|
Реферат: Материалы для полов (Технология)
Содержание
Введение
1. Паркет
1. Штучный паркет
2. Мозаичный паркет
3. Паркетные щиты
4. Художественный паркет
2. Полимерные покрытия для пола
2.1 Полимерные рулонные материалы
2.2 Линолеум поливинилхлоридный
2.3 Линолеум алкидный
2.4 Линолеум поливинилхлоридный на теплозвукоизолирующей подоснове
2.5 Плитки поливинилхлоридные
2.6 Полимерные полы
3. Мастики и битумы
3.1 Мастики кровельные и гидроизоляционные
3.2 Битумные мастики
3.3 Мастики на полимерных и других связующих
Список использованной литературы
Введение.
Древесина находит широкое применение в различных отраслях народного
хозяйства, а также в быту для изготовления мебели, художественных изделий,
сувениров, игрушек, предметов обихода. Она используется в виде круглых
сортиментов, пиломатериалов (бревна, брусья, доски, шпалы и др.), шпона и
фанеры, древесноволокнистых, древесностружечных и столярных плит.
Широко используют древесину в строительстве для изготовления дверей,
окон и, конечно же, полов и паркета. Из нее делают элементы мостов, судов,
кузовов, вагонов, тару, спортивный инвентарь, спички, карандаши,
музыкальные инструменты. Натуральную или модифицированную древесину
применяют в машиностроении.
При химической переработке древесины получают целлюлозу, кормовые
дрожжи, корд (для шинной промышленности), вискозное волокно, фурфурол (для
производства пластмасс, синтетических волокон типа нейлон и др), мех, кожу,
бумагу, спирт, фото- и кинопленку, скипидар, канифоль и др.
Широкому использованию древесины способствуют ее высокие физико-
механические качества, хорошая обрабатываемость, а также эффективные
способы изменения отдельных свойств древесины путем химической и
механической обработки.
В данной работе мы представим только один аспект использования этого
ценного, удобного и практичного строительного материала – изготовление
полов, для которого пользуются различные виды паркета и паркетных досок:
штучный, мозаичный паркет, художественный паркет и паркетные щиты.
Помимо этого в работе уделяется большое место рассмотрению полимерных
материалов, использующихся в устройстве половых покрытий: линолеум
поливинилхлоридный и алкидный, иные полимерные материалы, мастики и битумы.
1. Паркет
1.1 Штучный паркет (ГОСТ 862.1—85) предназначен для устройства полов в
соответствующих помещениях жилых, общественных, а также вспомогательных
зданий промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Штучным паркетом
или паркетной планкой называют деталь из массивной древесины с взаимно
параллельными фрезерованными пластями и профилированными кромками, с
помощью которых ее соединяют с такими же соседними планками при устройстве
паркетного покрытия пола.
Срок службы паркетного покрытия определяется слоем износа, который
измеряется от лицевой стороны планки до верхней части гребня или 'паза. В
штучном паркете он равен 7—10 мм.
Толщина и ширина гребня планки равна 4 мм, высота паза— 4 мм, а глубина
— 5 мм, толщина планки—15—18 мм, ширина — от 30 до 90 мм с градацией через
5 мм, длина от 150 до 500 мм с градацией через 50 мм.
Планки в зависимости от профиля кромок подразделяют на типы: П1 —
планки с гребнями и пазами на противоположных кромках и торцах; П2 — планки
с гребнем на одной кромке и пазами на другой кромке в торцах (рис. 22).
Планки типа П] изготовляют правыми и левыми в равных количествах.
В зависимости от уровня качества, породы древесины и обработки планки
подразделяют на марки А и Б. Планки марки А следует изготовлять из
древесины дуба и тропических пород. Планки марки Б изготовляют из древесины
дуба, бука, ясеня, остролистного клена, бересты (карагача), вяза, ильма,
каштана, граба, гледичии, белой акации, березы, сосны, лиственницы, а также
тропических пород и модифицированной древесины.
Нормы ограничения пороков древесины в планках указаны в ГОСТ 862.1—85.
Влажность древесины планок должна быть (9±3)%.
Штучный паркет, скомплектованный на квартиру, этаж или секцию каждого
дома, поставляется на строительство в пакетах массой до 40 кг. Его
укладывают на холодной мастике следующим образом. Вначале очищают и
выравнивают поверхность основания, грунтуют его, после чего производят
разбивку пола в помещении и разметку осей. Затем наносят мастику и
разравнивают ее зубчатым шпателем до толщины 1 мм, укладывают паркет на
мастику, подгоняют и обрезают ряды у стен, убирают помещение после укладки
паркета, шлифуют полы (после высыхания мастики), устанавливают плинтусы,
галтели, натирают полы.
Полы из штучного паркета имеют различный рисунок, который зависит от
порядка набора планок, их размера, цвета, текстуры. В каждом помещении надо
укладывать паркет из древесины одной породы, одного рисунка и
преимущественно одного размера. Паркет разного цвета и размера можно
применять только для образования специального рисунка. Штучный .паркет
укладывают в прямой ряд, в елку с фризом и без него.
