Роль материалов в современной технике: Роль материалов в современной технике. — Студопедия

Роль материалов в современной технике. — Студопедия

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше мы рассматривали пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.

Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас — 80 кГ, а в Китае — 150 кГ.

Можно привести пример с материалами космических челноков.

Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными свойствами способствует улучшению эксплуатационных характеристик электротехнических изделий.

Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, а в российском накопителе «Ангара» — всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно, лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример — изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом — появились стеклянные изоляторы.

Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения — это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры.

Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.

Например, создание нагревостойких кремнийорганических диэлектриков позволило повысить рабочие температуры электрических машин и тем самым значительно увеличить мощность машины без увеличения ее габаритов и веса.

1. Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения

1. Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения

Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Любой компонент конструкций или сооружений подвергается нагрузкам как со стороны других компонентов, так и со стороны внешней среды.

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы. Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики).

Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.

Техника создания материалов положена в основу классификации по структуре.

Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово.

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов.

Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами.

Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Металловедение как наука возникло в России в XIX в, оно является научной основой для разработки новых оптимальных технологических процессов: термической обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

Впервые установил существование связи между строением стали и ее свойствами выдающийся русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный секрет изготовления и получения древними мастерами Востока булатной стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью. П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов.

Основоположник научного металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), который открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей.

Огромный вклад в развитие науки о металлах внесли Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С. Штейиберг, А.П. Гуляев, а также другие советские ученые.

Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия).

В XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Материаловедение. Роль русских и иностранных ученых в развитии науки о металла. Основные направления развития современного материаловедения

Материаловедение – это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.
В 1873—1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распре-деление, размер и форму кристаллов каждой фазы.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют вол-новую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.
В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и, в первую очередь, обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия, что-бы в течение 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%, она станет более прочной, уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.

Роль металлов в современной технике

Дисциплина

«Методы исследования конструкционных материалов»

 

Реферат

 

по теме: Роль металлов в современной технике. Тенденция создания и рационального выбора конструкционных материалов. Испытание на усталостную прочность.

 

 

ВЫПОЛНИЛ:

 

Магистрант группы Т-20117М Шабурников А.В.

Группа Подпись Фамилия, И.О.

 

ПРОВЕРИЛ:

 

Преподаватель,

доцент, к. т. н. Сорогина Т.П.

Подпись Фамилия, И.О.

 

 

Курган 2019

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Роль металлов в современной технике………………………………………..3

2. Тенденция создания и рационального выбора конструкционных материалов. ………………………………………………………………………..5

3. Испытание на усталостную прочность.……………………………………….9

4. Список литературы ………………………………………………………….. 11

 

Роль металлов в современной технике

Сплавы — это металлообразные макроскопически однородные вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух или более химических элементов.

Составной частью сплава может быть любой элемент, хотя в значительных количествах в них содержатся только металлы. По свойствам сплавы практически всегда отличаются от исходных веществ. Могут быть улучшены качества того металла, который лег в основу. Например, чугун и сталь превосходят железо по твердости и прочности. Очень часто они приобретают свойства, которые отсутствовали у составляющих, например устойчивость к той или иной агрессивной среде, способность выдерживать высокие температуры, магнитные свойства и т. д. Словом, металл в сплаве как бы обретает новые качества, и возникают материалы, без которых сегодня немыслим прогресс.

Ядерная энергетика немыслима без металлов или сплавов, устойчивых к коррозии при одновременном воздействии радиоактивного излучения. Все новые и новые сплавы, более легкие, прочные и выносливые, требуются авиационной и космической технике. Полупроводниковая промышленность стала мощно развиваться, когда были найдены методы получения чистых металлов.

Подводя итоги развития нашей страны за прошедшие годы и определяя основные задачи по развитию народного хозяйства, науки и техники как на ближайшие годы, так и перспективу на дальнейшее развитие, в качестве основ такого развития необходимо включить задачи которые выдвигают на первый план использование не только и не столько самих металлов в чистом виде, но в гораздо большей степени их различных сплавов.

Сейчас на первое место по объему применения выходят титановые сплавы. Они характеризуются малой плотностью (4,5 г/см3), высоким пределом прочности, хорошей коррозийной стойкостью (большей, чем у нержавеющей стали) и высокой жаропрочностью. Титановые сплавы превосходят высокопрочные конструкционные стали и алюминиевые сплавы и являются ценным конструкционным материалом в ракетостроении, авиационной промышленности, судостроении, химической промышленности и при изготовлении некоторых деталей ядерных реакторов. В промышленности применяют изделия из титана в виде листов, прутьев, проволоки, труб, поковок и штамповок. Для получения титановых сплавов с более ценными свойствами титан легируется различными металлами — алюминием, хромом, железом, марганцем, молибденом, ванадием и др.

Все шире человек использует энергию атома. К металлам и сплавам атомной техники предъявляют особые требования, так как они подвергаются облучению. Оно влияет на физико-механические свойства металлов: повышаются твердость и прочность, снижаются пластичность и вязкость, падает плотность, увеличивается скорость коррозии и усиливается процесс старения. К материалам, используемым для постройки реакторов, предъявляют особые требования, например сопротивляемость разрушению от излучения и отсутствие радиоактивных продуктов. Для строительства ядерных реакторов применяют чаще всего бористые стали, а также бериллий, цирконий и их сплавы. В атомном реакторе в качестве ядерного горючего применяют металлы уран, плутоний и торий.

Пробивают себе дорогу композиционные материалы. Легкие, прочные и устойчивые к коррозии и действию температур, они знаменуют собой технику грядущего дня

 

 

Применение металлов и их сплавов — урок. Химия, 8–9 класс.

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

 

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

 

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

 

Сплав по сравнению с исходным металлом может быть:

• механически прочнее и твёрже,
• со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
• устойчивее к коррозии,
• устойчивее к высоким температурам,
• практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) %). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Применение сплавов в качестве конструкционных материалов

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

 

В строительстве и в машиностроении наиболее широко используются сплавы железа и алюминия.

 

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

  

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

 

В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния, очень лёгкие и жароустойчивые.

 

В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана.

 

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

 

Конструкция из стальных балок	Радиаторы центрального отопления	Ажурные перила, отлитые из чугуна

Инструментальные сплавы

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Добавление к сплавам веществ, улучшающих их свойства, называют легированием.

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение сплавов в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

 

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

 

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

 

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

 

Бронзы идут на изготовление пружин и пружинящих контактов.

 

Нагревательные элементы бытовых электроприборов	Запорные краны для водопроводов и газопроводов	Пружинящие контакты электрических розеток

 

Применение легкоплавких сплавов

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

 

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

 

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.

 

Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Легкоплавкие сплавы используются в литейном деле	Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

 

Применение сплавов в ювелирном деле

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

 

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

 

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

 

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

 

Ювелирные изделия из сплавов золота	Позолоченные электрические контакты

 

Сплавы в искусстве

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

 

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

 

Бронзовая скульптура	Колокола отливают из специального сорта бронзы	Чугунная лестница.  Практично и очень красиво

 

Роль современных сплавов в науке, технике, медицине, быту

1. Роль современных сплавов в науке, технике, медицине, быту.

Никитин Максим
Группа ПК12
ГПОУ «Сыктывкарский торгово-технологический техникум»

2.

Цель работы: обзор современных сплавов и способов их применения в жизни человека. План:
Узнать, что такое современные сплавы.
Узнать применение современных сплавов.
Примеры сплавов и изделий из них.
Вывод.

3. Что такое сплавы?

• Сплавы образуются при смешивании химических элементов. Один из компонентов сплава
обязательно должен быть металлом или химическим соединением,
имеющим металлические свойства.
Основой сплавов служат такие металлы как железо, медь, алюминий, магний, титан. Из
неметаллов важными компонентами являются углерод, бор, кремний и др.
Сплавы бывают твердые и мягкие, тугоплавкие, легкоплавкие, жаростойкие,
кислотостойкие, стойкие к действию щелочей.

4. Применение сплавов.

Современная техника использует более 5000 сплавов.
Изделия, выполненные из сплавов, используются в строительстве,
жилищно-коммунальном хозяйстве, машиностроении.
В электро- и радиотехнической, аэрокосмической и ядерной,
электронной и приборостроительной, в отраслях промышленности,
создающих средства связи и автоматизированные системы, а также
ЭВМ и микропроцессоры.
Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время нет почти ни
одной отрасли промышленности, ни одного научного и технического
направления, где бы не применялись в том или ином качестве сплавы.

5. Примеры

Дюралюминий в своем составе могут содержать: а) 1,4-13% Cu; б) 0,4-2,8%
Mg; в) 0,2-1% Mn; г) 5-7% Zn; д) 0,8-1,8% Fe; е) 0,02-0,35% Ti, иногда 0,5-6%
Si. Дюралюминий прочные и легкие, теплопроводные, коррозионно
устойчивы используют в авиастроении для изготовления деталей
турбореактивных двигателей;
Магналии — сплавы алюминия с большим содержанием магния.
Силумины — сплавы на основе алюминия с высоким содержанием Si.

