Архит._материал._-_Шеина_Ч1

Интерес к нанопорошкам (НП) диаметром от 5 до 100 нм вызван тем, что их свойства существенно отличаются от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии. Например, температура плавления золота составляет 1064 оС, но при нахождении того же золота в виде частиц размером 4 нм точка плавления соответствует 427 оС. Позднее получены близкие значения изменения точки плавления, которые соответствуют: dАи = 20 нм → t sl = 1064, 4 оС; dАи = 10

нм → t sl = 900 оС; dАи = 2 нм → t sl = 500 оС. Кроме того, золото в состоянии наноразмерных частиц легко окисляется на воздухе.

Для β-СdS (бета-сульфида кадмия ширина запрещенной зоны изменяется от 2,5 до 4,5 эВ, относительное время жизни – от наносекунд до пикосекунд, температура плавления – от 1600 до 400 оС, точка структурных переходов под давлением – от 2 до 9 ГПа.

Оксиды металлов составляют не менее 80 % всех производимых нанопорошков. Диоксид кремния, или кремнезем (SiO2), диоксид титана (титания, ТiО2), глинозем (Al2O3) применяются в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, для производства лакокрасочной продукции – красок и грунтовок.

Кроме того, диоксид титана используется при производстве пластмасс, стекла и зеркал, глинозем – в конструкционной керамике, оксид неодимия (Nd2O3) – в высотемпературных глазурях и пигментах для стекла, оксид диспрозия (Dy2O3) – для производства дю-стекла.

Смеси и сложные оксиды, состоящие из двух и более металлов, такие как нитрид кремния (Si3N4), обычно используются в жаропрочных и теплоизоляционных материалах, индие-оловянный оксид (In2O3/SnO2) в основном применяется для создания проводимого и прозрачного покрытия.

Электроискровое легирование поверхностей деталей из алюминиевых сплавов с применением НП повышает твердость НV в пределах 1,9…2,3 раза, что уменьшает износ в 2,3…4,0 раза по сравнению со стандартной технологией, использующей графитовый электрод.

Введение нанопорошков в стандартные литейные краски (противопригарные покрытия), применяющиеся для окраски рабочих поверхности разовых песча- но-глинистых литейных форм, предотвращает образование на поверхности отливок из сталей 40Л, 45Л, 110Г12Л, 110Г13Х2БРЛ трудно удаляемого пригара, а чистота их поверхности повышается в 3…5 раз по сравнению с деталями, отлитыми

вформах, окрашенных стандартными красками.

Врезультате плазменного силицирования с применением жидкого кремнийорганического соединения тетраэтаксисилана рабочих поверхностей матриц и пуансонов, изготовленных из сталей У8 и У10 и применяемых для штамповки стальных деталей из инструментальных сталей, срок их службы увеличился за счет имплантирования наночастиц кремния в 2,5 раза, а из стали 7Х3 – в 8 раз по сравнению с оснасткой, упрочненной обычной термообработкой.

Наиболее существенный пример промышленного использования нанотехнологий в строительстве – стальная арматура с измененной структурой, выпускаемая

101

компанией «MMFX Steel Corp.», США. Эта сталь подобна нержавеющей стали, но намного дешевле. По сравнению с обычной углеродистой сталью она имеет в наношкале слоистую «реечную» структуру, из-за чего резко возрастают ее механические свойства, например, прочность, а также податливость и сопротивление усталости по сравнению с другими известными высокопрочными сталями. Эти свойства материала способствуют значительно более длительным срокам службы в коррозионных средах и понижают интегральную стоимость строительства (рисунок 73).

Рисунок 73 – Нанослой аусткенита в свободной от карбида «рейке» мартенсита, ТЭМ, «ММFX Steel Corp.», США

Специалистами Фраунгоферского института химических технологий пред-

ложено использовать наноэмульсию биоцидов – комбинацию активных компонентов, обеспечивающих высокую, надежную и долговременную защиту древесины от поражения микробами, плесенью и бактериями. Биоциды в такой форме, проникая в древесину, обратно из нее уже не вымываются в отличие от водорастворимых антисептиков (рисунки 74, 75).

Объектами нанотехнологий в лакокрасочной области являются материалы, состоящие из частиц, размеры которых составляют 1…100 нм. С их помощью можно добиться получения покрытий невозгораемых и самоочищающихся, с высокой устойчивостью к износу и ультрафиолетовым лучам.

Вассортименте завода Alligator для строителей-реставраторов присутствуют

иуспешно применяются, теперь колеруемые в любой цвет, силикатные погодо-

стойкие самоочищающиеся краски KIESELIT-BAYERN- SILIKAT и Kieselit-Fusion (Кизелит-Фузион), произво-

димые по нанотехнологии.