1.2 Мозаичный паркет (ГОСТ 862.2—85) предназначен для укладки
паркетного покрытия пола в жилых зданиях/ По способу фиксации паркетных
планок для образования ковра их подразделяют на типы: П)—планки наклеены
лицевой стороной на бумагу, которая снимается вместе с клеевым слоем после
настила паркета на основание пола; П? — планки наклеены оборотной стороной
на какой-либо эластичный (тепло-, звукоизоляционный) биостойкий материал,
который остается в конструкции после настила паркета.
Требования к паркету марки А установлены на уровне высшей категории
качества, к паркету марки Б — на уровне первой категории качества. Планки
паркета изготовляют из тех же пород древесины, что и штучного паркета.
Влажность древесины паркетных планок должна быть (9±3)%. Шероховатость
поверхности Rm max должна быть не более 100 мкм на пластах и торцах, 250
мкм на продольных кромках.
Паркетные доски (ГОСТ 862.3—86) предназначены для устройства
полов в жилых зданиях. В зависимости от конструкции основания паркетные
доски подразделяют на типы: ПД1 с однослойным основанием из реек, набранных
в квадраты или прямоугольники, расположенные взаимно перпендикулярно. По
продольным кромкам основание обклеено рейками-обвязками; ПД2 — с
однослойным основанием из реек, набранных в направлении продольной оси
паркетной доски; ПД3 — с двуслойным основанием из двух склеенных слоев реек
либо реек и шпона, уложенных во взаимно перпендикулярном направлении (рис.
25).
Паркетные доски состоят из паркетных планок, которые наклеены с
определенным рисунком на основание (рис. 26)./ На кромках и торцах должны
быть пазы и гребни для соединения паркетных досок между собой. В основании
паркетной доски типов ПД1 и ПД2 должны быть пропилы. В зависимости от
породы и пороков древесины планок лицевые покрытия паркетной доски
подразделяются на марки А и Б.
Доски изготовляют толщиной 15—27 мм, планки — 4—8 мм; длина
доски—1200—3000 мм, ширина — 137—200 мм, ширина планок —20— 70 мм.
Технические требования на паркетные доски указаны в ГОСТ 862.3-86.
1.3 Паркетные щиты (ГОСТ 862.4—87) предназначены для устройства полов в
жилых и общественных зданиях.
В зависимости от лицевого покрытия паркетные щиты подразделяются и
обозначаются условно: П — облицованные паркетными планками; Ш —
облицованные квадратами строганого и лущеного шпона; Ф — облицованные
квадратами фанерной облицовочной плиты.
Паркетный щит состоит из паркетных планок, квадратов шпона или фанерной
облицованной плиты, которые наклеены с определенным рисунком на
основание.
В зависимости от конструкции основания паркетные щиты подразделяются на
типы: ПЩ1 — с рамочным основанием в виде обвязки, угловым шиповым
соединением, которое должно быть выполнено на клею и реек заполнения рамки,
закрепленных в пазах брусков обвязки на прямой несквозной шип; рамочная
обвязка может быть со средним бруском или без него; ПЩ2 — с реечным
основанием, облицованным с двух сторон лущеным шпоном; ПЩз — с основанием
из ДСтП марки П-3, облицованной с двух сторон лущеным шпоном или с
основанием из цементно-стружечнои плиты (ГОСТ 26816—86).
Форма и размеры щитов и деталей должны соответствовать размерам,
указанным в таблице 1.
В качестве эластичного материала могут применяться битумированные ДВП,
плиты из резиновой крошки и т. п.
В зависимости от категории качества, породы древесины и обработки
планок паркет различают марки А и Б.
Таблица 1 Размеры щитов и деталей, мм
|Изделия и детали |Наименование параметра |Номинальные размеры |
|Щит |Толщина |40; 32; 28; 25; 22 |
| |Ширина х длину (В х L) |400 х 400; 500 х 500; |
| | |600 х 600; 800 х 800 |
|Паркетные планки |Толщина: | |
| |хвойных пород |6,8 |
| |березы |4,6 |
| |Ширина |От 20 до 50 |
| |Длина |От 100 до 400 |
|Квадраты шпона |Толщина |Не менее 4 |
| |Ширина и длина |От 100 до 400 |
|Квадраты фанерной |Толщина |Не менее 4 |
|облицовочной | | |
|плиты | | |
| |Длина (ширина) |От 100 до 400 |
Основная форма ковра паркета — квадрат, но может быть и прямоугольник.
Паркетный ковер собирают из элементарных квадратов, укладываемых в
шахматном порядке, но допускаются и другие варианты расположения планок.
Форма и размеры паркета и его элементов указаны в таблице 2.
Таблица 2 Размеры паркета, мм
|Элементы |Наименование |Номинальные |Предельные |
|мозаичного |параметра |размеры |отклонения |
|паркета | | | |
|Планки |Толщина Ширина|8(10) |±0,2 |
| |Длина |20; 24; 26; 30 | |
| | | | |
| | |100; 120; 130; | |
| | | | |
| | |150; 160; 200 | |
|Элементарный |Ширина |100; 120; 130; |±0,2 |
|квадрат | | | |
| | |150; 160; 200 | |
|Ковер |Длина х ширину|400X400 480X480|±0,4 |
| |(L X В) |520X520 600X600|±0,5 |
| | | |±0,6 |
| | |650Х 650 |±0,8 |
| | | |±0,8 |
Технические требования на паркетные щиты указаны в ГОСТ 862.4-87.