6. Примеры изделий

• ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ В СТОМАТОЛОГИИ
ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ И МЕДИЦИНСКИЕ
ИНСТРУМЕНТЫ

7. Вывод

• Без металлов не обходится ни одна промышленная и научная
сфера, да и быт без них тоже сложно представить.

8. Конец спасибо за внимание

Топ 10 самых прочных металлов в мире

Использование металлов в повседневной жизни началось на заре развития человечества.  В первую очередь была освоена медь, которая доступна в природе и легко поддается обработке. До сих пор археологи при раскопках находят различные медные изделия и домашнюю утварь. В процессе эволюции люди постепенно учились соединять различные металлы, получая все более прочные сплавы, пригодные для изготовления орудий труда, а позже и оружия. В наше время продолжаются эксперименты, благодаря которым можно выявить самые прочные металлы в мире.

10 Титан

Титан – высокопрочный твердый металл, который сразу же привлек к себе внимание. Свойствами титана являются: высокая удельная прочность; стойкость к высоким температурам; низкая плотность; коррозийная стойкость; механическая и химическая стойкость. Титан применяется в военной промышленности, медицине авиации, кораблестроении, и других сферах производства.

---

9 Уран

Самый известный элемент, который считается одним из самых прочных металлов в мире, и в нормальных условиях представляет собой слабый радиоактивный металл. В природе находится как в свободном состоянии, так и в кислых осадочных породах. Он достаточно тяжел, широко распространен повсеместно и обладает парамагнитными свойствами, гибкостью, ковкостью, и относительной пластичностью. Уран применяется во многих сферах производства.

---

8 Вольфрам

Известен как самый тугоплавкий металл из всех существующих, и относится к самым прочным металлам в мире. Представляет собой твердый переходный элемент блестящего серебристо-серого цвета. Обладает высокой прочностью, отличной тугоплавкостью, стойкостью к химическим воздействиям. Благодаря своим свойствам поддается ковке, и вытягивается в тонкую нить. Известен в качестве вольфрамовой нити накаливания.

---

7 Рений

Среди представителей данной группы считается переходным металлом высокой плотности серебристо-белого цвета. В природе встречается в чистом виде, однако встречается в молибденовом и медном сырье. Отличается высокой твердостью и плотностью, и имеет отличную тугоплавкость. Обладает повышенной прочностью, которая не теряется при многократных перепадах температур. Рений относится к дорогим металлам и имеет высокую стоимость. Используется в современной технике и электронике.

---

6 Осмий

Блестящий серебристо-белый металл со слегка голубоватым отливом, относится к платиновой группе и считается одним из самых прочных металлов в мире. Аналогично иридию имеет высокую атомную плотность высокую прочность и твердость. Поскольку осмий относится к платиновым металлам, имеет схожие с иридием свойства: тугоплавкость, твердость, хрупкость, стойкость к механическим воздействиям, а также к влиянию агрессивных сред. Нашел широкое применение в хирургии, электронной микроскопии, химической промышленности, ракетной технике, электронной аппаратуре.

---

5 Бериллий

Относится к группе металлов, и представляет собой элемент светло-серого цвета, обладающий относительной твердостью и высокой токсичностью. Благодаря своим уникальным свойствам бериллий применяется в самых различных сферах производства: ядерной энергетике; аэрокосмической технике; металлургии; лазерной технике; атомной энергетике. Из-за высокой твердости бериллий используется при производстве легирующих сплавов, огнеупорных материалов.

---

4 Хром

Следующим среди самых прочных металлов в мире является хром – твердый, высокопрочный металл голубовато-белого цвета, стойкий к воздействию щелочей и кислот. В природе встречается в чистом виде и широко применяется в различных отраслях науки, техники и производства. Хром используется для создания различных сплавов, которые используются при изготовлении медицинского, а также химического технологического оборудования. В соединении с железом образует сплав феррохром, который используется при изготовлении металлорежущих инструментов.

---

3 Тантал

Тантал является одним из самых прочных металлов в мире. Он представляет собой серебристый металл с высокой твердостью и атомной плотностью. Благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки, имеет свинцовый оттенок. Отличительными свойствами тантала являются высокая прочность, тугоплавкость, стойкость к коррозии, воздействию агрессивных сред. Металл является достаточно пластичным металлом и легко поддается механической обработке. Сегодня тантал успешно используется: в химической промышленности; при сооружении ядерных реакторов; в металлургическом производстве; при создании жаропрочных сплавов.

---

2 Рутений

Рутений – серебристый металл, принадлежащий к платиновой группе. Его особенностью является наличие в составе мышечной ткани живых организмов. Ценными свойствами рутения являются высокая прочность, твердость, тугоплавкость, химическая стойкость, способность образовывать комплексные соединения. Рутений считается катализатором многих химических реакций, выступает в роли материала для изготовления электродов, контактов, острых наконечников.

---

1 Иридий

Самый прочный металл – иридий – серебристо-белый, твердый и тугоплавкий, который относится к платиновой группе. В природе высокопрочный элемент встречается крайне редко, и часто входит в соединение с осмием. Из-за своей природной твердости он плохо поддается механической обработке и обладает высокой стойкостью к воздействию химический веществ. Иридий с большим трудом реагирует на воздействие галогенов и перекиси натрия. Этот металл играет важную роль в повседневной жизни. Его добавляют к титану, хрому и вольфраму для улучшения стойкости к кислым средам, применяют при изготовлении канцелярских принадлежностей, используют в ювелирном деле для создания ювелирных изделий. Стоимость иридия остается высокой из-за ограниченного присутствия в природе.

Источник

Роль материалов в информационных технологиях | Материалы в новом тысячелетии: отвечая на потребности общества

Скорость прогресса кремниевых микросхем, пропускной способности оптического волокна и плотности хранения информации продолжает расти — примерно вдвое каждый год и с поразительной точностью следуя закону Мура. На 8-дюймовой пластине современной памяти уже существует транзисторов в несколько раз больше, чем людей на Земле.Оптоволокно устанавливается по всему миру со скоростью 2 000 километров в час.

Примерно через десять лет все эти технологии приблизятся к тому, что сегодня кажется фундаментальным пределом. Размеры транзисторов приблизятся к нескольким атомным слоям, и, согласно дорожной карте Ассоциации полупроводниковой промышленности, закон Мура замедлится. Вместо постоянного улучшения характеристик микросхем прогресс будет зависеть от постоянных улучшений в архитектуре микросхем и более эффективного использования полупроводников.Благодаря усовершенствованию технологий материалов, цены будут продолжать падать, при этом стоимость инструкции в секунду для процессоров и бит в секунду для связи упадет на четыре порядка за 20 лет. Дальнейшее улучшение будет достигнуто за счет разработки новых диэлектриков, повышения надежности, достижений в технологии межсоединений и проектирования полных систем на кристалле.

Материалы, обработка материалов и будущее информационных технологий

Новые материалы создают новые технологии, а новые технологии создают новые материалы.Подход снизу вверх начинается с новых материалов и явлений, таких как наноматериалы и спиновые эффекты, и развивает новые технологии, которые они позволяют. Подход «сверху вниз» начинается с новых архитектур и новых алгоритмов, таких как отказоустойчивость и квантовые вычисления, и разрабатываются новые материалы, отвечающие их требованиям. Эти два подхода дополняют и усиливают друг друга.

Исследования, поддерживаемые DARPA, идут обоими этими путями. В первом примере материалы с гигантским магнитосопротивлением позволили разработать недорогую магнитную память с произвольным доступом (RAM), которая является энергонезависимой, устойчивой к излучению, такой же быстрой, как статическая память (SRAM), такой же плотной, как динамическая память (DRAM), и бесконечно циклически.Спиновые эффекты в полупроводниках приведут к революционным достижениям в фотонике и электронике, включая высокоэффективные лазеры, очень плотную память на квантовых точках и другие приложения, которые еще предстоит рассмотреть.

Программа

DARPA в области молекулярной электроники является примером второго подхода. Молекулярная электроника стала возможной благодаря новым технологиям производства и обусловлена ​​технологическими потребностями, такими как стремительный рост затрат на изготовление схем, потребность в повышенной вычислительной мощности и фундаментальные препятствия, стоящие перед кремниевой технологией. Цель программы — продемонстрировать вычислительную функциональность в отказоустойчивых архитектурах, созданных путем прямой сборки молекулярных устройств. Молекулярные логические элементы, однобитовая и двухразрядная память и межсоединения уже были продемонстрированы.

Что такое технология материалов в NTNU?

Технология материалов — это относительно всеобъемлющая дисциплина, которая начинается с производства товаров от сырья до обработки материалов в формах и формах, необходимых для конкретных приложений.

