными элементами.

Одним из существенных недостатков мембранных способов разделения (обратного осмоса и ультрафильтрации) заключается в том, что в процессах опреснения и обессоливания образуется вода и концентрированный раствор, который содержит смесь неорганических веществ в виде ионов. Из-за невозможности дальнейшего использования такую смесь приходится сбрасывать в окружающую среду (море, реку, водоем). Недавно разработан новый процесс разделения жидкостей, основанный на возможности неэквивалентного переноса ионов растворенных в воде веществ через поры мембраны. В обычных условиях катионы и анионы растворенных веществ проходят или задерживаются в эквивалентном соотношении. Неэквивалентность переноса ионов через полупроницаемую мембрану обеспечивается свойствами поверхностного слоя мембраны. Этот слой наносится на промышленную ультрафильтрационную мембрану и может состоять из полимерных, органических и неорганических веществ, которые после нанесения и последующей термической и химической обработки приводят к возникновению новых свойств мембраны - возможности прохождения через нее ионов в неэквивалентном соотношении. Этот способ позволяет уменьшить энергетические затраты при одновременном извлечении минерального сырья и предотвращения засоления природных источников водоснабжения.

Мембранная технология является одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса, так как она открывает путь к созданию ресурсосберегающих технологических процессов, оказывает благоприятное влияние на экологическую ситуацию и здравоохранение. В перспективе предусматривается значительный рост объемов производства с применением обратноосмотических и ультрафильтрационных мембран стойких в агрессивных средах. Разрабатывается поколение новых мембран, получаемых методом синтеза на границе раздела фаз, а также модифицируемых плазменной обработкой или радиационной прививкой. Широко развернуты работы по созданию мембран с использованием целенаправленного регулирования свойств за счет изменения состава и соотношения центров активированного переноса веществ в полимерах. В народном хозяйстве республики в ближайшее время будет наблюдаться широкое внедрение мембранных технологий и техники на основе постоянно развивающейся науки.

2.9 Нанотехнология

Наука вплотную подошла к нанотехнологическим открытиям, которые коснуться практически всех областей деятельности человека. Понятие нанотехнологии появилась сравнительно недавно. Нанотехнология - технологический процесс, объекты воздействия и манипуляции которой имеют геометрические размеры порядка нанометра (1 нанометр=10⁹м), это уже операции с отдельными атомами и молекулами. Теоретические предпосылки были впервые высказаны в конце 1959 г. на съезде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом университете Ричардом Фейнманом. В 1962 г. аналогичную идею изложил английский химик Арчер Мартин, который утверждал, что использование сверхминиатюрной технологии и методики позволит быстро описать и понять трехмерную структуру замороженной биологической клетки и в дальнейшем ее можно вновь оживить, пользуясь компьютерной техникой и автоматизированными механическими устройствами. Существенное изменение масштаба манипуляции влечет за собой принципиальные изменения многих физико-химических свойств веществ и требует создания многоступенчатых и иерархических систем управления принципиально нового типа, возможно похожих на системы управления и регулирования в живых организмах. Базовая концепция, предложенная американским ученым Эриком Дрекслером в 1985 г. подразумевала сознательное манипулирование атомами и молекулами, когда каждая из них занимает в конечной структуре то место, которое ей определено человеком. Первым результатом работы над развитием нанотехнологии можно считать, когда американские инженеры компании IBM сложили из отдельных атомов ксенона название своей фирмы. Этот процесс они проводили в вакууме при температуре жидкого гелия и доказали, что человек способен манипулировать отдельными атомами, для этого необходим наноробот, который выполняет роль сборщика, способный манипулировать отдельными атомами и молекулами. Он как нельзя лучше подходят на роль клеточного доктора в организме человека, способен выращивать искусственные ткани для замены элементов суставов, костей, сосудов и т. п. Скорее всего первый нанотехнологический процесс будет применен при выращивании трехмерных микросхем с многократно связанными структурами, состоящими из сотен слоев. Это переход к принципиально новой структуре вычислительной машине, к нейрокомпьютеру, в котором элементарные процессоры (нейроны) соединены друг с другом множеством связей, подобно нейронам головного мозга. Нанотехнология -это переход в иную область управления веществом, последствия которого и будущее развития сейчас трудно предугадать и оценить, в лабораториях удалось преодолеть рубеж 0,1 мкм, что дает основание говорить о теоретическом переходе от микро- к нанотехнологическим процессам.

