Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
. Диоксид кремния, или кремнезем (SiO 2 ), диоксид титана (титания, ТiО 2 ), глинозем (Al 2 O 3 ) применяются в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, для производства лакокрасочной продукции – красок и грунтовок. Кроме того, диоксид титана используется при производстве пластмасс, стекла и зеркал, глинозем – в конструкционной керамике, оксид неодимия (Nd 2 O 3 ) – в высотемпературных глазурях и пигментах для стекла, оксид диспрозия (Dy 2 O 3 ) – для производства дю-стекла. Смеси и сложные оксиды, состоящие из двух и более металлов, такие как нитрид кремния (Si 3 N 4 ), обычно используются в жаропрочных и теплоизоляцион- ных материалах, индие-оловянный оксид (In 2 O 3 /SnO 2 ) в основном применяется для создания проводимого и прозрачного покрытия. Электроискровое легирование поверхностей деталей из алюминиевых спла- вов с применением НП повышает твердость НV в пределах 1,9…2,3 раза, что уменьшает износ в 2,3…4,0 раза по сравнению со стандартной технологией, ис- пользующей графитовый электрод. Введение нанопорошков в стандартные литейные краски (противопригар- ные покрытия), применяющиеся для окраски рабочих поверхности разовых песча- но-глинистых литейных форм, предотвращает образование на поверхности отли- вок из сталей 40Л, 45Л, 110Г12Л, 110Г13Х2БРЛ трудно удаляемого пригара, а чи- стота их поверхности повышается в 3…5 раз по сравнению с деталями, отлитыми в формах, окрашенных стандартными красками. В результате плазменного силицирования с применением жидкого крем- нийорганического соединения тетраэтаксисилана рабочих поверхностей матриц и пуансонов, изготовленных из сталей У8 и У10 и применяемых для штамповки стальных деталей из инструментальных сталей, срок их службы увеличился за счет имплантирования наночастиц кремния в 2,5 раза, а из стали 7Х3 – в 8 раз по сравнению с оснасткой, упрочненной обычной термообработкой. Наиболее существенный пример промышленного использования нанотехно- логий в строительстве – стальная арматура с измененной структурой, выпускаемая 102 компанией «MMFX Steel Corp.», США. Эта сталь подобна нержавеющей стали, но намного дешевле. По сравнению с обычной углеродистой сталью она имеет в наношкале слоистую «реечную» структуру, из-за чего резко возрастают ее меха- нические свойства, например, прочность, а также податливость и сопротивление усталости по сравнению с другими известными высокопрочными сталями. Эти свойства материала способствуют значительно более длительным срокам службы в коррозионных средах и понижают интегральную стоимость строительства (ри- сунок 73). Рисунок 73 – Нанослой аусткенита в сво- бодной от карбида «рейке» мартенсита, ТЭМ, «ММFX Steel Corp.», США Специалистами Фраунгоферского института химических технологий пред- ложено использовать наноэмульсию биоцидов – комбинацию активных компонен- тов, обеспечивающих высокую, надежную и долговременную защиту древесины от поражения микробами, плесенью и бактериями. Биоциды в такой форме, про- никая в древесину, обратно из нее уже не вымываются в отличие от водораство- римых антисептиков (рисунки 74, 75). Наномодификатором является гальваношлам – от- ход, образующийся при об- работке известью сточных вод гальванического произ- водства. Исследованиями доказана его эффективность в составе цементных смесей. Компания Dyo (Тур- ция) разработала линейку красок, произведенных по нанотехнологиям (рисунок 76). Объектами нанотехнологий в лакокрасочной области являются материалы, состоящие из частиц, размеры которых составляют 1…100 нм. С их помощью можно добиться получения покрытий невозгораемых и самоочищающихся, с вы- сокой устойчивостью к износу и ультрафиолетовым лучам. В ассортименте завода Alligator для строителей-реставраторов присутствуют и успешно применяются, теперь колеруемые в любой цвет, силикатные погодо- стойкие самоочищающиеся краски KIESELIT-BAYERN- SILIKAT и Kieselit-Fusion (Кизелит-Фузион), произво- димые по нанотехнологии. Рисунок 74 – Растровая электронная микрофотография по- верхностного слоя по- крытия Remmers на древесине Рисунок 75 – Растро- вая электронная микрофото- графия поверхностного слоя покрытия Bioni на древесине 103 Рисунок 76 – Нанокраски компании Dyo Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с микроструктурной по- верхностью является решающей для фотокаталитического действия краски Kie- selit-Fusion – грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздей- ствию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость к ультрафиолету покрытия в целом, что позволяет фасаду сохранять первозданный внешний вид в течение долгого времени. Р ису- нок 77 – Действие по- крытия WonderGliss на керамической плитке KerAion Hydrotect В результате исследований в 1999 г. немецкой компанией Nanogate Technol- ogies GmbH из Саарбрюкена были созданы покрытия WonderGliss для керамиче- ских материалов с принципиально новыми свойствами – стерилизования, деодо- рирования помещений и разрушения частиц грязи (рисунок 77). Любая атмосферная влага – туман, утренняя роса, дождь – постоянно обра- зует на поверхности