Материалы — металлы, пластмассы и керамика — обычно имеют совершенно разные свойства, а это означает, что технологии, используемые при их производстве, принципиально разные. Технология материалов — это постоянно развивающаяся дисциплина, и новые материалы с интересными свойствами приводят к новым применениям. Например, сочетание различных материалов в композитах приводит к появлению совершенно новых свойств материала. Материаловедение тесно связано с технологиями материалов. Материаловедение — это междисциплинарная область, которая связывает свойства материала с его химическим составом, микроструктурой и кристаллической структурой.

Металлургическая промышленность, производство и обработка материалов являются очень важными аспектами норвежской промышленности, а также предлагают значительную добавленную стоимость для экономики за счет экспорта таких продуктов, как алюминий и ферросилиций. Материалы также имеют очень большое значение в нефтегазовой промышленности, например, для защиты стали от коррозии в морской среде.

NTNU — единственный университет в Норвегии, который готовит инженеров (магистров технологий) с опытом в области материаловедения и материаловедения. Ежегодно факультет материаловедения и инженерии выпускается около 50 инженеров.

Обучение материаловедению в NTNU

Хотите изучать материаловедение?

Кафедра материаловедения и инженерии факультета естественных наук NTNU предлагает несколько учебных программ в области материаловедения

Подробнее об исследованиях в области материаловедения в NTNU

Исследования в области материаловедения в НТНУ

исследовательских групп в

Департамент материаловедения и инженерии

Подробнее об исследованиях в области технологий материалов в NTNU

Технология материалов — обзор

4 Интеллектуальная обработка материалов — концепция и применение

Технология интеллектуальной обработки материалов (IPM) направлена ​​на оперативную оценку качества посредством неразрушающего определения характеристик с возможностью использования параметров неразрушающего контроля для управление параметрами процесса через контур обратной связи. Это важная и новая технология, которая при эффективном внедрении приводит к получению продуктов с улучшенным качеством, контролем разброса свойств, уменьшением количества брака и меньшими потребностями в энергии (Raj 2000).

Концепции IPM сложнее автоматизации. Различные этапы технологии IPM (рис. 1) включают изучение технологической схемы; понимание переменных процесса, которые влияют на качество; определение характеристик продукта с использованием методов неразрушающего контроля для установления связи между качеством (свойством), неразрушающим контролем и параметрами процесса; обработка статистических данных о качестве с использованием передовых концепций, таких как эвристика, нечеткая логика и т. д.; и интеграция полученной информации и полученных знаний в экспертную систему для онлайн-адаптации через цикл обратной связи к конкретным приложениям. Подтверждение теоретических моделей с экспериментальными интерпретациями, полученными с помощью интеллектуальных процессов и датчиков неразрушающего контроля, и увязка концевых сторон с использованием этого опыта для производственной деятельности в режиме онлайн также являются важными сегментами этой технологии. Таким образом, технология IPM носит в высшей степени междисциплинарный характер и требует специалистов в области материаловедения, неразрушающего контроля, технологических процессов, контрольно-измерительных приборов, управления данными и т. Д.

Рис. 1. Интеллектуальный, адаптивный, автоматизированный процесс, включающий свойства материала и геометрические датчики, а также возможности адаптивного обучения.

Среди различных методов и датчиков неразрушающего контроля, доступных сегодня, их внедрение в промышленности в преобладающих жестких условиях, таких как высокая температура, давление, агрессивная среда, вибрация, скорость, отбор проб и т. Д., Во время обработки требует значительных усилий по развитию. Несмотря на эти ограничения, IPM применяется во многих отраслях промышленности.Например, в сталелитейной промышленности концепции IPM были приняты на различных этапах операций плавки и формовки для производства высококачественной стальной продукции. Непрерывный мониторинг и контроль толщины, ширины, плоскостности, шероховатости поверхности, температуры поверхности и распределения температуры по толщине, движения полосы, деформации и скорости деформации во время прокатки стали, а также оперативная оценка свойств стали, таких как текстура, способность к вытяжке, предел текучести , и предел прочности на разрыв приняты для получения 100% контролируемых продуктов (Kopineck 1993).

Ультразвуковая импульсная эхо-система, которая позволяет непрерывно контролировать качество расплавленного алюминия во время литья и оценивать операции обработки и / или очистки расплавленного металла, такие как флюсование и фильтрация, является другим примером. Методика микроволнового рассеяния была разработана для проверки непрерывно литых заготовок на линии на наличие дефектов поверхности и принятия корректирующих мер с помощью обратной связи.

Вихретоковые датчики были разработаны для непрерывного определения доли стали, преобразованной из аустенита в феррит и перлит во время охлаждения.Процессы холодной прокатки и термообработки сталей (магнитных материалов) контролируются магнитными методами на основе измерений проницаемости или остаточного магнетизма. Измерения магнитного шума Баркгаузена (MBN) использовались для контроля глубины упрочнения коленчатых валов, стоек, тормозных шкивов, звеньев цепи и т.д. утечка радиоактивных газов / продуктов деления. Для неразрушающего контроля этих сварных швов использовались испытания на герметичность гелием, ультразвуковое исследование и радиография. Акустическая эмиссия и тепловидение оказались многообещающими методами для обнаружения различных дефектов и определения характеристик этих сварных швов в реальном времени, обеспечивая возможность обратной связи. На рисунках 2 (a) и 2 (b) показаны типичные термические картины хорошего и дефектного сварного шва соответственно. Каждый дефект дает типичный изотермический образец, на основе которого он может быть квалифицирован и количественно оценен (Raj et al . 1999).

Рис. 2. (a) Тепловое изображение нормального сварного шва. (б) Тепловое изображение дефектного сварного шва с избыточным графитовым покрытием.

Концепции IPM, принятые в промышленности, необходимо интерпретировать по-разному в контексте производства современных материалов и общих материалов более широкого использования. В случае современных материалов IPM требует больших затрат и ограничивается специализированными приложениями. В случае крупнотоннажных и обрабатывающих производств, производящих материалы более широкого применения, внедрение технологии IPM является экономически эффективным. Области пригодных для эксплуатации датчиков и установления корреляции между параметрами неразрушающего контроля и качеством продукции получили большее значение, поскольку это основные требования к успеху IPM.

Материаловедение может стать самой важной технологией следующего десятилетия. Вот почему

Подумайте о любой серьезной проблеме, с которой нам придется столкнуться в течение следующего десятилетия, и материалы находятся в центре внимания. Чтобы построить новое чистое энергетическое будущее, нам нужны более эффективные солнечные панели, ветряные турбины и батареи. Производителям нужны новые материалы для создания более совершенных продуктов. Нам также необходимо заменить материалы, которые могут быть нарушены, например, редкоземельные элементы.

Традиционно разработка новых материалов была медленным и кропотливым процессом.Чтобы найти свойства, которые они ищут, исследователям часто приходилось тестировать сотни — или даже тысячи — материалов один за другим. Это сделало исследования материалов слишком дорогими для большинства отраслей.

Тем не менее, сегодня мы находимся в разгаре революции материалов. Ученые используют мощные методы моделирования, а также сложные алгоритмы машинного обучения, чтобы продвигать инновации с молниеносной скоростью и даже указывать им на возможности, о которых они никогда не задумывались. В течение следующего десятилетия быстрое развитие материалов окажет огромное влияние.

Семена материальной революции

В 2005 году Герд Седер был профессором материаловедения в Массачусетском технологическом институте и работал над вычислительными методами для прогнозирования новых материалов. Традиционно материаловеды работали в основном методом проб и ошибок, работая над выявлением материалов, обладающих коммерчески ценными свойствами. Герд работал над автоматизацией этого процесса, используя сложные компьютерные модели, имитирующие физику материалов.

Все изменилось, когда руководитель Duracell, тогдашнего подразделения Procter & Gamble, спросил, может ли Седер использовать разрабатываемые им методы для изучения возможностей в широком масштабе для открытия и разработки новых материалов для щелочных батарей. Поэтому он собрал команду из полдюжины «молодых стрелков» и сформировал компанию, чтобы воплотить это видение в жизнь.

Первый проект прошел хорошо, и команда смогла запатентовать ряд новых материалов, которых раньше не было. Затем позвонила другая компания, которая привела к другому проекту, а затем и к большему. Тем не менее, несмотря на первоначальный успех, Седер начал понимать, что существует проблема. Хотя проекты команды были успешными, общее влияние было ограниченным.

«Мы начали понимать, что генерируем все эти ценные данные, которые хранятся в корпоративных хранилищах.«Мы хотели сделать что-то более публичным», — сказал мне Седер. К счастью, именно в этот момент один из членов команды покидал Массачусетский технологический институт по семейным обстоятельствам, и это случайное событие привело проект к новым высотам.

Проект «Рождение материалов»

В 2008 году муж Кристин Перссон устроился на работу в Калифорнию, поэтому она покинула группу Седера в Массачусетском технологическом институте и присоединилась к Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в качестве ученого-исследователя. Из-за потери ключевого коллеги команда увидела в этом возможность активизировать свою работу.