102

Рисунок 76 – Нанокраски компании Dyo

Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с микроструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски Kie- selit-Fusion – грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость к ультрафиолету покрытия в целом, что позволяет фасаду сохранять первозданный внешний вид в течение долгого времени.

Р

KerAion Hydrotect

Врезультате исследований в 1999 г. немецкой компанией Nanogate Technologies GmbH из Саарбрюкена были созданы покрытия WonderGliss для керамических материалов с принципиально новыми свойствами – стерилизования, деодорирования помещений и разрушения частиц грязи (рисунок 77).

Любая атмосферная влага – туман, утренняя роса, дождь – постоянно образует на поверхности плитки KerAion Hydrotect тонкую пленку воды, которая, стекая с вертикальных или наклонных плоскостей фасада, увлекает за собой грязь, не дает ей накапливаться. А активный кислород, выделяющийся под воздействием ультрафиолета, расщепляет органические загрязнители. При этом ликвидируются

ипотенциальные источники биоразрушения зданий – плесень, грибок, мох и лишайник. Технология нанесения покрытия Hydrotect в слой последнего обжига плитки позволяет получить износостойкую поверхность. Плитка может эксплуатироваться и в качестве облицовки пола в зонах с интенсивным движением.

Врезультате серии экспериментов специалисты из института физики Китайской академии наук (Institute of Physics) под руководством профессора Вэй Хуа Вана (Wei Hua Wang) сделали гнущееся стекло из сплава, созданного из циркония, алюминия, меди и никеля. Особенность получившегося материала в том, что в его структуре распределены зоны, состоящие из твёрдых и плотных областей, окружённых мягкими и менее плотными. Из-за этого при изгибе не возникает большой трещины, а появляется множество мелких трещинок. Благодаря таким трещинкам сила, приложенная к изделию из такого стекла, распределяется равномерно по сечению изделия.

На транспортном коридоре из Нижегородской области в республики МарийЭл и Чувашию вместо классической асфальтобетонной смеси уложена композиция

103

из мелкого щебня, цемента и измененного на молекулярном уровне битума. Слой толщиной всего в несколько миллиметров способен защитить дорогу от температурных колебаний в сотни градусов. Кроме того, уникальная композиция закрывает все микротрещины, а щели заливает, восстанавливая тем самым предыдущий слой асфальтобетона. Мобильная лаборатория, проверяя качество покрытия, установила, что оно отличается высокой адгезией. Решили проблему тотального бездорожья США путем ферметации патоки из сахарной свеклы. Ранее тягучая масса использовалась исключительно в атомной промышленности. Сегодня фермент применяется при строительстве сельских дорог. Процесс предельно прост: дорога разрыхляется, поливается разбавленным ферментом, а потом трамбуется тяжелым катком. Фермент заставляет грунт «спекаться» в плотную основу, устойчивую к проникновению воды, непогоде и износу. При этом в летнюю пору весь процесс «спекания» продолжается максимум 72 часа.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например, основания зданий, с саморегулируемой системой компенсации усадок грунтов. Несущие конструкции зданий, которые осуществляют мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния. Ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца. Покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей и фотокаталитические покрытия – все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

В 2012 г. в Греции будет построен первый коттедж, который сможет противостоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счет достижений нанотехнологий. Полимерные наночастицы, входящие в состав композиционных материалов, под давлением превращаются в жидкость, способную проникать в трещины, а затем стабилизировать несущие конструкции дома после повреждений, снизив риск серьезных разрушений.

8.2 Диагностика наноматериалов

Современное состояние материаловедения, развитие физики и технологии наноструктур потребовало разработки новых диагностических методов, а также новых образцов оборудования для анализа свойств и процессов в низкокамерных системах, в наноматериалах и искусственно создаваемых наноструктурах.

С этой точки зрения одним из наиболее перспективных методов практической диагности и характеризации наноструктур стала сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) и, прежде всего, атомно-силовая микроскопия (АСМ). Она обеспечивает получение наиболее полной информации об основных физикохимических свойствах и геометрических параметрах наноструктур и протекающих в них

процессах (рисунки 78).

Рисунок 78 – Сканирующий туннельный микроскоп с высоким разрешением позволяет ис-

следовать движение атомов

104

трические поля, магнитные свойства и др.). Карты этих свойств можно сопоставлять с рельефом и таким образом идентифицировать составляющие исследуемой поверхности и объектов, расположенных на ней.