Нанотехнология - совокупность методов и способов синтеза, сборки структуро- и формообразования, нанесения, создания, удаления, модифицирования материалов и систем с новыми свойствами. Это наука, технология и техника создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях.

Нанотехника - машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми показателями (параметрами) и функциональными возможностями.

Развитие этой науки, технологии и нанотехники определяется необходимостью создания: 1) высокопрочных нанокристалических и аморфных материалов, негорючих нанокомпазитов на полимерной основе; 2) элементов наноэлектроники и нанофотоники, полупроводниковых транзисторов и лазеров, фотодетекторов, солнечных элементов, сенсоров, магнитомягких и магнитотвердых материалов, компонентов микроэлектроники и оптотроники; 3) устройств сверхплотной записи информации, суперкомпьютеров, плоских мониторов и экранов; 4) устройств микро- и наномеханики, в т. ч. микродвигателей и наномоторов, нанороботов; 5) электронных схем на молекулярном уровне; устройств нанолитографии; 6) технологических процессов и устройств нанесения покрытий, получения нанопористых материалов для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, фильтры, сепараторы); 7) топливных элементов, электрических аккумуляторов, преобразователей и устройств для хранения энергии; 8) фармацевтики, способной осуществить целевую доставку лекарств и протеинов, биополимеров для заживления биологических тканей, искусственных мускулов, костей, и многое др.

Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями (атомами и молекулами) уже в ближайшем будущем откроют перед человечеством фантастические перспективы и станут средством жизнеобеспечения во всех сферах деятельности, в корне изменится медицина, энергетика, биотехнологии, электроника и многое другое. Благодаря нанотехнологии: существенно изменится устройство машин и механизмов; значительно повысится КПД энергетических и тепловых устройств; мир станет более чистым; возможно автоматическое строительство орбитальных систем и любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе; появятся сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие материалы; будет решена проблема энергетического и сырьевого снабжения предприятий.

Инновационная программа Республики Беларусь предусматривает развитие нанотехнологии в направлениях по созданию новых углеродных, сверхтвердых, тугоплавких, магнитных, керамических, композиционных наноматериалов и изделий на их основе. По прогнозам нанотехнологии обещают радикальные преобразования современного производства и жизни человека в целом.

3. Технологические процессы в строительстве

Строительство как отрасль народного хозяйства выполняет особую роль в системе общественного производства. Создавая недвижимые основные фонды, оно играет заметную роль в повышении технического уровня общественного производства, хозяйственном освоении новых районов и рациональном размещении производительных сил, решении социальных задач и повышении качества жизненного уровня народа. Под технологией строительного производства подразумевают науку, которая изучает совокупность оптимальных процессов переработки сырья, материалов в изделия и превращение их в готовую продукцию - здания и сооружения (мосты, плотины, переходы, туннели, метро, взлетные полосы, автомобильные и железные дороги, причалы и пристани, набережные, высоковольтные опоры, радиотелевизионные вышки, трубы и т. д.). Эффективность ведения строительных работ зависит от совершенства технологического процесса, качества и номенклатуры строительных материалов, технического уровня применяемых инструментов, оборудования и технологических устройств, научной организации труда. Строительные технологические процессы характеризуются меньшим разнообразием по сравнению с машиностроительными технологиями, подразделяются на земляные, свайные, каменные, бетонные, монтажные, кровельные, теплоизоляционные, облицовочные, штукатурные, малярные, столярные, плотницкие и т. п.

3.1 Производство строительных материалов

Производство строительных материалов (ПСМ) является одной из базовых отраслей народного хозяйства. Доля продукции ПСМ в общем объеме внутреннего валового продукта составляет 5-6%, а стоимость основных фондов - 4-5% от стоимости основных фондов Республики Беларусь. ПСМ потребляет более 20 видов минерального сырья (песок, глина, гравий, мел, известняк и т. п.). Базовыми подотраслями ПСМ являются: производство цемента, сборного бетона и железобетона, стеновых, кровельных, отделочных, теплоизоляционных и других материалов. Предприятия ПСМ производят также продукцию для удовлетворения потребностей других отраслей (стеклотару, доломит, сортовую посуду, дренажные трубы, автостекло, графит, слюду, кварцевое стекло, известняковую муку и т. п.).