«В Массачусетском технологическом институте мы практически все вместе взламывали», — объясняет Седер. «Все это работало, но было немного глючно, и мы никогда не смогли бы выйти за пределы нашей небольшой команды. Однако в национальной лаборатории у них были ресурсы, чтобы построить это должным образом и создать платформу, которая действительно могла бы двигать вперед». Поэтому Перссон взялся за дело, получил небольшой грант и собрал команду, чтобы совместить работу с материалами с высокопроизводительными суперкомпьютерами, выполняемыми в лаборатории.

«В LBL работали специалисты мирового класса, — сказал мне Перссон.«Таким образом, мы начали активное сотрудничество с людьми, которые были на переднем крае информатики, но ничего не знали о материалах и нашей небольшой группе хакеров. Именно это междисциплинарное сотрудничество было действительно секретным соусом и помогло нам добиться быстро заземлить «.

Традиционная наука о материалах могла бы взять класс сплавов для использования, скажем, в автомобильной промышленности и рассчитать такие вещи, как вес в зависимости от прочности на разрыв. В литературе может быть несколько сотен таких материалов.Но с системой, которую они построили в LBL, они могли исчислять тысячи. Это означало, что инженеры могли определять материалы-кандидаты экспоненциально быстрее, тестировать их в реальном мире и создавать более качественные продукты.

И снова они почувствовали, что влияние их работы ограничено. В конце концов, не многие инженеры из частного сектора проводят время в национальных лабораториях. «Наша предыдущая работа убедила нас, что мы стоим на пороге чего-то гораздо большего», — вспоминает Перссон. Именно это привело их к созданию The Materials Project, огромной онлайн-базы данных, к которой может получить доступ любой человек в мире.

A Massive Materials Initiative

Проект Materials Project был запущен в начале 2011 года и привлек несколько тысяч человек. Оттуда он разросся, как вирус, и сегодня у него более 50 000 пользователей, и их число увеличивается примерно на 50–100 в день. Однако его влияние стало даже больше. Успех проекта привлек внимание Тома Калила, тогдашнего заместителя директора Управления по науке и технологиям Белого дома, который увидел потенциал для создания гораздо более широкой инициативы.

Летом 2011 года администрация Обамы объявила об Инициативе по геному материалов (MGI) для координации работы таких агентств, как Министерство энергетики, НАСА, Министерство энергетики и других, с целью расширения и дополнения работы, проводимой в LBL. Эти усилия, вместе взятые, создают революцию в науке о материалах, и частный сектор только начинает ощущать ее влияние.

MGI основан на трех основных принципах. Первый — это вычислительные подходы, которые могут точно предсказывать свойства материалов, подобные тем, которые впервые применила команда Герда Седера.Второй — это эксперименты с высокой пропускной способностью для расширения библиотек материалов, а третий — программы, которые анализируют существующие материалы в научной литературе и способствуют обмену данными о материалах.

Например, в одном проекте применялись алгоритмы машинного обучения с данными экспериментальных материалов для определения форм сверхпрочного сплава, называемого металлическим стеклом. Хотя ученые давно признали его ценность в качестве альтернативы стали и в качестве защитного покрытия, оно настолько редкое, что известно относительно немного.Однако с помощью новых методов исследователи смогли выполнить работу в 200 раз быстрее и идентифицировать 20 000 за один год!

Создание настоящей революции материалов

Томас Эдисон хорошо заметил, что, если он попробовал 10 000 экспериментов, которые потерпели неудачу, он на самом деле не считал это неудачей, но обнаружил 10 000 вещей, которые не работали. Это правда, но это также невероятно утомительно, требует много времени и дорого. Однако новые методы могут автоматизировать эти 10 000 отказов, что создает революцию в науке о материалах.

Например, в Объединенном центре исследований в области накопления энергии (JCESR), инициативе правительства США по созданию нового поколения передовых аккумуляторов, основная задача сейчас заключается не столько в определении потенциального химического состава аккумуляторов, сколько в выборе материалов для производства. эти химические работы еще не существуют. Исторически это было бы непреодолимой проблемой, но теперь это не так.

«Используя высокопроизводительное компьютерное моделирование, геномы материалов и другие методы, которые были разработаны за последнее десятилетие или около того, мы часто можем исключить до 99% возможностей, которые не будут работать», — Джордж Крэбтри, директор JCESR. сказал мне.«Это означает, что мы можем сосредоточить наши усилия на оставшемся 1%, который может иметь серьезный потенциал, и мы можем продвигаться намного дальше, намного быстрее и за гораздо меньшие деньги».

Эта работа быстро оказывает влияние на промышленность. Грег Малхолланд, президент Citrine Informatics, фирмы, которая применяет машинное обучение к разработке материалов, сказал мне: «Мы стали свидетелями огромного расширения компаний и отраслей, которые обращаются к нам, и нового ощущения безотлагательности. Для компаний, которые исторически инвестировали в материалы исследования, они хотят все вчера.Для тех, кто этого не сделал, они спешат набрать скорость «.

Джим Уоррен, директор компании Materials Genome Initiative, думает, что это только начало.» Когда вы можете открывать новые материалы для сотен тысяч или миллионов долларов, а не десятков или сотен миллионов, вы увидите огромное расширение вариантов использования и отраслей, которые выиграют », — сказал он мне.

Как мы узнали из цифровой революции, каждый раз, когда вы получаете 10-кратное повышение эффективности, вы в конечном итоге оказываете преобразующее коммерческое воздействие.Практически все, с кем я разговаривал, работая с материалами, думают, что темп продвижения легко достижим в течение следующего десятилетия. Добро пожаловать в революцию материалов.

Мнения, выраженные здесь обозревателями Inc.com, являются их собственными, а не мнениями Inc.com.

(PDF) Значение материаловедения для будущего развития общества

Л.А. Добржанский / Journal of Materials Processing Technology 175 (2006) 133–148 143

роли были изучены химический состав и фазы

происходящих преобразований при термообработке, при формовании

структуры и свойств этих сплавов.Наука и

технологии развивались во времени как разные и отдельные виды деятельности.

Раньше наука была полем спекуляций и практиковалась в основном философами, тогда как технология

была предметом практического интереса для многих мастеров. Области

интересов ученых и технологов оставались разными в

древних культурах. Эта ситуация начала меняться только в

в средневековый период развития на Западе, когда

и технические инновации, и научное понимание начали взаимодействовать

, стимулированные коммерческой экспансией, и

— быстрорастущей городской культурой.Глядя на этот процесс с современной точки зрения

, мы можем увидеть, что это не было просто односторонним влиянием науки на технологии. Это была комбинация этих двух видов деятельности, поскольку технология создала новые инструменты

и машины, с помощью которых ученые смогли достичь

лучшего понимания и понимания явлений.

Практическое применение многих изобретений

стало возможным только после того, как стали доступны соответствующие материалы.В качестве примера

можно упомянуть эскизный эскиз вертолета

, который был обнаружен в работах Леонардо да Винчи 15 века

[16], однако первый вертолет был изготовлен в 1940-х годах

. Космические корабли описывались в литературных произведениях еще

лет назад, а необходимые расчеты производились уже в первое десятилетие ХХ века

, тем не менее, первый искусственный спутник Земли

был запущен только в конце

года.

1950-х годов, а первый орбитальный аппарат космического корабля

был запущен в 1970-х годах.

Современные продукты нельзя часто проектировать и изготавливать

без использования многих материалов, точно так же, как они

не могли работать в требуемых условиях эксплуатации, а с

требовалась очень высокая надежность. Необходимо понимать, что временный продукт con-

состоит из множества элементов, изготовленных из различных материалов. Например, автомобиль среднего возраста

состоит из примерно 15 000 элементов, тогда как пассажирский самолет

состоит из более чем 4 000 000 элементов.

По мере разработки и внедрения современных материалов они также

становятся заменой тем, которые использовались до сих пор.

В качестве примера можно упомянуть материалы, разработанные и внедренные для космической или аэрокосмической техники

, которые очень часто используются в других областях, включая спорт. Среди множества причин такого отношения

можно назвать упрощение конструкции, продлевающее срок службы и повышающую надежность,

, упрощающее сборку и проектирование, а также снижение затрат на материалы, производство и эксплуатацию. .

Анализируя современные тенденции развития различных групп материалов, можно обнаружить, что очевидно, что

массовая доля ультрасовременных продуктов (таких как самолет

и продукты космической техники или даже биомедицинские материалы)

В общем объеме произведенной населением продукции

, а также

, хотя и растет, невелико. Широкое распространение

полимеров в нашей среде (которые только кажутся пригодными) пока невозможно из-за их относительно низкой стойкости к истиранию и другим типам износа

, а также

из-за их ограниченный диапазон рабочих температур, который

не превышает 300/400 ◦C.Пористая керамика относится к области

строительной индустрии, хотя стекло находит множество применений в быту, а также в производстве автомобилей. Некоторые марки керамики

, особенно стеклянной, используются даже в дизайне скалы машин

. Металлы и их сплавы являются основными материалами

в машиностроении, автомобилестроении и судостроении, в

машиностроении, бытовой легкой промышленности, инструментальной

промышленности и многих других, но они также важны в

строительстве. промышленность, хотя во многих случаях инженерная керамика

, а также некоторые композиты конкурируют с этими материалами.