1.4 Художественный паркет — это щитовой паркет, имеющий квадратную или
прямоугольную форму. В качестве основы используется рамка из брусков
древесины хвойных пород толщиной 55—65 и шириной НО мм. Покрытия делают из
древесины ценных пород, главным образом лиственных, используя водостойкие
клеи. Из отечественных пород, кроме применяемых для обычного паркета,
используют древесину ореха, груши, яблони, ольхи, можжевельника, мореного
дуба, тиса, чинары, самшита, кипариса.
Для создания красивых рисунков применяют инкрустации из черного
эбенового дерева, красного махагони, розового амаранта, лимонного дерева,
пальмы и др.
По композиции рисунки покрытия могут быть геометрическими с постоянным
повторением одного и того же элемента или фигуры и живописными — с
неповторяющимися криволинейными причудливыми узорами чаще всего
растительного орнамента.
Размеры щитов художественного паркета зависят от размеров
помещения. Наиболее распространенными являются квадратные щиты размерами
1420X1420, 1200X1200, 800x800 мм. Эти размеры обычно бывают кратными
площади пола помещения, в котором они должны укладываться.
2. Полимерные покрытия для пола
2.1 Полимерные рулонные материалы и плиточные изделия для покрытия
полов классифицируют по основному сырью, структуре, форме и внешнему виду
(ГОСТ 1724—71). Наибольшее количество типов линолеума изготовляют с
применением поливинилхлорида как основного связующего линолеумной массы.
Поливинилхлоридные линолеумы выпускают одно- и многослойными. Все виды
поливинилхлоридного линолеума могут иметь еще добавочный верхний слой,
представляющий собой прозрачную тонкую поливинилхлоридную пленку с
напечатанным на ней одноцветным рисунком. Такие рисунки могут быть
мраморовидными, имитировать текстуру древесины и рисунок паркета или иметь
абстрактные рисунки.
2.2 Линолеум поливинилхлоридный многослойный и однослойный без
подосновы (ГОСТ 14632—79) выпускают трех типов: МП — многослойный с лицевым
слоем из прозрачной поливинилхлоридной пленки с печатным рисунком; М —
многослойный одноцветный или мраморовидный; О — однослойный одноцветный или
мраморовидный.
Линолеум резиновый многослойный — релин (ГОСТ 16914—71) изготовляют из
резиновых смесей на основе синтетических каучуков. В зависимости от сорта
примененного каучука релин выпускают трех типов: А, Б, В. Релин выпускают в
рулонах шириной полотнища 1000, 1200, 1400 и 1600 мм и толщиной 3 мм. Длина
рулона должна быть не менее 12 м. Релин типов Аи Б изготовляют одноцветным
и многоцветным, чаще всего с мраморовидным рисунком, релин типа В —
одноцветным.
Линолеум поливинилхлоридный на тканевой подоснове
(ГОСТ 7251—77) предназначен для покрытия полов в помещениях
жилых, общественных и производственных зданий.
Линолеум в зависимости от структуры и вида лицевой поверхности
изготовляют пяти типов: А — многоштриховой дублированный с лицевым слоем из
прозрачной поливинилхлоридной пленки с печатным рисунком; Б —
многоштриховой с печатным рисунком, защищенным прозрачным
поливинилхлоридным слоем; В — многоштриховой одноцветный; Г -многоштриховой
двухцветный; Д — одноштриховой одноцветный или мраморовидный. Линолеум
выпускают в рулонах длиной не менее 12 м и шириной 1350—2000 мм, толщиной
1,6 и 2 мм для типов А, .Б и В, для типов Г и Д — 2 мм.
2.3 Линолеум алкидный предназначен для покрытия полов помещений жилых,
общественных и производственных зданий, железнодорожных вагонов, вагонов
метрополитена и т. д., не подвергаемых воздействию абразивных материалов,
кислот, щелочей и растворителей. Алкидный линолеум выпускают марок А
толщиной 2,5—5 мм и Б — толщиной 2,5 и 3 мм. Алкидный линолеум выпускают в
рулонах длиной от 15 до 30 м. Ширина полотнища 2 м. Лицевая поверхность
может быть гладкой и иметь печатный рисунок. Рисунок на алкидном линолеуме
напечатан стойкими к воде и истиранию красками непосредственно на лицевой
поверхности.
2.4 Линолеум поливинилхлоридный на теплозвукоизолирующей подоснове
(ГОСТ 18108—80) — наиболее прогрессивный материал для покрытия полов.
Линолеум состоит из двух основных частей — поливинилхлоридной одно- или
многослойной пленки и тепло-, звукоизолирующей волокнистой подосновы.