В структуре ПСМ сборные бетонные и железобетонные конструкции занимают 37-40%, стеновые материалы - 13-14%, цемент -12%. Более 20% в структуре затрат ПСМ составляют топливо -энергетические ресурсы, транспортные затраты - около 30%. Результаты работы ПСМ оказывают существенное влияние на эффективность деятельности всего строительного комплекса, развитие экономики страны и социальной сферы. Особенностью рынка ПСМ является его замкнутость, около 95% продукции потребляется внутри республики.

Производство вяжущих материалов. К вяжущим материалам, наиболее часто применяемым в строительстве, относят: цемент, известь, гипс, глину. Вяжущие материалы при растворении водой образуют пластичное тесто, которое постепенно твердеет, превращаясь в искусственный камень. Вяжущие материалы используют для приготовления растворов и бетонов.

В настоящее время из гидравлических вяжущих материалов широко применяется портландцемент, который обычно называют цементом. Этот материал известен человечеству более 180 лет. Он является одним из лучших вяжущих веществ, способен твердеть на воздухе и в воде. Его получают помолом обожженного при высоких температурах клинкера, который представляет собой спекшуюся в виде гранул диаметром около 4 см смесь известняка и глины. Для получения высококачественного портландцемента содержание важнейших оксидов в клинкере должно быть 62-68% СаО; 18-26% SiO₂; 4-9% AL₂0₃; 3-65% F₂0₃. Для регулирования времени схватывания при помоле к клинкеру добавляют 1,5--3,5% гипса. С уменьшением размера зерна при помоле клинкера активность цемента возрастает, средний диаметр пылинки цемента равен 40 мкм. Технологический процесс приготовления цемента включает следующие операции: приготовление сырьевой смеси, загрузка ее в печь, обжиг при температуре 1 200-1 450°С, выгрузка из печи клинкера, помол клинкера.

В настоящее время применяется свыше тридцати видов и разновидностей цемента: портландцемент, шлакоцемент, пунцолано-вый цемент, цветной, белый и т. д. Выпускается цемент следующих марок: М300, М400, М500, М600, М700 и др. Марка цемента означает его прочность и соответствует нагрузке на сжатие, приходящейся на 1 см², которую может выдержать образец из цементо-песчаного раствора состава 1:3, отвердевший за 28 суток, поскольку к 28 дню его прочность достигает заданной величины.

На качество цемента большое влияние оказывают условия и продолжительность его хранения. Так, хранение в благоприятных условиях (сухое и проветриваемое помещение) в течение трех месяцев снижает его активность на 10%, а в течение года - на 35-40%, так как влага в воздухе вызывает его гидратацию. Особое внимание следует обращать на морозостойкость цементного камня и бетона. Наличие пор и воздействие воды и мороза приводят к разрушению бетона. Для повышения его морозостойкости следует применять смеси с наименьшим количеством воды и с минимальным количеством минеральных добавок, при этом необходимо добиваться тщательного уплотнения при его укладке. Увеличить морозостойкость бетона можно поверхностно-активными добавками (мылонафтом и сульфитно-дрожжевой бражкой).

Известь получают путем обжига при температуре 900-1 200°С кальциево-магниевых карбонатных пород: известняка, мела, доломитового известняка, доломита с низким содержанием глины (менее 6%). В результате получается негашеная известь, которая может активно взаимодействовать с водой и выделять большое количество тепла. Недостатком чистой извести является ее неспособность твердеть в присутствии влаги и ее низкая водостойкость. Если к извести добавить пепел или туф, измельченный в порошок бой кирпича или обожженную глину, то она способна твердеть и сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.

Cтроительный гипс представляет собой вяжущее вещество, твердеющее на воздухе (воздушное вяжущее). Его получают из гипсового камня в результате дробления, помола и тепловой обработки при температуре 150-160°С. Для того чтобы прошла реакция твердения гипса, необходимо брать 60-80% воды. Избыточная вода при твердении испаряется, оставляя большое количество пор (пустот-ность достигает 60%). В связи с тем, что гипсовые изделия при впитывании влаги резко снижают свою прочность, гипс используют внутри сухих помещений. При затвердевании гипса происходит увеличение его объема примерно на 1%, что эффективно используется для плотной заделки щелей и зазоров. Гипс является быстротвердеющим материалом (2-30 мин.). Гипсовые вяжущие используют для производства гипсовых и гипсобетонных изделий, декоративных и отделочных материалов; его применяют при устройстве полов, для изготовления искусственного мрамора, для штукатурки и кладки, для приготовления гипсовых и смешанных растворов.