Нобелевских премий в области физики и химии

за выдающиеся достижения последних десятилетий,

, которые изменили техническую реальность в мире,

могут свидетельствовать о динамике развития материаловедения.

Достаточно сказать о транзисторах, интегральных схемах,

фуллеренах, сверхпроводящих материалах, проводящих электрический ток

проводящих полимерах, полупроводниках и других материалах.

Можно попытаться представить видение будущего, а

оценить тенденции развития различных сфер деятельности и производственных процессов на основе видений, предложенных

видными организациями, состоящими из ученых и футурологов.

Безусловно, они связаны с прогнозами

по разработке различных инженерных материалов. Многие люди и сегодня делают свою работу дома, не выходя из нее.

Дома должны быть полностью обставлены и обставлены

другим способом в течение нескольких лет. Города, транспорт —

,

и телекоммуникационные системы будут организованы иначе, чем

в настоящее время. Города и транспортная система будут организованы в

другим способом, включая новые городские транспортные системы

, соединяющие небоскребы, автомобили с электроприводом,

роботизированные системы безопасности и системы утилизации городских отходов

.Система здравоохранения будет основана на диагнозах, поставленных на дому

, неаллергическом питании, раннем выявлении серьезных

болезней и их профилактике, а также на имплантации искусственных

органов — сердца и нового поколения. биоматериалов.

Будущее сельское, лесное и рыбное хозяйство будет основано на

достижениях генной инженерии, освоении выращивания новых

растений с использованием других процессов, помимо фотосинтеза, а

— также комплексной роботизации.Горнодобывающая и обрабатывающая промышленность

промышленности будет основана на полной роботизации процессов

промышленной рециркуляции воды и воздуха, на разработке

ультрамикропроцессорной технологии, а также на системах передачи энергии с высокой пропускной способностью

, использующих органические

материалов, замещающих медь. Системы защиты земли борются с климатическими воздействиями, реализуют восстановление после повреждений

, вызванных проливными дождями, борьбой с засухой и эксплуатацией тропических лесов, а также снижением разрыва слоя озона

. значительные изменения.

Будут разработаны системы наблюдения за океанами и морями и мониторинга их загрязнения

, а также для наблюдения за землетрясениями

, кроме того, роботы будут внедрены в водное хозяйство до

.

Космическая техника, использующая солнечную энергию, сделает космические полеты более распространенными и приведет к появлению новых технологий

и созданию космических заводов для производства продукции на рынке

, созданию лунных баз наблюдения и

космических полетов на Марс. .

Понимание материального мира — влияние материалов на общество

София Кшис Акорд и Кевин С. Джонс

Инновации часто происходят в интерфейсе. В материаловедении и инженерии (MSE) революционные открытия произошли на стыке двух или более различных материалов. Например, современные компьютерные микросхемы в значительной степени зависят от свойств, которые проявляются там, где металлы встречаются с полупроводниками. Точно так же инновационное мышление может происходить на стыке нескольких академических дисциплин.Вернемся к нашему примеру: современный компьютерный чип работает на пересечении технологических устройств, личной жизни тех, кто создает и использует эти устройства, и сообществ, в которых они живут. Этот учебник вводит гуманитарные и гуманитарные социальные науки в диалог с MSE, чтобы исследовать синергию между человеческой жизнью и инновациями в материалах в обществах от доцивилизационных до наших дней. Только в диалоге между свойствами «материала, который мы создаем» (сфера МСЭ) и социокультурными силами, которые формируют этот «материал» (сфера гуманитарных наук) и воздействуют на него, мы можем полностью понять наш материал. Мир.

Необходимость тесного диалога между гуманитарными и естественными науками повторяется с самого основания академии. Как говорится в статье The Chronicle of Higher Education , «Образовательная система, объединяющая гуманитарные науки и науки, создавая инженеров-единомышленников и вдохновленных наукой гуманистов, способствует не только инновациям. Это дает более гибких людей, которые приспосабливаются к непредвиденным изменениям, поскольку мир непредсказуемо развивается ».

Это особенно важно сегодня, поскольку мы все чаще рассматриваем науку не только как поиск естественных истин, но и как набор решений национальных и глобальных проблем.При решении этих проблем для ученых и исследователей важно действовать намеренно и со всесторонним знанием социальных и культурных миров, в которых эти проблемы проявляются. Два федеральных финансовых агентства, Национальный научный фонд (NSF) и Национальный фонд гуманитарных наук (NEH), были созданы в Соединенных Штатах в 1950 и 1965 годах, соответственно. В отчете, приведшем к основанию NEH, авторы писали: «Если бы взаимозависимость науки и гуманитарных наук понималась в более широком смысле, люди с большей вероятностью стали бы мастерами своей технологии, а не ее бездумными слугами.Авторы отчета, выходцы из ведущих университетов, а также из Комиссии по атомной энергии США, корпорации IBM и New York Life Insurance, знали, что объединение гуманитарных и естественных наук поможет нам делать обоснованные суждения о нашем контроле над природой, самими собой и нашими судьба.

Комиссия по гуманитарным наукам 1980 г. снова пересмотрела вопрос о взаимосвязи гуманитарных и естественных наук, отметив, что «социальные и этические вопросы являются неотъемлемой частью науки и техники. В этом отношении наука и техника были областью гуманитарных наук в западной культуре с момента ее греческого происхождения.То же самое можно сказать о тесной связи науки и технологий с гуманитарными науками во всех культурах, потому что культурные верования и социальные потребности определяют, как люди производят и применяют материалы в любом контексте. Гуманитарные науки и так называемые STEM (наука, технология, инженерия и математика) являются союзниками в создании мира. Достижения в науке и технике сами по себе являются социальным продуктом, выражением культурных движущих сил общества. Более того, как дисциплины, которые стремятся понять ценности и выбор людей, принимающих решения, гуманитарные науки могут «пробудить ученых и технических специалистов к проблемам, о которых они, возможно, не знали.Эти проблемы могут включать вопросы относительно этических аспектов технических инноваций или возможных непредвиденных последствий, но они также могут быть связаны с человеческими потребностями, удовлетворяемыми с помощью технических инноваций. Как отмечалось недавно, в отчете Heart of the Matter за 2013 год, подготовленном Комиссией по гуманитарным и социальным наукам Американской академии искусств и наук, все дисциплины должны объединиться для решения величайших проблем нашего времени, включая предоставление чистый воздух и вода, еда, здоровье, энергия, образование, а также права и безопасность человека.

Научные агентства также признают важность целостного мышления. Национальная инженерная академия категорически заявила, что сегодняшним инженерам нужно быть больше, чем просто любителями математики и естественных наук. Они должны быть «творческими людьми, решающими проблемы», которые помогают «формировать наше будущее», улучшая наше «здоровье, счастье и безопасность».

А в 2012 году Совет по аккредитации инженеров и технологий (ABET) добавил два новых критерия для инженерного образования, которые подчеркивают социальные цели инженерной работы.Эти критерии были изменены в 2017 году на следующие:

1. (2) способность применять инженерное проектирование для создания решений, отвечающих определенным потребностям с учетом общественного здоровья, безопасности и благополучия, а также глобальных, культурных, социальных, экологических и экономических факторов
2. (4) способность распознавать этическую и профессиональную ответственность в инженерных ситуациях и делать обоснованные суждения, которые должны учитывать влияние инженерных решений в глобальном, экономическом, экологическом и социальном контекстах

Фактически, эти критерии ABET признают, что инженерия действительно многодисциплинарна.Инженерное дело не просто задействует наши научные знания о физическом мире; это также вовлекает социальную и культурную осведомленность о мире, в котором живут инженеры (и возможные потребители их работы).

К сожалению, потребность в социальном и научном диалоге в области технологических инноваций не удовлетворяется с помощью курсовых работ в большинстве колледжей и университетов. В отчете за 2014 год, опубликованном Американской академией искусств и наук, было обнаружено, что гуманитарные дисциплины и специальности STEM в основном находятся в разных отделениях на протяжении их образовательного пути.Это препятствие для решения проблем, требующих работы с людьми из других дисциплин, а также признания важности различного опыта в отдельных дисциплинах. Предыдущие исследования показали, что обсуждение тематических исследований того, как технические продукты влияют на людей в их повседневной жизни, является одним из продемонстрированных способов соответствовать критерию ABET «понять влияние инженерных решений в мире». . . социальный контекст ». Более того, существующие исследования демонстрируют, что преподавание науки через призму социального контекста и проблем способствует более глубокому пониманию студентами технических решений, а также более междисциплинарной и проблемно-ориентированной концепции научного исследования.