Линолеум предназначен для покрытий полов в жилых помещениях. Допускается
применение его в общественных и производственных зданиях при отсутствии
интенсивного движения и воздействия абразивных материалов, жиров, масел,
воды.
Линолеум в зависимости от способов производства и структуры верхнего
слоя изготовляют пяти типов: ПР — промазной; ВК — валь-цово-каландровый;
ВКП — вальцово-каландровый с прозрачной лицевой поливинилхлоридной пленкой;
ЭК — экструзионный; ЭКП — экструзион-ный с прозрачной лицевой
поливинилхлоридной пленкой.
Выпускают его в рулонах длиной 12 м, шириной 1350—1800 мм, толщиной 3,6
м, одноцветным с гладкой или тисненой поверхностью, многоцветным с
мраморовидным рисунком или печатным рисунком.
2.5 Плитки поливинилхлоридные (ГОСТ 16475—81) предназначаются для
устройства полов в помещениях жилых, общественных и производственных зданий
при отсутствии воздействия абразивных материалов, жиров и масел. Плитки по
форме могут быть квадратные и трапециевидные. Толщина плиток 1,5; 2; 2,5
мм. Размер квадратных плиток 300x300 мм. Трапециевидные плитки при
совмещении по косым сторонам должны образовывать квадрат 300X300 мм. Плитки
выпускают одно- и многоцветными с гладкой или тисненой лицевой
поверхностью.
2.6 Полимерные полы
Система полимерных покрытий предназначена для использования в качестве
беспыльного покрытия бетонных полов, стен и других ограждающих конструкций
в складских, промышленных, торговых и прочих помещениях.
Полы незаменимы в условиях чистых производств.
Покрытие обладает высокой степенью сцепления с бетоном и очень хорошей
износоустойчивостью. Покрытие исключительно долговечно, что с лихвой
окупает затраты по его устройству.
Полы устойчивы к воздействию воды, масел, химикатов и других
агрессивных сред.
При необходимости можно легко обновить или поменять цвет покрытия. Для
этого достаточно нанести сверху слой покровного материала или лака. Всё
можно сделать за один день. Полимеры удовлетворяют любые требования,
предъявляемые к промышленным полам; высокая стойкость к абразивному износу;
высокая прочность; гигиеничность, широкий диапазон температуры эксплуатации
(от -3 до+50)
Область применения полимерных полов:
- авто индустрия, гаражи, сервисы;
- пищевая промышленность;
- производственные цеха, типографии;
- торговые центры, магазины, крытые рынки;
- химические предприятия, лаборатории;
- больницы, медицинские учреждения;
- складские и подсобные помещения;
- общественные и административные здания;
- электроника и точное машиностроение;
- пивные заводы и заводы напитков.
Свойства полимерных полов:
-простота поддержания чистоты;
-эстетичность;
-стойкость к различным воздействиям;
-хорошие гидроизоляционные свойства;
-высокая экономичность;
-лёгкость исправления возникших дефектов.
3. Мастики
Мастиками называют пластичные гидроизоляционные материалы, получаемые
при смешивании органических или синтетических связующих с минеральными
наполнителями и добавками, улучшающими их свойства.
3.1 Мастики кровельные и гидроизоляционные (ГОСТ 25591—83)
классифицируют по следующим основным признакам: исходным материалам,
разбавителям, характеру отверждения, способу применения.
3.2 Битумные мастики. Основой битумных мастик являются природные и
искусственные нефтяные битумы. Для улучшения свойств битумных вяжущих их
сплавляют с резиной. Получаемые мастики называют битумно-резиновыми. Для
приготовления мастик используют преимущественно строительные и кровельные
битумы.
Строительные нефтяные битумы (ГОСТ 6617—76) выпускают марок БН-50/50,
БН-70/30, БН-90/10.
Кровельные нефтяные битумы (ГОСТ 9548—74) вырабатывают трех марок: БНК-
45/80 — пропиточный, БНК-90/40 и БНК-99/30 — покрывные. Первая цифра
означает температуру размягчения, вторая — глубину проникновения иглы при
температуре 25 °С.
Мастика битумная кровельная горячая МБК-Г (ГОСТ 2889—80) предназначена
для устройства рулонных кровель, а также мастичных кровель, армированных
стекломатериалами. В зависимости от теплостойкости мастики подразделяют на
следующие марки: МБК-Г-55, МБК-Г-65, МБК-Г-75, МБК-Г-85, МБК-Г-100. Цифры
обозначают теплостойкость мастики.
В обозначение марок мастики с добавками антисептиков или гербицидов
после цифры теплостойкости добавляют соответственно букву А или Г.
Мастики марок МБК-Г-55 и МБК-Г-65 следует применять для наклеивания
антисептированного рубероида, стеклорубероида и толевых материалов с
уклоном кровли менее 2,5%; мастики МБК-Г-65, МБК-Г-75 —с уклоном кровли
2,5—10%; МБК-Г-75, МБК-Г-85 —с уклоном 10—25%; для устройства мест
примыкания применяют мастики МБК-Г-85, МБК-Г-100.