Стеновые материалы. В качестве стеновых материалов в строительстве широко применяют кирпич, блоки из пористого бетона, естественные, керамические и силикатные камни, однослойные и многослойные бетонные панели, стеклоблоки, газосиликатные блоки, древесину и т. д. Широкое распространение получило кирпичное домостроение. Стены, выполненные из кирпича, обладают достаточной прочностью, долговечностью, стойки к атмосферным воздействиям. В массовом строительстве на долю кирпичных зданий приходится не менее 30%. Промышленность выпускает кирпичи глиняные (керамические) обыкновенные (250x120x65 мм), утолщенные (толщиной 88 мм), модульных размеров (288x138x63 мм), утолщенный пустотелый кирпич (250x120x80 мм), силикатные и бетонные пустотелые камни (250x138x120 мм) и др. Силикатный кирпич по форме и размерам не отличается от керамического. Его изготавливают из смеси извести, кварцевого песка и воды. Силикатный кирпич менее водостоек, он на 15-35% по себестоимости ниже керамического. Применяют известково-шлаковый и известково-зольный кирпич, которые являются разновидностью силикатного.

Недостатком кирпичной кладки из указанных материалов является их высокая теплопроводность, приводящая к необходимости возведения очень толстых стен в отапливаемых зданиях (51-77 см). Перспективным направлением повышения теплозащиты кирпичных стен является использование облегченных керамических кирпичей и камней с пустотами, теплых кладочных растворов (заполнители -шлак, зола, туф и т. п.), применение т. н. колодцевой кладки с последующим заполнением колодцев сыпучими теплоизоляционными материалам и кладку с воздушными прослойками, применение в кирпичной кладке плитных утеплителей из минераловатных материалов и пенопласта. При возведении стен из кирпича используют известковые, цементные и известково-цементные растворы. Цементные растворы целесообразно применять при возведении несущих стен, опорных элементов.

Кирпичная кладка требует больших затрат труда и времени. С целью совершенствования технологии кирпичной кладки на кирпичных заводах организовано изготовление кирпичных однослойных и двухслойных панелей. Последние выпускают размером 2670x3180x260 мм, состоят из слоя кирпича, утепляющего слоя (пе-нокерамзит, фибролит, минеральная вата и т. п.) толщиной 100 мм и цементного раствора толщиной 40 мм. Достаточно эффективно использование в качестве стеновых элементов блоков, изготовленных из различных материалов (шлакобетона, пенобетона, стекла и т. п.).

Наибольшее распространение для кладки наружных стен получил глиняный или керамический кирпич, обладающий высокой влагостойкостью и огнестойкостью. Его успешно применяют при возведении подземных и наземных частей строительных объектов, а также сооружений, находящихся в условиях повышенной влажности. Силикатный кирпич применяют для зданий, эксплуатируемых в условиях нормальной влажности, или для кладки внутренних стен. Он не годится для фундаментов, цоколей, стен влажных и мокрых помещений.

При возведении стен жилых, административных и производственных зданий широко используют однослойные или многослойные панели из легкого или ячеистого бетонов (керамзитобетон, перлиго-бетон, шлакобетон, золоперлитобетон). Для теплозащиты панелей применяют различные утеплители: жесткие минераловатные плиты, керамзитобетон, газобетон, пенополистирол и т. п. Бетонные слои панели соединяют гибкими или жесткими связями, соответствующими требованиям прочности, долговечности и теплозащиты.

При возведении и реконструкции зданий применяется также древесина, которая в виде бревен, брусков, досок, реек предназначена для несущих конструкций стен и крыш, перекрытий, перегородок, полов, отделки внутренних помещений. Древесина является прекрасным строительным материалом, обладает большой прочностью, легкостью, хорошим теплосопротивлением, высокой технологичностью в обработке, прекрасными декоративными качествами, но она легко подвергается разрушению различными грибами и насекомыми, размножение которых происходит при повышенной влажности. Поэтому основным средством борьбы с гниением деревянных конструкций является использование сухой древесины и предохранение от увлажнения ее при эксплуатации, что обеспечивается постоянным проветриванием, препятствующим скоплению влаги. Предохранения древесины от загнивания и возгорания и продления срока службы в конструкциях добиваются конструктивными решениями - устройством гидроизоляции путем окраски, обмазки или использования влагонепроницаемых прокладочных материалов, а также пропиткой антисептиками и выщелачиванием.