Влияние материалов на общество

Этот учебник предназначен для обучения на курсах для студентов-первокурсников, созданных преподавателями Университета Флориды при поддержке Общества исследования материалов, Министерства обороны и Национального научного фонда. Курс исследует открытие, разработку и использование материалов с течением времени, чтобы извлечь уроки из прошлого, которые могут направлять инновации в области материаловедения в будущем. Этот учебник, разработанный группой инженеров-материаловедов и ученых-гуманитариев, работает на стыке материальной культуры и материаловедения и предназначен для студентов, изучающих инженерные и гуманитарные науки.Рассказы в этом учебнике могут также сопровождать ряд академических инициатив, включая курсовые работы в средней школе, музейные экспонаты и программы обучения на протяжении всей жизни.

Если цель этих авторов состоит в том, чтобы создать учебный диалог между гуманитарными социальными науками и инженерией, почему для начала нужно выбрать территорию MSE? Проще говоря, все в нашей жизни сделано из материала. MSE, возможно, является наиболее распространенной формой инженерии, с которой мы сталкиваемся ежедневно. Мы даже назвали общественные эпохи по материалам (например,ж., каменный век, железный век и т. д.). Кроме того, основные свойства материалов (например, пластичность, температура плавления, плотность) интуитивно понятны и не требуют продвинутых знаний в области математики, химии или физики. Артефакты, которые мы создаем из материалов — от небоскребов до кварталов и микрочипов — превращаются в культурную валюту в нашем мире. Написав в 1958 году о досадном недоверии между наукой и гуманитарными науками, британский ботаник сэр Эрик Эшби отметил, что технология может быть «цементом между наукой и гуманизмом», потому что технология связана не с наукой как таковой, а скорее с «применением науки к потребности общества.”

Область

MSE выросла из нашего желания делать вещи, которые улучшают нашу жизнь; Всегда был интерес к тому, что мы используем для изготовления этих вещей. От манипулирования материалами, существующими в природе, такими как дерево, кость, камень и глина, до создания новых материалов путем плавления металлов или обжига глины для создания керамики, цивилизация развивалась вместе с нашей способностью манипулировать материалами. На протяжении тысячелетий люди учились методом проб и ошибок, как манипулировать существующими материалами, чтобы создавать новые материалы с новыми свойствами.Они передали эти знания из поколения в поколение. В некоторых случаях алхимики, пытающиеся создать золото, открывали новые материалы. По мере развития науки химии мы начали создавать полностью синтетические материалы, такие как полимеры, и в конечном итоге мы разработали инструменты для исследования микроструктуры. Это привело к способности соотносить, как обработка материала влияет на его структуру и как это, в свою очередь, влияет на свойства этого материала. Понимание того, как эта взаимосвязь повлияла на исполнение материала, привело к рождению дисциплины MSE в середине двадцатого века.Благодаря сочетанию более ранних областей, таких как керамика и металлургия, с MSE, наше понимание материалов продолжает быстро развиваться с новыми инновациями, возникающими на стыке изучения различных материалов.

Рис. 1.1. Инженерный взгляд на материалы тетраэдра.

Но было бы глупо заканчивать обсуждение свойств материала на том, что можно различить физически. В конце концов, инновации в материалах не происходят на пустом месте. Сами материалы захвачены социальными режимами власти и ценности.Алмаз может быть «лучшим другом девушки», как когда-то напевали Кэрол Ченнинг и Мэрилин Монро, но алмазы также добывали дети, продавали для финансирования войн или использовали для создания тонких пленок с высокой проводимостью, которые потенциально могут применяться в микроэлектронике. Материал также имеет срок службы, который начинается с момента его добычи или синтеза и производства и продолжается до его переработки или утилизации; на каждом этапе он связан с сетью людей, технологий и других материалов. Материал может иметь социальные свойства, такие как здоровье, воздействие на окружающую среду, экономическую ценность и социальный статус.И, как показано в главе, посвященной пластику, материал может иметь разное значение для разных людей. Это исследование того, как люди воображают, изготавливают, понимают и используют то, что им нужно, в сообществе с другими, является основной областью гуманитарных и гуманитарных социальных наук. Эта социокультурная грамотность может иметь такое же значение для инженерных инноваций, как и техническая грамотность.

Рисунок 1.2 Социокультурный взгляд на материалы тетраэдра.

При создании этого учебника мы были вдохновлены другими текстами, исследующими продукты материаловедения, используемые в мире, такими как The Substance of Civilization (1998) и Stuff Matters (2014), оба написанные инженерами-материаловедами .Однако, сфокусировавшись на социокультурных ценностях, определяющих использование нами материалов, этот учебник больше вдохновлен Социальная жизнь материалов (2015). Его дух сотрудничества перекликается с более ранней антологией, изданной факультетом инженерии и классики Университета Флориды под названием Engineering and Humanities (1982), которая представляет собой попытку поделиться уроками гуманитарных наук с инженерами, чтобы побудить их увлекаться двусмысленностью и сложностью, а не простые решения.Мы также обязаны работать в междисциплинарной области исследований науки и технологий, которая объединяет изучение научных практик с изучением использования и социального воздействия технологических артефактов.

Эта книга уникальна тем, что она явно направлена ​​на создание социальных концепций из различных гуманитарных (и гуманистических социальных наук) дисциплин, которые создают способы изучения материалов с разных точек зрения. Эта книга не «гуманитарные науки для инженеров» или «инженерные науки для гуманитарных наук»; скорее, это попытка показать, как гуманисты и инженеры могут улучшить междисциплинарные коммуникации с помощью инноваций, предоставляемых материалами.В главах исследуется социальный контекст проблем, которые материалисты призваны решать, а также социально-политические и материальные последствия их решений, многие из которых являются непреднамеренными. Таким образом, он создает годную к использованию историю или извлекает уроки из гуманитарных наук, которые могут направлять разработку будущих инженерных решений и предвидеть их социальные последствия, что позволяет нам подготовиться к ним вдумчиво и целенаправленно. Делясь уроками из множества различных дисциплин для изучения материалов, этот текст дает учащимся инструменты для объединения фундаментальных концепций и методологий, которые они изучают в рамках учебной программы, для решения будущих задач.

Заявления о постоянных знаниях

В совокупности эти главы представляют собой тематические исследования, подтверждающие пять важных идей, необходимых для понимания и прогнозирования воздействия материалов на общество. Мы называем их «Постоянными заявлениями о знаниях»:

1. Материалы формируют человеческий опыт, и наоборот. Так же, как технологии, созданные благодаря открытию и использованию новых материалов, расширили возможности для человеческой деятельности, материалы сами по себе зависят от людей, чтобы создавать и поддерживать их.(Поскольку мы создаем вещи, вещи создают нас.) Все чаще это становится буквально, поскольку материалы расширяют наши тела с помощью тканевой инженерии, полимерных каркасов и даже наноматериалов для всего, от доставки лекарств до сенсорного увеличения. Эти отношения взаимозависимости между материалами и обществом далее развиваются с помощью принципа «запутывания», обсуждаемого в главе о глине.
2. Материалами можно манипулировать для решения технических и социокультурных проблем. Материаловеды и инженеры играли важную роль в цивилизациях на протяжении всей истории человечества, даже если они не всегда выглядели как современные инженеры в белых халатах или «костюмах кроликов». Решая технические проблемы, такие как строительство экологически безопасных укрытий, создание надежных инструментов и контроль материи в наномасштабе, инженеры-материаловеды также разрабатывают технологии, которые используются для удовлетворения основных потребностей человека в жилье, еде, здравоохранении, безопасности и общении на всей территории. Мир.В результате MSE принимает непосредственное участие в решении социальных, культурных, экономических, политических и этических проблем, а также технических проблем.
3. Материалы обладают внутренними физическими свойствами, только некоторые из которых выбраны как более подходящие для формирования общества на основе культурных перспектив. Использование материала может измениться. Важно развеять представление инженеров о том, что «если мы построим это, они придут». История инженерии материалов изобилует примерами открытий и изобретений, которые так и не были приняты обществом, потому что не соответствовали социальным потребностям и культурным ценностям их общества.(В главах, посвященных алюминию и полимерам в этом учебнике, рассказывается две такие истории.) Более того, инженеры сами являются членами общества, в котором они работают, и неизбежно придерживаются некоторых культурных предубеждений и социальных представлений своих коллег, не относящихся к инженерии. Эти предположения могут формировать способы, которыми инженеры решают манипулировать материалами в определенное время и в определенном месте. Инженеры должны понимать, как социальные и культурные силы влияют на их собственную работу и восприятие своих изобретений, чтобы мыслить широко и творчески.
4. Воздействие материалов на общество зависит от культурного и исторического контекста . Высшее образование имеет тенденцию учить тому же набору ценностей, которые разделяет научное сообщество; люди, которые не согласны с наукой, особенно по религиозным мотивам, не расходятся во мнениях относительно фактов, они не согласны с ценностями, лежащими в основе определенных научных утверждений. В этом контексте материальные воздействия могут быть отрицательными.
5. Понимание воздействия материалов на общество требует разнообразных подходов в гуманитарных, социальных и естественных науках. Как уже очевидно, влияние материалов на общество можно понять, только изучив множество пересечений материалов и их свойств, технологий, которые они позволили, социальных потребностей и культурных ценностей. Важно не только посмотреть, что мы делаем с технологиями, основанными на материалах, но также и то, как наше собственное мышление формирует то, как мы делаем, а не решаем манипулировать этими материалами в первую очередь. Применяя этот целостный подход к пониманию материалов в нашем мире, мы также можем объединить опыт из разных дисциплин для создания более устойчивых технологий.Например, мы можем сделать более эффективные солнечные элементы с использованием кадмия, но если мы с самого начала рассмотрим негативные последствия, связанные с токсичностью кадмия, мы можем настоять на создании элементов из альтернативного материала и внедрять инновации в этом направлении. Широкое мышление гарантирует, что мы не создадим чего-то с негативными социальными последствиями.