Приготовленную битумную мастику доставляют на строительные площадки
разогретой до 180 °С в автогудронаторах. При небольших объемах работ
битумную мастику приготовляют на строительных площадках в битумоварочных
котлах при нагревании до 160—180 °С.
Горячая битумная мастика, состоящая из битумного вяжущего (БН-
70/30—80%), волокнистого наполнителя (асбест—15%) и антисептика
(кремнефтористый натрий — 5%), применяется для крепления поли-
винилхлоридных плиток, поливинилхлоридного линолеума на тканевой подоснове,
древесноволокнистых плит и других материалов.
Мастика битумная холодная для настилки полов из штучного паркета по
бетонному основанию состоит из нефтяного битума и летучих растворителей.
Широко применяют мастику следующего состава, % по массе: битум нефтяной —
65, известь гидратная (пушонка)—18, бензин-растворитель — 10, бензин—5,
древесная смола — 2. Бензин-растворитель можно заменить таким же
количеством толуола. Наносят мастику под паркет ровным слоем толщиной не
более 2 мм в горячем виде.
Битумная мастика холодная готовится также на стройке в следующем
составе, % по массе: битум марки БН-70/30 — 48, известь гашеная— 12, асбест
пылевидный — 8, растворитель — 32, причем известь и асбест являются
наполнителями.
Клеящие каучуковые мастики (ГОСТ 24064—80) представляют собой вязкую
пастообразную однородную массу, приготовленную из хлоропренового каучука,
инденкумароновой смолы, наполнителей и растворителей.
Мастику выпускают двух марок: КН-2 и КН-3. Мастика КН-2 применяется для
приклеивания резинового линолеума и резиновых плиток, герметизирующих
уплотняющих прокладок, КН-3 — для приклеивания поливинилхлоридного
линолеума, резиновых покрытий с пористым слоем, линолеума, паркета,
профильных погонажных изделий.
Мастика хранится при температуре 5—30 °С при соблюдении правил хранения
легковоспламеняющихся материалов и должна быть защищена от прямого
воздействия солнечных лучей. Она является огне- и взрывоопасным, а также
токсичным материалом. При работе с мастикой необходимо применять
индивидуальные средства защиты. Гарантийный срок хранения мастик — 2,5
месяца со дня изготовления.
Мастика герметизирующая нетвердеющая строительная (ГОСТ 14791—79)
предназначена для герметизации закрытых и дренированных стыков наружных
стен и для уплотнения мест примыкания оконных и дверных блоков к элементам
стен при сохранении свойств в интервале температур от —50 до +70 °С при
ширине герметизирующего стыка 10—30 мм. Мастику фасуют в брикеты
прямоугольной формы сечением 60X30 мм, длиной до 500 мм. Гарантийный срок
хранения мастики — 1 год со дня изготовления.
3.3 Мастики на полимерных и других связующих. Клеящую мастику
«Перминид» (ТУ 40-1-136—78) изготовляют из смеси перхлорвиниловой смолы,
пластификаторов, растворителей (этилацетата) и различных технологических
добавок.
Мастика представляет собой однородную вязкую массу темно-желтого цвета.
Она предназначена для приклеивания рулонных и плиточных поливинилхлоридных
материалов и паркета, а также профильных погонажных изделий к различным
основаниям.
Клеящая мастика «Синтелакс» (ТУ 21-29-50—77) представляет собой вязкую
однородную пастообразную массу белого цвета, изготовляемую из
синтетического латекса, загустителей, наполнителей и добавок. Мастика легко
наносится на поверхность и предназначается для приклеивания полимерных
покрытий пола — поливинилхлоридных плиток, рулонных материалов без
подосновы и на тепло- и звукоизолирующей подоснове, а также полистирольных
плиток и полимерных рулонных материалов для внутренней отделки стен в
помещениях.
Казеиноцементная мастика представляет смесь казеинового клея (14%),
портландцемента (43%), воды (43%). Мастику применяют для крепления покрытий
полов, древесноволокнистых плит и акустических плиток.
Список использованной литературы
1. Григорьев М.А. Справочник молодого столяра, плотника и паркетчика. –
3-е издание, переработанное и дополненное – М.: Лесная
промышленность, 1989. – 376 с.
ISBN5-7120-0250-7
2. Устройство полов в жилых и промышленных зданиях: Карты трудовых
процессов строительного производства / Всесоюз. н.- и. и проектн.
институт труда в строительстве. – М.: Стройиздат, 1983 – 100 с.
Реферат на тему: Материалы с памятью формы
Московский Государственный Университет
им. М.В. Ломоносова
Факультет наук о материалах
Реферат
Тема: «Материалы с памятью формы».
Студента V курса ФНМ
Кареева И.Е.
Москва 2000г.
Содержание
Введение………………………………………………………2
Механизм реализации эффекта памяти формы………...3
Области применения………………………………………..7
Получение сплавов с памятью формы…………………….9
Деградация …………………………………………………..10
Заключение…………………………………………………..11
Список литературы………………………………………..12
Введение.
Материалы с памятью формы (МПФ) были открыты в конце 60-х годов этого
века. Уже через 10 лет (конец 70-х - начало 80-х) появляется множество
сообщений в научных журналах, описывающих различные возможности их
применения. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства:
одно - и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность,
высокая заглушающая способность [1].
МПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых
в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие
эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры
и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер
фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе
никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в
таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным
температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы
и сверхэластичности [12]. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные
превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.
В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических
свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
Механизм реализации эффекта памяти формы.
Мартенсит.
Мартенсит - структура кристаллических твердых тел, возникающая в
результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при
охлаждении. Назван по имени немецкого металловеда Мартенса (1850 – 1914гг).
В результате деформации решетки при этом превращении на поверхности металла
появляется рельеф; в объеме же возникают внутренние напряжения, и
происходит пластическая деформация, которая и ограничивает рост кристалла.
Скорость роста достигает 103 м/с и не зависит от температуры, поэтому
скорость образования мартенсита обычно лимитирует зарождение кристаллов.
Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много
ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращения
при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего мартенсита
обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия
должна быть минимальной, кристаллы мартенсита принимают форму пластин.
Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому
кристалл содержит много дислокаций (до 1012см-2), либо разбит на двойники
толщиной 100 – 1000 Е. Внутризеренные границы и дислокации упрочняют
мартенсит. Мартенсит – типичный продукт низкотемпературных полиморфных
превращений в чистых металлах (Fe, Co, Ti, Zr, Li и другие), в твердых
растворах на их основе, в интерметаллидах (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).
Мартенситные превращения.
Для интерметаллидов Ni-Ti с составом, близким к эвтектическому,
характерен переход от кубической (аустенитной фазы) к моноклинной
(мартенситной) фазе при комнатной температуре. Такие превращения обычно
происходят в сплавах при высоких напряжениях, но в результате наличия
эффекта памяти или суперэластичности превращения могут происходить и при
низких напряжениях. Аустенитные Ni-Ti сплавы проявляют суперэластичное
поведение при механических нагрузках и растяжении (8%), вызванное
мартенситным превращением. При разгрузке, мартенсит становится не
стабильным и переходит в аустенит, с компенсацией всех макроскопических
напряжений.[6].
Мартенситное превращение – полиморфное превращение, при котором
изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит
путем их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних
атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка
кристаллической решетки в микрообластях обычно сводится к деформации ее
ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения – однородно
деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (~1-10%) и
соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле,
энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в
конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое
развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в
метастабильной, сохранение упорядоченного контакта между фазами.
Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного
фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как
следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой
фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от
равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих
в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с
большей скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Существенную
роль при мартенситном превращении играют внутренние напряжения, возникающие
из-за упругого приспособления кристаллических решеток, сопрягающихся по
границам фаз. Поля упругих напряжений приводят к смещению точки равновесия
взаимодействующих фаз относительно положения истинного термодинамического
равновесия для изолированных, неискаженных фаз; соответственно, температура
начала мартенситного превращения может значительно отличаться от
температуры истинного равновесия. Стремление к минимуму упругой энергии
напряжений определяет морфологию, внутреннюю структуру и взаимное
расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких
пластинок, определенным образом ориентированных относительно
кристаллографических осей. Пластинки, как правило, не являются
монокристаллами, а представляют собой пакеты плоскопараллельных доменов –
областей новой фазы, различающихся ориентировкой кристаллической решетки
(двойники). Интерференция полей напряжения от различных доменов приводит к
их частичному уничтожению. Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается
образованием ансамблей из закономерно расположенных пластин. То есть в
результате мартенситного превращения образуется поликристаллическая фаза со
своеобразным иерархическим порядком (ансамбли – пластины – домены) в
расположении структурных составляющих. Рост внутренних напряжений в
процессе мартенситного превращения в определенных условиях приводит к
установлению двухфазного термоупругого равновесия, Которое обратимо
смещается при изменении внешних условий: под действием механических
нагрузок или при изменении температуры размеры отдельных кристаллов и их
число изменяются. Мартенситные превращения обнаружены во многих
кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах,
ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах.
Большие перспективы обратимого формоизменения при мартенситном
превращении (создание сверхупругих сплавов, восстанавливающий
первоначальную форму при нагреве после пластической деформации – эффект
памяти), а так же связь мартенситного превращения с появлением
сверхпроводящих свойств в некоторых металлах. Мартенситные превращения
составляют основу многочисленных структурных превращений, благодаря которым
с помощью термической и механической обработке осуществляется направленное
изменение свойств кристаллических материалов.
Особенности пористых сплавов никелида титана.
Наличие широкой температурной области мартенситного превращения в
пористом никелиде титана по сравнению с литым находит отражение на
температурных кривых электросопротивления. Показано, что мартенситный
переход является неполным в пористых сплавах и проходит в более широком
температурном интервале, чем в литых сплавах. Таким образом, важной
особенностью пористого никелида титана по сравнению с беспористым (литым)
сплавом того же состава является широкий температурный интервал фазовых
превращений. Он составляет примерно 250 0 C, т. е. значительно превышает
интервал (30-400С) превращений литого сплава. Увеличение температурного
интервала фазовых превращений обусловлено структурой пористого никелида
титана. Существенным является также размерный фактор, поскольку
мартенситное превращение в тонких перемычках и массивных областях
проявляются по разному. Действие этих факторов приводит к тому, что фазовые
превращения в пористых материалах на основе никелида титана начинаются в
различных областях при разных температурах, вытягивая гистерезис вдоль оси
температур, соответственно расширяя температурные интервалы превращений и
интервалы проявления эффектов памяти формы и сверхэластичности в пористых
сплавах на основе никелида титана.