Теплоизоляционные материалы. Теплота может передаваться теплопроводностью, конвекцией и излучением. Через стены, окна и перекрытия зданий тепло передается преимущественно посредством теплопроводности. Количество тепла, проходящего через стены, оконные проемы и другие строительные элементы, зависит от коэффициента теплопроводности материала и толщины элементарна коэффициент теплопроводности влияет главным образом плотность материала и его влажность. Чем плотнее материал и выше его влажность, тем больший коэффициент его теплопроводности. Поэтому для теплозащиты зданий важно, чтобы утеплитель имел низкую плотность и был сухим на протяжении всего срока эксплуатации.

Площади различных элементов наружных ограждений также оказывают существенное влияние на теплопотери. В частности, через оконные проемы теряется около 30% теплоты, а через стены-40%, через перекрытия первого этажа - 8%, через потолок и крышу- 5-35% (в зависимости от этажности здания). Оптимальное соотношение между площадью остекления и пола комнаты должно быть не более 1:5,5 и не менее 1:8.

При выборе теплоизоляции и определении ее толщины исходят из следующих условий: температура внутренней поверхности наружной стены в холодное время года не должна быть ниже 12°С, пола - 2°С, внутренней поверхности остекления - 9°С, а температура на поверхности потолка должна отличаться от температуры внутреннего воздуха не более чем на 4°С.

К теплоизоляционным материалам относят обычно легкие пористые материалы, имеющие низкий коэффициент теплопроводности. В настоящее время строительная отрасль располагает большой номенклатурой различных теплоизоляционных изделий, которые способны удовлетворить самые разнообразные требования. К этим материалам относят: легкие бетоны, керамзит, керамзитовый гравий и песок, шлаковую пемзу, гранулированный шлак, вспученный бетон, пенобетон, газобетон, перлитопластобетон, вспученный вермикулит, топливные шлаки, аглопорит, опилкобетон, пенопласта (по-листирольный пенопласт, пенополиуретан, мипора, сотопласты, теплоизоляция АКОТЕРМ, ИЗОМИН, ТЕХНО, ИЗОВЕР, ПАРОК и многие другие современные материалы), минеральная вата, стеклянная вата, пеностекло, цементный фибролит, арболит, древесноволокнистые и древесностружечные плиты, асбестовый картон, пакля, гипсобетон, сухая штукатурка. Высокий теплоизоляционный эффект наблюдается при сочетании теплоизоляционных жестких и мягких материалов с алюминиевой фольгой, выполняющей роль теплоотражения. Алюминиевая фольга также является хорошей пароизоляцией и воздухоизоляцией, она выпускается толщиной 0,005-0,2 мм.

Легкие бетоны имеют плотность 500-1 800 кг/м³, обладают большим количеством пор. Их получают на основе портландцемента. Если бетон автоклавного твердения, то используют известково-шлаковые, известково-зольные и другие вяжущие. В качестве заполнителей применяют пористые материалы с насыпной плотностью 100-1 200 кг/м³: гранулированный шлак, шлаковую пемзу, аглопорит, вспученный перлит и т. д.

Керамзит -- прочный и легкий материал, имеющий плотность 250-800 кг/м³. Керамзит выпускают в виде песка, гравия и щебня, которые получают в результате обжига легкоплавких глин при температуре около 1 200°С.

Шлаковую пемзу получают из расплавленных шлаков, которые охлаждают воздухом, водой или паром, при этом происходит их вспучивание.

Перлит - сыпучий материал в виде мелких пористых зерен белого цвета, который получают в результате кратковременного обжига гранул из вулканических водосодержащих стеклообразных пород. При температуре 950-1 200°С из материала интенсивно испаряется вода, пар вспучивает и увеличивает частицы перлита в 10-20 раз. Плотность вспученного перлита 50-430 кг/м³.

Вспученный вермикулит - сыпучий теплоизоляционный материал в виде чешуйчатых частиц серебристого цвета, получаемый в результате измельчения и обжига водосодержащей слюды. Насыпная плотность вермикулита составляет 75-200 кг/м³.

Топливные шлаки - пористые кусковые материалы, образующиеся в топке при сжигании антрацита, каменного и бурого угля.

Аглопорит получают в результате спекания гранул из смеси глинистого сырья с углем. Насыпная плотность аглопоритового щебня-300-100 кг/м³.