плитки KerAion Hydrotect тонкую пленку воды, которая, сте- кая с вертикальных или наклонных плоскостей фасада, увлекает за собой грязь, не дает ей накапливаться. А активный кислород, выделяющийся под воздействием ультрафиолета, расщепляет органические загрязнители. При этом ликвидируются и потенциальные источники биоразрушения зданий – плесень, грибок, мох и ли- шайник. Технология нанесения покрытия Hydrotect в слой последнего обжига плитки позволяет получить износостойкую поверхность. Плитка может эксплуа- тироваться и в качестве облицовки пола в зонах с интенсивным движением. В результате серии экспериментов специалисты из института физики Китай- ской академии наук (Institute of Physics) под руководством профессора Вэй Хуа Вана (Wei Hua Wang) сделали гнущееся стекло из сплава, созданного из циркония, алюминия, меди и никеля. Особенность получившегося материала в том, что в его структуре распределены зоны, состоящие из твёрдых и плотных областей, окру- жённых мягкими и менее плотными. Из-за этого при изгибе не возникает большой трещины, а появляется множество мелких трещинок. Благодаря таким трещинкам сила, приложенная к изделию из такого стекла, распределяется равномерно по се- чению изделия. На транспортном коридоре из Нижегородской области в республики Марий- Эл и Чувашию вместо классической асфальтобетонной смеси уложена композиция 104 из мелкого щебня, цемента и измененного на молекулярном уровне битума. Слой толщиной всего в несколько миллиметров способен защитить дорогу от темпера- турных колебаний в сотни градусов. Кроме того, уникальная композиция закрыва- ет все микротрещины, а щели заливает, восстанавливая тем самым предыдущий слой асфальтобетона. Мобильная лаборатория, проверяя качество покрытия, уста- новила, что оно отличается высокой адгезией. Решили проблему тотального без- дорожья США путем ферметации патоки из сахарной свеклы. Ранее тягучая масса использовалась исключительно в атомной промышленности. Сегодня фермент применяется при строительстве сельских дорог. Процесс предельно прост: дорога разрыхляется, поливается разбавленным ферментом, а потом трамбуется тяжелым катком. Фермент заставляет грунт «спекаться» в плотную основу, устойчивую к проникновению воды, непогоде и износу. При этом в летнюю пору весь процесс «спекания» продолжается максимум 72 часа. Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например, ос- нования зданий, с саморегулируемой системой компенсации усадок грунтов. Не- сущие конструкции зданий, которые осуществляют мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния. Ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца. Покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей и фотокаталитические покрытия – все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения. В 2012 г. в Греции будет построен первый коттедж, который сможет проти- востоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счет достижений нано- технологий. Полимерные наночастицы, входящие в состав композиционных мате- риалов, под давлением превращаются в жидкость, способную проникать в трещи- ны, а затем стабилизировать несущие конструкции дома после повреждений, сни- зив риск серьезных разрушений. 8.2 Диагностика наноматериалов Современное состояние материаловедения, развитие физики и технологии наноструктур потребовало разработки новых диагностических методов, а также новых образцов оборудования для анализа свойств и процессов в низкокамерных системах, в наноматериалах и искусственно создаваемых наноструктурах. С этой точки зрения одним из наиболее перспективных методов практиче- ской диагности и характеризации наноструктур стала сканирующая зондовая мик- роскопия (СЗМ) и, прежде всего, атомно-силовая микроскопия (АСМ). Она обес- печивает получение наиболее полной информации об основных физико- химических свойствах и геометрических па- раметрах наноструктур и протекающих в них процессах (рисунки 78). Рисунок 78 – Сканирующий туннельный микроскоп с высоким разрешением позволяет ис- следовать движение атомов 105 Принцип работы АСМ основан на регистрации межатомных взаимодей- ствий между острием исследуемого зонда (кантилевера) и исследуемой поверхно- стью. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и по- верхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые дат- чики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Реги- стрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с по- верхностью. Любое взаимодействие зонда с поверхностью приводит к изгибу кан- ти- левера, величина которого пропор- ци- ональна величинам действующих сил, а направление определяет их притягивающий или отталкиваю- щий характер (рисунок 79). Рисунок 79 – Схематическое изоб- ра- жение зондового датчика АСМ Рисунок 80 – "Полуконтактный" режим колебаний кантилевера АСМ При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантиле- вера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10…100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца. Напряжение в петле обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий зазор, между металлическим зондом и проводящим образцом, во внешнем электрическом поле (рисунок 81). 