Рис.1 Температурные зависимости эффекта обратимой памяти и предела
текучести в пористом (1) и литом (2) сплавах на основе никелида титана.
На рис.1 представлен эффект памяти формы в пористом и литом сплавах. В
пористом сплаве эффект памяти формы проявляется в более широком
температурном интервале, чем в литом, и остаточная пластическая деформация
в пористом материале имеет более значительную величину (на рис.1), чем в
литом. В литом никелиде титана происходит практически полное (до 100%)
восстановление формы после деформирования на 6 - 8% и последующего нагрева
выше температурного интервала МП (рис.1). При увеличении степени деформации
литого никелида титана образуются дислокационные дефекты, которые в отличие
от мартенситных превращений необратимы. Стадия обратимой деформации по
мартенситному механизму сменяется стадией необратимой пластической
деформации. Даже при малых нагрузках возникают участки, в которых величина
упругой деформации превышает предельную. В противоположность в пористых
сплавах даже при минимальных деформациях степень восстановления формы не
превышает 85%. Степень восстановления формы зависит от пористости,
распределения пор по размерам, уровня напряжений мартенситного сдвига, т.е.
связана с особенностями деформирования пористых тел. Анализ деформационных
зависимостей никелида титана с различной пористостью показывает, что предел
текучести сплава уменьшается с увеличением пористости.
Области применения.
Немедицинское применение.
Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете F-14 в 1971
году, это был Ni-Ti-Fe. Использование Ni-Ti-Nb сплава стало большим
достижением, но также и Fe-Mn-Si сплавы получили много внимания, несмотря
на их более низкое восстанавливаемое напряжение.
Имеются потенциальные возможности применения нитинола при производстве
товаров широкого потребления. Например, интересное изобретение: устройство
- держатель пепельницы, который опускает горящую сигарету в пепельницу,
предотвращая ее попадание, предположим, на скатерть стола.
Надежность устройств с памятью формы зависит от их срока службы.
Важные внешние параметры управления рабочими циклами системы, являются -
время, температура. Важные внутренние параметры, которые определяют
физические и механические свойства: система сплава, состав сплава, тип
преобразования и дефекты решетки. Эти параметры управляют термомеханической
историей сплава. Как следствие, максимальный эффект памяти будет ограничен
в зависимости от требуемого количества циклов.
Полезные космические грузы типа солнечных батарей или антенн спутников
сейчас используют в основном пиротехнические способы раскрытия, которые
создают множество проблем. Использование материалов с памятью формы
позволит устранить все эти проблемы, также предоставит возможность
неоднократно проверить работоспособность системы еще на земле.
Недавнее исследование относительно Ni-Ti сплавов показало, что супер
эластичное поведение приводит к повышению износостойкости.
Псевдоэластичное поведение уменьшает область упругого контакта во время
скольжения. Уменьшение области упругого контакта между двумя скользящими
частями увеличивает износостойкость материала. Специальный тип износа -
кавитационная эрозия, которая создает специфические проблемы в
гидравлических машинах, винтах судов, водяных турбинах. Сравнительные
изучения различных материалов показали, что Ni-Ti сплавы имеют более
высокое сопротивление кавитационной эрозии, чем обычные сплавы. В
мартенситном состояние у Ni-Ti сплава очень хорошая стойкость к
кавитационной эрозии. Но изготовление рабочих частей подвергающихся
коррозии полностью из Ni-Ti сплава слишком дорогое удовольствие, поэтому
оптимальный путь - использование Ni-Ti сплава соединенного со сталью.
Медицинское применение.
В медицине используется новый класс композиционных материалов
”биокерамика–никелид титана”. В таких композитах одна составляющая (никелид
титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая — сохраняет
свойства биокерамики.