В настоящее время широкое распространение в строительстве получили керамзитобетон, ячеистый бетон, пенобетон, газобетон. Пенобетон получают из смеси цементного теста с пеной, имеющей устойчивую структуру при застывании вплоть до отвердения. Опилкобетон представляет известково-цементное тесто, смешанное со смесью опилок и песка.

Пенопласты представляют собой пористые пластмассы, получаемые при вспенивании и термообработке полимеров. В ячеистых пластмассах поры занимают 90-98% объема материала. Они очень легки, не загнивают, достаточно гибки и эластичны. Недостаток пенопластов - их ограниченная теплостойкость и огнеопасность. Пенопласты выпускаются жесткими и эластичными. Они легко обрабатываются, их можно склеивать между собой и другими материалами. Для склеивания применяют дифенольные каучуковые и эпоксидные клеи. Пористые пластмассы вырабатывают на основе полистирольных, поливинхлоридных, полиуретановых, фенольных и карбомидныхсмол. Наибольшее распространение получили: пено-полистирол, пенополиуретан, мипора.

Сотопласты выпускают в виде гофрированных листов бумаги, хлопчатобумажной или стеклянной ткани, пропитанной полимером и антипиреном. Сотопласты представляют собой регулярно повторяющиеся ячейки правильной геометрической формы. Его используют в качестве утеплителя в трехслойных панелях из алюминия или асбестоцемента.

Стеклянная вата получается вытягиванием расплавленного стекла и превращением его в шелковистые тонкие гибкие нити белого цвета. Из нее изготавливают маты и полосы, прошитые крученными стекловолокнистыми нитями.

Пеностекло характеризуется высокой водостойкостью и прочностью, применяется для утепления стен, перекрытий, кровли, для изоляции подвалов и холодильников.

Цементный фибролит является хорошим теплоизоляционным материалом, состоящим из смеси тонких древесных стружек (древесной шерсти), портландцемента и воды, которая подвергнута тепловой обработке и разрезана на плиты.

Арболит изготавливают из смеси портландцемента, дробленой деревянной стружки и воды. Вместо стружки используют щепу, опилки, костру. Из арболита выпускают плиты плотностью в сухом состоянии 500 кг/м³.

Древесно-стружечные плиты (ДСП) изготавливают из отходов фанерного и мебельного производства или из неделовой древесины, перемешивают с жидкими полимерами, прессуют и при повышенной температуре высушивают.

Для обеспечения биостойкости плит их пропитывают антисептиками (бура, фтористый натрий и др.), ан-типиреномином, гидрофобизирующими веществами. ДСП выпускают различной плотности. Используют для теплоизоляции, а также в качестве конструкционного и отделочного материала.

Древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из древесных или растительных волокон, а также костры, камыша, хлопчатника и т. п. материалов. Применяют для подшивки потолков, устройства перегородок, настилки полов, изготовления мебели и т. д.

Изоляционные древесно-волокнистые плиты используют для тепло-и звукоизоляции помещений.

3.2 Стекломатериалы, применяемые в строительстве

Стекло представляет собой прозрачный материал, изготавливаемый из кварцевого песка, известняка, соды, сульфита натрия в стекловаренных печах при температуре около 1 500°С.

Существует большое количество разновидностей стекла и изделий из него. Оконное листовое стекло является наиболее распространенным. Оно используется для остекления оконных и дверных проемов, отделки зданий внутри и снаружи. Стекло выпускают листами длиной 0,25-2,2 м, шириной 0,25-4,6 м и толщиной 2-6 мм. Обычное стекло пропускает около 85-90% света.

Витринное стекло изготавливают полированным, размером по длине до 6 м, шириной 3 м и толщиной 6-10 мм.

Орнаментное стекло представляет листовое изделие, одна поверхность которого гладкая, а другая - узорчатая.

Армированное стекло содержит запрессованную металлическую сетку из хромированной или никелированной проволоки. При разрушении стекла осколки удерживаются арматурной сеткой, что повышает его безопасность, особенно при разрушении на высоте. Оно выпускается золотисто-желтого, зеленого, голубого и лилово-розового цвета. Устанавливается в дверные проемы, используется для ограждения лестниц, балконов, лоджий, лифтовых шахт, перегородок. Выпускается размером по длине 1,5 м, шириной 0,8 м и толщиной 6 мм.