106 Рисунок 81 – Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б) Преимущества зондовой микроскопии перед традици- онными методами исследова- ния поверхности и ее свойства сложно переоценить. Перечис- лим лишь основные достоин- ства СЗМ и АСМ. Высокое разрешение СЗМ, вплоть до атомного (D – 0,01 нм) в сочетании с локальностью исследований. Разрешение ПрЭМ в сочетании с просвечивающим электронным микроскопом может достигать 1 нм. Принципиальная возможность СЗМ исследо- вать только поверхностные слои не требует никаких ограничений к исследуемым объектам по их толщине. Это избавляет от необходимости приготовления тонких срезов, реплик и последующих продолжительных поисков «удачных» частичек, как это обычно делается при исследованиях в ПрЭМ. Измерения проводятся непо- средственно в каждой точке поверхности (локальность информации), что дает преимущество СЗМ перед интегральными методами исследования, где информа- ция собирается с некоторой площади поверхности или объема и затем усредняет- ся. ПрЭМ требуют упорядоченности атомной структуры на достаточно больших площадях и при этом не способны регистрировать атомные дефекты, неоднород- ности и микрочастицы. В сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) средняя энергия электро- нов – порядка миллиэлектронвольт, а в АСМ силы взаимодействия – обычно порядка долей нанонь- ютона. Низкие энергии взаимодействия с исследу- емым объектом делают методы СЗМ неразруша- ющими, в то время как в электронной микроско- пии, например, типичные энергии – порядка кило- электронвольт и больше. Это очень важно при ис- следованиях деликатных молекулярных объектов, тонких пленок, мягких полимерных материалов и живых биообъектов. Однако воздействие на ис- следуемый объект по желанию оператора может быть значительно увеличено в строго контролиру- емых точках поверхности. Это интенсивно используется в различных методиках контролируемого «возбуждения» биообъектов и в технологиях нанолитографии микроэлектроники (рисунок 82). 107 Рисунок 82 – Сканирующая туннельная микроскопия. На подобной аппаратуре возмож- но получение топографии поверхности с атомным разрешением Исследования методами СЗМ могут проводиться практически в любых сре- дах in situ: от сверхвысокого вакуума до жидких растворов в отличие от всех ме- тодов исследования поверхности, которым необходима среда высокого вакуума. Условие ограничения только одно – инертность зонда к среде исследования. Эти особенности представляют собой уникальные возможности исследований дина- мики процессов непосредственно в среде прохождения реакций. Для метода АСМ не критична электропроводность исследуемой поверхно- сти. Это позволяет исследовать объекты любой проводимости, что также обеспе- чивает его преимущество перед электронной микроскопией и другими методами электронного анализа поверхности. Для исследования диэлектрических объектов не требуется покрытие их тонкими проводящими пленками или различного рода оттенения, которые, в свою очередь, скрывают атомную структуру и детали рель- ефа поверхности, а также затрудняют поведение анализа поверхностного состава (рисунок 83). Рисунок 83 – Атомно-силовые микроскопы: Solve P47H и Solve BiO Пожалуй, самым большим преимуществом СЗМ перед существующими ме- тодами исследований является комплексность исследования. Наряду с данными о рельефе поверхности регистрируется большое число параметров, характеризую- щих ее различные физико-механические свойства (жесткость, упругость, вязкость, механические напряжения, адгезионные силы, химические взаимодействия, элек- 108 трические поля, магнитные свойства и др.). Карты этих свойств можно сопостав- лять с рельефом и таким образом идентифицировать составляющие исследуемой поверхности и объектов, расположенных на ней. Обычно кривые зависимости измеряются в выбранной точке на предвари- тельно исследованном СЗМ участке поверхности, что сильно ограничивает интер- претацию полученных результатов. В предложенном российскими исследователя- ми новом способе сканирования (патент РФ № 2145055) зонд перемещается не при условии поддержания постоянной величины взаимодействия, как это принято в типовых схемах, подобно игле швейной машинки, приближаясь и отдаляясь от поверхности в каждой точке измерения. При этом регистрируется кривая зависи- мости взаимодействия зонда и поверхности, которая обрабатывается для извлече- ния из нее и последующего картирования всевозможных информационных дан- ных. В процессе сканирования однотипные данные заносятся в соответствующие файлы, причем каждому значению ставятся в соответствие координаты точки по- верхности, в которой оно получено. Таким образом, после сканирования исследо- ванного участка, кроме топографии поверхности, исследователь может не только получить из силового спектра перечисленные выше характеристики поверхности и слове, расположенном на ней, в одной выбранной точке, но и иметь в наличии их расположения по исследованному участку. Принципы нанотехнологий предопределяют манипуляции, при которых приборы фиксируют образец