В качестве керамической составляющей может выступать фарфор, который
широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким
материалом. Высокая хрупкость фарфора обусловлена тем, что на границах
различных фаз и зерен возникают контактные напряжения, значительно
превосходящие уровень средних приложенных напряжений. Релаксация контактных
напряжений в керамическом материале возможна, если в зоне этих напряжений
происходит диссипация энергии за счет фазового превращения в никелиде
титана. Изменение температуры или приложение нагрузки вызывает в никелиде
титана мартенситное превращение, что приводит к эффективной релаксации
напряжений в матрице при нагружении композиционного материала, позволяя
твердой составляющей нести приложенную нагрузку. Известно, что упругое
восстановление объема пористых прессовок из порошка сверхупругого никелида
титана связано с разрывом межчастичных контактов и определяется прочностью
брикета, которая зависит от пористости и величины сил контактного
сцепления. Ослабление этих сил путем добавления к порошку никелида титана
других компонентов, например мелкодисперсных вольфрама или карбида кремния,
значительно повышает упругий эффект, так как прочные одноименные контакты
титан–никель заменяются разноименными. Поскольку величина упругого эффекта
снижается при уменьшении содержания никелида титана в прессовке,
концентрационная зависимость упругого восстановления объема обычно является
экстремальной. В композиционном материале ”фарфор–никелид титана”
компоненты слабо взаимодействуют и после спекания контакты между
керамической и металлической составляющей ослаблены. При нагружении они
разрываются в первую очередь и упругое восстановление объема растет. В
результате деформация является обратимой и композит проявляет свойства,
подобные сверхэластичности. Биосовместимость композиционного материала
”стоматологический фарфор–никелид титана” изучалась гистологическим
методом, оценивая реакцию тканей у крыс на имплантацию под кожу передней
брюшной стенки образцов из композиционного материала и из фарфора. Характер
тканевых реакций, их распространенность и особенности клеточных изменений в
обоих случаях оказались однозначными. Таким образом, композиционные
материалы ”биокерамика–никелид титана” являются биосовместимыми[11].
Получение сплавов с памятью формы.
Сплавы с памятью формы получаются путем сплавления индивидуальных
компонентов. Расплав быстро охлаждают и проводят высокотемпературную
обработку[3].
Предложен целый класс композиционных материалов «биокерамика - никелид
титана» для медицины. В таких материалах одна составляющая (никелид титана)
обладает памятью формы и сверхэластичностью, а другая – сохраняет свойства
биокерамики. В качестве керамической составляющей наиболее часто
используется фарфор, который широко используется в ортопедической
стоматологии и является хрупким материалом. Для изготовления таких образцов
используют порошки никелида титана и фарфоровой массы, которые после
смешивания и просушивания спекают в вакууме [11].
Деградация
Мартенситное превращение в сплавах на основе NiTi является
атермическим процессом, скорость которого целиком определяется скоростью
изменения температуры вблизи термодинамического равновесия фаз. Поэтому все
специфические механические эффекты в NiTi, сопровождающие мартенситное
превращение, такие как память формы, пластичность превращения, могут быть
реализованы за очень малые времена при соответствующих режимах нагрева и
охлаждения. В быстродействующих устройствах для ускорения обменом теплом с
теплоагентом (жидким или газообразным) используют тонкомерную ленту,
проволоку и трубы с микронными линейными размерами в сечении. В этом случае
большое значение приобретает состояние свободной поверхности сплава.
Поскольку даже небольшие вариации состава приводят к изменению
температурной кинетики и полноты превращения, то сегрегация элементов и
окисление поверхности существенно изменяют и специальные свойства
материала. Особую важность указанное обстоятельство приобретает вследствие
необходимости предварительной термической или термомеханической обработки
материала.
Исследования показали склонность никелида титана на свободной
поверхности при термических воздействиях. В атмосфере, содержащей кислород,
сплав окисляется с образованием оксидного слоя, содержащего в основном
оксид TiO2. Можно полагать, что поскольку титан химически весьма активен то
в бескислородной среде атомы титана будут образовывать соединения с любым
неинертным газом, например в атмосфере азота – нитриды. Избежать
образования оксидов по границам зерен и на поверхности можно лишь при
термообработках образцов в вакууме либо в инертной среде [14].
Заключение
Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее
место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную
стоматологию без композитных материалов на основе NiTi (те же скобы,
которые вставляют детям для выпрямления зубов). Доставленные на орбиту в
«свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько
десятков квадратных метров и т.д. и т.д.. Диапазон применения этих
материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно
с уверенностью сказать, что это материал будущего.
Список литературы
1. J Van Humbeeck / Materials Science and Engineering A273-275 (1999) 143-
148.
2. T.Dueriy et al. / Materials Science & En. A 273-275 (1999) 149-160.
3. T. Biggs et al./ Materials Science and Engineering A273-275 (1999) 204-
207.
4. J.Zhang et al. / Scripta Materialia, vol 41, №10, 1109-1113, 1999.
5. J. Uchil et al. / Physica B, 270 (1999), 289-297.
6. R. Vaichyanathan et al. / Acta mater. Vol47, №12, pp.3353-3366, 1999.
7. J. Uchil et al. / Physica B 253 (1998) 83-89.
8. S.F. Hsieh et al / Materials Charac terization 41: 151-162 (1999).
9. J. Uchil et al / Mat. Science and Eng., A251 (1998), 58-63.
10. A.A. Al-Aql, Z.H. Dughaish / Physica B, 229 (1996), 91-95.
11. В.И. Итин и др./ Письма в ЖТФ том 23 №8 (1997) 1-6.
12. В.Э. Гюнтер и др./ Письма в ЖТФ том 26 №1 (2000) 71-76.
13. В.А. Плотников./ Письма в ЖТФ том 24 №1 (1998) 31-38.
14. С.П.Беляев и др./ Письма в ЖТФ том 25 №13 (1999) 89-94.
| |