Этот подход с углубленным изучением конкретных случаев к изучению материалов в прошлых обществах также поднимает несколько других тем для изучения в этих главах.Например, исторический взгляд на материалы поднимает вопрос о том, что материалы имеют временный характер: одни служат дольше, чем другие. Хотим ли мы планировать устаревание материалов, когда мы впервые создаем и начинаем их использовать? Все больше и больше мы применяем подход «от колыбели до колыбели» в жизненном цикле материала, что означает, что мы уходим от подхода, основанного на использовании и выбрасывании. Возьмем другой пример: история говорит нам, что инновации в материалах часто происходят из непредсказуемых мест, и что современные исследователи все еще могут многое узнать из того, как раньше люди манипулировали и использовали материалы (например, римский бетон).В главах, посвященных стали и пластмассам, также отмечается недооценка роли некоторых предпринимателей и их домашних экспериментов. Наконец, гуманистическое исследование может указать на важные проблемы, связанные с использованием материалов. Наше применение открытий материалов для социальных нужд редко, если вообще когда-либо, бывает нейтральным. Материалы могут использоваться таким образом, чтобы усилить неравенство по признаку класса, пола, расы и способностей, а также дисбаланс сил между обществами. Материалы также могут быть использованы таким образом, чтобы препятствовать здоровью и безопасности определенных сообществ, участвующих в их производстве и потреблении.Однако вместо того, чтобы рассматривать гуманитарные науки как критику наук, мы должны помнить, что скептицизм сам по себе является частью научного процесса.

Краткое содержание глав учебника

Этот учебник разработан для использования в рамках учебной программы «Влияние материалов на общество», размещенной на веб-сайтах LibraryPress @ UF и Общества исследования материалов. Учебная программа состоит из еженедельных модулей, в которых исследуются различные материалы и их влияние на общество, от предыстории человечества до будущего.Каждую неделю обсуждаются разные материалы или классы материалов. Он начинается с вводного урока относительно свойств материала, обработки и структуры материала с точки зрения MSE, за которым следует исторический пример этого материала, который знакомит с социальным принципом, видео о будущих материальных инновациях и, наконец, упражнение, которое связывает изучение прошлого и его социального принципа с материалом будущего.

Каждая из этих глав представляет собой обзор социального использования определенного материала.Некоторые главы посвящены определенному месту и времени в истории человечества, например Америке 1960-х годов, неолитическому поселению Чатал-Хююк или Древнему Риму. В других главах межкультурное сравнение используется для изучения влияния материалов за пределы отдельных обществ, таких как развитие межобщественных торговых сетей, начатых с помощью бронзы, или способы, которыми письменные принадлежности способствовали различным формам политической власти в древности и средневековье. , и досовременные общества. В дополнение к формулированию способов, которыми этот материал был полезен обществу в определенные моменты времени, каждая глава также дает урок о влиянии социальных и культурных систем на разработку материалов.Взятые вместе, эти социальные уроки (например, запутанность, творческое разрушение и т. Д.) Предоставляют будущим исследователям и ученым инструментарий для более целенаправленной разработки материалов с целью удовлетворения человеческих потребностей, прогнозирования и предотвращения связанных ловушек и оценки роли совместных исследований в инновациях. будущие материалы.

Эта книга никоим образом не является исчерпывающим из уроков, которые можно извлечь из истории материалов и из многих дисциплин, составляющих гуманитарные и социальные науки, для изучения воздействия материалов на общество.В текущих главах мы извлекаем уроки из культур всего мира, уделяя особое внимание истории обществ в современной Европе и Северной Америке. Это живой учебник, который предлагает разнообразный вклад представителей всех человеческих культур. Мы надеемся, что модульный шаблон этих глав вдохновит других преподавателей гуманитарных наук на сотрудничество с материаловедами и инженерами, чтобы расширить и добавить в этот открытый учебник дальнейшие тематические исследования со всех уголков земного шара.

Также важно обсудить организацию этого учебника.Конечно, наши читатели будут знакомы с обычной практикой применения хронологического порядка к использованию материалов человеком (например, переход от «эпохи» камня к бронзе и кремнию). Однако более поздние исследования показали, что эта структура является инструментом колониализма в том смысле, что она стремится отдать предпочтение использованию одних материалов как более совершенных, чем другие. Это также означает, что использование одних материалов заменяет другие, что неверно. В конце концов, в наш нынешний «кремний век» мы все еще создаем каменные надгробия.Использование одних материалов больше подходит для определенных условий, чем для других. Сегодня коренное общество может обнаружить, что каменные орудия полностью подходят для их использования; это не означает, что их общество как-то застряло в прошлом. Материалы не следуют исторической хронологии. Таким образом, хотя исторические тематические исследования, представленные в этом учебнике, в общих чертах следуют хронологическому порядку, каждая глава стоит отдельно, а главы можно читать в разном порядке или адаптировать по мере необходимости, чтобы узнать о прошлом и текущем влиянии различных материалов.

Хотя в этом учебнике делается попытка отказаться от идеи хронологического, последовательного порядка использования материалов во времени, тематическое исследование, сосредоточенное в каждой главе на разном материале в разные моменты истории человечества, подчеркивает еще одну важную тему в этом учебнике: материалы, которые мы можем пренебречь или считать, что обычное сегодня имеет серьезные многогранные последствия, которые продолжают ощущаться в современных обществах. Например, хотя большинство наших читателей знакомы с более известными «революциями», такими как «неолитическая революция», которая положила начало переходу обществ охотников-собирателей к сельскому хозяйству, «Промышленная революция» и роль железа и стали , «Информационная революция» и роль кремния, есть менее известные, но не менее значимые революции, которые мы должны рассматривать наряду с ними.В других главах рассматриваются «почвенная революция», «бетонная революция» и «полимерная революция».

«Глина: запутывание земли в эпоху глины» Сьюзан Гиллеспи знакомит нас с широко распространенным социальным значением глины, фактически «стали древнего человека». В археологическом исследовании Чатал-Хююк, важного поселения эпохи неолита (7500 г. до н.э. — 5700 г. до н.э.) в Месопотамии и современной Турции, Гиллеспи раскрывает множество способов, которыми люди в то время зависели от глины в качестве жилья, пищи, общества и семьи. личность.Изучая эти зависимости, мы видим, что глина также зависит от людей, которые манипулируют ею, укрепляют ее и добывают ее. Гиллеспи вводит основополагающее понятие «запутанность» (первоначально придуманное антропологом Яном Ходдером) как способ понимания взаимозависимых отношений между людьми и материалами, которые определяют то, как мы избирательно используем материалы. Концепция запутанности также иллюстрирует, как люди настолько привыкают к определенному материалу, что использование альтернативных материалов является сложной задачей.

«Керамика: обжигающая глина и отслаивающийся камень» Кена Сассамана основывается на этой земляной работе для изучения ранней керамики, включая стеклоподобные камни, такие как обсидиан и кремень. Эти адаптируемые материалы можно использовать по-разному. Глядя на трансформации керамики, произошедшие в результате человеческих преобразований примерно 10 000–13 000 лет назад, Сассаман исследует, как древние люди развили эволюционные навыки для управления материалами с все большей и большей точностью. Сосредоточившись на конкретном примере острия копья, Сассаман вводит антропологическую концепцию «операционной последовательности», чтобы изучить, как способы взаимодействия людей с материалами раскрывают новые потенциальные возможности использования этих материалов, даже если они ограничивают другие применения.Кроме того, сравнивая энергию, используемую для производства материалов, с энергией, которую они могут генерировать, в этой главе предлагаются пути, с помощью которых керамика будущего может привести к более энергоэффективному миру.

«Бетон: инженерное общество через социальные пространства» Мэри Энн Иверли знакомит нас с малоизвестной «бетонной революцией» посредством более глубокого изучения древнего Рима (800 г. до н.э. — 400 г. н.э.). Дополняя обсуждение Гиллеспи возведения стен в Месопотамии, Эверли исследует, как в качестве первого конструкционного материала, созданного человеком, древние римляне использовали бетон для создания монументальных общественных пространств, таких как Колизей, общественные бани и большое количество акведуков, протянувшихся через Рим Империя.Но, как описывает Иаверли, способы, которыми римляне использовали этот материал, напрямую подкрепляли и отражали их представления о социальном статусе и имперской власти. Сравнивая культурные ценности древнеримских лидеров с общественными идеями сегодня, Эверли просит нас подумать о том, как наши собственные ограниченные культурные перспективы могут повлиять на то, как мы думаем об использовании материальных достижений в будущем.