с точностью до нескольких нанометров, измеряют величины, такие как сила в nN, и «собирают» объекты толщиной в несколько мо- лекул и площадью в несколько квадратных нанометров. Таким образом, при рабо- те в наношкале изменения комнатной температуры должны быть настолько не- большими, чтобы объект не изменился в размерах больше, чем на несколько нм, иначе система контроля образца неправильно его локализует. Электромагнитые поля внутри здания должны быть настолько стабильные, чтобы электрические сигналы можно было измерить в таких единицах, как nA и nV. Некоторым помещениям необходима акустика, сравнимая с акустикой звуко- записывающей студии. Размеры крошечных частиц, находящихся в воздухе, могут равняться тысячам нанометров, поэтому контроль уровня загрязнения среды – как частицами, так и химическими веществами – должен находиться в крайне жестких пределах. Во всех случаях вибрации должны быть на два-три порядка меньше по- рога человеческого восприятия. Все эти требования предопределяют абсолютно новые требования к проектированию зданий и к материалам, применяемым для их возведения, принципиально на новом уровне. 109 9 Материалы, получаемые обработкой камня 9.1 Краткие сведения из геологии, понятие о минералах и горных породах В соответствии с современными геологическими представлениями земной шар состоит из нескольких оболочек – геосфер, различающихся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам: ядра (в центре), мантии, земной коры, гидросферы, биосферы и атмосферы. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии, в то время как внутренняя его часть, мантия и земная кора представляют собой твердые оболочки (рисунок 84). Внешний слой «твердой» земли, включающий земную кору и верхнюю часть мантии (общей мощностью до 100 км), называют литосферой, что в переводе с латинского языка означает «каменная оболоч- ка». Предполагается, что лито- сфера лежит на более плас- тичной части мантии – Рисунок 84 – Внутреннее строение земли и земной коры астеносфере (дословно с латинского – «слабая оболочка»), под которой, в свою очередь, рас- полагается более плотная часть мантии – мезосфера (дословно с латинского – «средняя оболочка»). Объем земной коры составляет менее 2 % от общего объема земно- го шара, причем непосредственно ис- следован лишь ее верхний слой (буровые скважины до 10 км). Вместе с тем верхний слой является источником промышлен- ного минерального сырья, имеющего огромное значение для человечества. Горные породы являются сырьём для изготовления ке- рамики, стекла, огнеупоров, теплоизоляционных материалов, неорганических вя- жущих и заполнителей для растворов и бетонов. Более того, природный камень 110 отлично сочетается со многими строительными материалами (кирпичом, деревом, металлом, сайдингом, фасадными штукатурками) и предоставляет архитекторам широчайшие возможности по их оригинальному совместному применению. Обла- сти использования природного камня в архитектуре чрезвычайно широки. Это об- лицовка фасадов зданий, цоколей и заборов; кладка стен (в том числе несущих), колонн; элитная отделка интерьеров; изготовление каминов и лестниц; ланд- шафтное строительство (альпийские горки, водопады, дорожки, бордюры); камен- ная мозаика. Выбор камня является очень ответственным этапом и требует большого опыта и знаний свойств природного материала, так как для архитектурных реше- ний необходимы различные качества и свойства камня. При необходимости выбор осуществляется непосредственно на карьере. Термин «камень» («природный камень», «естественный ка- мень») применяется к горным породам, издавна используемым человеком для прикладных целей. Эти породы, добываемые из земных недр в виде каменных глыб – блоков, редко в виде плит, представляют собой исходное сырье для производства облицо- вочных материалов, а также архитектурно-строительных, мо- нументных (статуарных) и некоторых технических изделий (ри- сунок 85). Рисунок 85 – Добыча камня из недр земли Природные плиты добываются на некоторых месторожде- ниях, сложенных тонкослоистыми (слои 10…30 см) осадочны- ми породами, главным образом известняками (например, «пу- тиловская плита», «гатчинская плита» и т. п.) Изучение видов, происхождения, строения и свойств горных пород позволяет определить качество и, как следствие, рацио- нальную область их использования. Горные породы (термин, введенный в 1798 г. русским минералогом В.М. Се- вергиным) – природные образования, состоящие из отдельных минералов или их механических соединений. Минералы (от латинского минера – руда) – сравнительно однородные природ- ные образования с определенным химическим составом и постоянными физико- механическими свойствами. Наука, изучающая минералогический и химический составы, распространение, классификацию и условия образования горных пород, называется петрографией (от греческих петра – камень и графо – пишу, т.е. описываю). В зависимости от числа составляющих минералов различают простые – моно- минеральные (кварцит, мрамор и сланец) и сложные – полиминеральные горные по- роды (гранит, андезит и габбро), которым присущ двойственный характер. |