«Медь и бронза: далеко идущие последствия металлургии» Флорина Курта представляет собой уникальный взгляд на материалы и сплавы, которые положили начало так называемому «бронзовому веку» (3000–1000 гг. До н. Э.).Ученые обычно приписывают значительные социальные преобразования, часто связанные с этим временем — в сельском хозяйстве, милитаризации и обучении — технологическим инновациям, связанным с плавкой и литьем. В самом деле, мы могли бы назвать медь и бронзу первыми материалами, очищенными людьми. Однако Курта также подчеркивает важную роль торговой и политической сложности, которая породила металлургию. Таким образом, Курта демонстрирует, что развитие материалов связано как с развитием опыта первых инженеров и распространением их ноу-хау, так и с доступностью самих материалов.

«Золото и серебро: драгоценные металлы и чеканка», тоже Флорина Курта, исследует первое использование драгоценных металлов для создания широко распространенных систем обмена внутри и между обществами. Изучая развитие валютных систем в сложных обществах по всему миру, Курта объясняет, как уникальные материальные свойства золота и серебра способствовали развитию систем чеканки, которые граждане доверяли сохранению ценности. Чтобы объяснить, как общество может придавать особую ценность материалу, Курта вводит важное различие между внутренней и внешней ценностью или ценностью самого металла по сравнению с ценностью, которую мы придаем металлу, вставляя его в политическую, экономическую или внешнюю ценность. социальная система.Таким образом, в этой главе показано, как общества могут буквально взять что-то, сделанное из одного металла (например, никеля), и дать ему такую ​​же ценность, как золото.

«Железо и сталь: Карнеги, созидательное разрушение и американская сталь» Шона Адамса исследует промышленные революции, которые стали возможными благодаря значительным достижениям в обработке железа и стали в Соединенных Штатах 19 века. В отличие от предыдущих глав, в которых рассматривался широкомасштабный контекст инноваций в материалах, в этой главе мы сосредоточим наше внимание на важной роли отдельных людей в стимулировании этих инноваций.В частности, Адамс знакомит нас с агрессивной моделью предпринимательства Эндрю Карнеги, которая реорганизовала заводы, цепочки поставок и рыночные отношения для создания одной из крупнейших американских компаний того времени: Carnegie Steel. Адамс также вводит понятие «творческое разрушение», чтобы показать обоюдоострый меч новаторства в материалах; Создание одной материально-социальной системы может привести к разрушению другой с соответствующими последствиями для рабочих и конкуренции.В этой главе нам предлагается подумать, как будущие создания материалов могут распознавать отрасли, которые они могут разрушать, и избегать социальных и экономических ловушек.

«Алюминий: рождение Alcoa и антимонопольное законодательство», также написанное Шоном Адамсом, рассказывает еще одну историю Америки XIX и XX веков, на этот раз алюминия. Алюминий, металл, полученный благодаря электричеству, был современным материалом, который находил применение. По мере того как одна американская компания, Alcoa, постепенно открывала рыночные применения алюминия, она также увеличивалась в размерах и объемах, чтобы контролировать большую часть мировых поставок алюминия.Это уникальное тематическое исследование, позволяющее понять федеральную политику в отношении вопросов антимонопольного законодательства и конкуренции на рынке, и предлагает читателям задуматься о том, вредны ли монополии на материалы для общества. Поскольку будущие исследования материалов и манипуляции с ними создадут больше материалов без немедленного применения, этот вопрос важно решить, чтобы подготовить эффективную бизнес-среду.

«Пластмассы: фантастические пластмассы в послевоенной Америке и маркетинг материалов» Марши Брайант исследует современную «полимерную революцию» в послевоенной Америке середины 20-го века.Как синтетические полимеры, производимые в современных исследовательских лабораториях, пластмассы оставили неизгладимый след в популярной потребительской культуре. Брайант описывает историю изобретения Эрлом Таппером Poly-T, гениального и гибкого нового материала, который стал популярным только благодаря гению маркетинга Brownie Wise. Основываясь на других главах, которые демонстрируют, как культурные системы формируют наше восприятие потенциального применения материалов, Брайант вводит идею маркетинга материалов, чтобы показать, как материалы приобретают (и могут придавать) определенные значения, которые формируют способы их публикации и использования.Как и в случае с историей Эндрю Карнеги, в этой главе также подчеркивается, что материал не просто создается его создателями; его социокультурное влияние во многом определяется посредниками и предпринимателями, и такие факторы, как эстетика, часто имеют решающее значение для его успеха.

«Письменные материалы: политика и сохранение знаний» Бонни Эффрос рассматривает различные письменные материалы, включая папирус, пергамент и бумагу, из Древнего Египта в 2500 г. до н.э. до средневековой Европы в 1400 г.Вместе письменные материалы играют важную роль в формировании моделей человеческого познания и построении сообществ людей. Но материальные свойства и срок годности этих «носителей информации» подходили для различных социальных целей, начиная от правительственных отчетов и заканчивая библейскими исследованиями, обменом информацией и построением сообществ среди первых национальных государств. Эти материалы также показывают, как способы, которыми общества хранят информацию и обмениваются ею, могут укрепить иерархию богатства и привилегий.Применяя этот урок к цифровой эпохе, Эффрос просит нас критически подумать о том, действительно ли будущие экспансивные материалы для массового хранения информации действительно демократизируют наши общества или усугубят наши различия.

Мы надеемся, что наши читатели также заметят, как много обсуждений материалов и их влияния охватывают главы. Например, те, кто интересуется социальным воздействием строительных материалов, найдут большой интерес в главах о глине, бетоне и стали.(Действительно, даже применение материалов в таких нишах, как кровля стадиона, обсуждается как в главах, посвященных бетону, так и по пластику.) Тем, кто интересуется искусством и памятными событиями, будет интересно изучить различные материалы, которые мы использовали для самовыражения и что мы выступаем за общество, от использования бетона для возведения монументальных сооружений, прославляющих Римскую империю, до использования правительством США совершенно нового алюминия для возведения монумента Вашингтона, символизирующего новаторство страны.

Сравнение этих тематических исследований также показывает некоторые более важные уроки о социальной роли материалов. Например, хотя глина в Чатал-Хююке и пластмасса в современной Америке кажутся совершенно разными мирами, оба материала использовались таким образом, чтобы усилить гендерное разделение труда в доме и для него. Кроме того, эти главы показывают важность рассмотрения множества посредников, участвующих в отношениях между материалами и обществом: тех, кто добывает, обрабатывает, транспортирует, продает и даже регулирует материаловедение и промышленность.И читатели, заинтересованные в том, чтобы узнать больше о том, как происходят технологические инновации, могут обратить особое внимание на обсуждение экономии на масштабе в главах, посвященных материалам для письма, стали и алюминию. Хотя стальная глава предлагает более отрезвляющее замечание о возможности замены людей машинами, уроки созидательного разрушения побуждают нас предвидеть и решать эту проблему.

Взятые вместе, статьи в этом томе и те, которые могут быть добавлены в будущем, нацелены на то, чтобы показать, как необходимы знания в нескольких дисциплинах для создания надежных и эффективных инженерных кадров.Мы надеемся, что эти тематические исследования не только научат наших читателей фактам о прошлом и настоящем, но и породят вопросы, которые мы должны задать нашим обществам, инженерным и технологическим отраслям, смотрящим в будущее. Мы должны обсудить мир, в котором мы хотим жить, и представить, как новые материалы позволят нам создавать технологии, которые населяют это будущее. Для этого нам нужно отойти от нашего мнения о материалах, к пониманию фактов их развития и ценностей обществ, которые их принимают.Так же, как материалы влияют на общества, общества определяют то, как материалы используются. Только понимая все физические, культурные и социальные элементы, составляющие общество, мы можем действовать осознанно.

Влияние новых материалов и технологий на современный архитектурный дизайн и роль продвижения

[1] Ван лан.Строительные материалы в практике архитектурного проектирования [J]. Журнал менеджеров. 2010 (23).

[2] Чжан песня. О применении энергосберегающих материалов в нашем архитектурном дизайне [J].Ценностная инженерия, 2010 (12).

[3] Чжун шаньбинь. Обсуждение архитектурного дизайна экологической концепции и технологической стратегии [J].Китайские инженеры-консультанты. 2006 (01).

[4] Чжан цзю. Применение новых технологий в интеллектуальном здании [J].Новые технологии и новые продукты в Китае. 2010 (02).

[5] Хуан шишуан. Экологическое строительство и экологическое строительство [J].Информация о науке и технологиях.