Обычно кривые зависимости измеряются в выбранной точке на предварительно исследованном СЗМ участке поверхности, что сильно ограничивает интерпретацию полученных результатов. В предложенном российскими исследователями новом способе сканирования (патент РФ № 2145055) зонд перемещается не при условии поддержания постоянной величины взаимодействия, как это принято в типовых схемах, подобно игле швейной машинки, приближаясь и отдаляясь от поверхности в каждой точке измерения. При этом регистрируется кривая зависимости взаимодействия зонда и поверхности, которая обрабатывается для извлечения из нее и последующего картирования всевозможных информационных данных. В процессе сканирования однотипные данные заносятся в соответствующие файлы, причем каждому значению ставятся в соответствие координаты точки поверхности, в которой оно получено. Таким образом, после сканирования исследованного участка, кроме топографии поверхности, исследователь может не только получить из силового спектра перечисленные выше характеристики поверхности и слове, расположенном на ней, в одной выбранной точке, но и иметь в наличии их расположения по исследованному участку.

Принципы нанотехнологий предопределяют манипуляции, при которых приборы фиксируют образец с точностью до нескольких нанометров, измеряют величины, такие как сила в nN, и «собирают» объекты толщиной в несколько молекул и площадью в несколько квадратных нанометров. Таким образом, при работе в наношкале изменения комнатной температуры должны быть настолько небольшими, чтобы объект не изменился в размерах больше, чем на несколько нм, иначе система контроля образца неправильно его локализует.

Электромагнитые поля внутри здания должны быть настолько стабильные, чтобы электрические сигналы можно было измерить в таких единицах, как nA и nV. Некоторым помещениям необходима акустика, сравнимая с акустикой звукозаписывающей студии. Размеры крошечных частиц, находящихся в воздухе, могут равняться тысячам нанометров, поэтому контроль уровня загрязнения среды – как частицами, так и химическими веществами – должен находиться в крайне жестких пределах. Во всех случаях вибрации должны быть на два-три порядка меньше порога человеческого восприятия. Все эти требования предопределяют абсолютно новые требования к проектированию зданий и к материалам, применяемым для их возведения, принципиально на новом уровне.

108

9Материалы, получаемые обработкой камня

9.1Краткие сведения из геологии, понятие о минералах и горных породах

Всоответствии с современными геологическими представлениями земной шар состоит из нескольких оболочек – геосфер, различающихся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам: ядра (в центре), мантии, земной коры, гидросферы, биосферы и атмосферы. Внешняя часть ядра находится

вжидком состоянии, в то время как внутренняя его часть, мантия и земная кора представляют собой твердые оболочки (рисунок 84).

Внешний слой «твердой» земли, включающий земную кору и верхнюю часть мантии (общей мощностью до 100

км),

называют литосферой, что в переводе с латинского языка означает «каменная оболочка».

Предполагается, что литосфера лежит на более пластичной части мантии –

Рисунок 84 – Внутреннее строение земли и земной коры

астеносфере (дословно с латинского – «слабая оболочка»), под которой, в свою очередь, располагается более плотная часть мантии – мезосфера (дословно с латинского – «средняя оболочка»).

Объем земной коры составляет менее 2 % от общего объема земного шара, причем непосредственно ис-

следован лишь ее верхний слой (буровые скважины до 10 км).

Вместе с тем верхний слой является источником промышленного

минерального сырья, имеющего огромное значение для человечества. Горные породы являются сырьём для изготовления ке-

рамики, стекла, огнеупоров, теплоизоляционных материалов, неорганических вяжущих и заполнителей для растворов и бетонов. Более того, природный камень

109

отлично сочетается со многими строительными материалами (кирпичом, деревом, металлом, сайдингом, фасадными штукатурками) и предоставляет архитекторам широчайшие возможности по их оригинальному совместному применению. Области использования природного камня в архитектуре чрезвычайно широки. Это облицовка фасадов зданий, цоколей и заборов; кладка стен (в том числе несущих), колонн; элитная отделка интерьеров; изготовление каминов и лестниц; ландшафтное строительство (альпийские горки, водопады, дорожки, бордюры); каменная мозаика.

Выбор камня является очень ответственным этапом и требует большого опыта и знаний свойств природного материала, так как для архитектурных решений необходимы различные качества и свойства камня. При необходимости выбор осуществляется непосредственно на карьере.

Термин «камень» («природный камень», «естественный камень») применяется к горным породам, издавна используемым человеком для прикладных целей. Эти породы, добываемые из земных недр в виде каменных глыб – блоков, редко в виде плит, представляют собой исходное сырье для производства облицовочных материалов, а также архитектурно-строительных, монументных (статуарных) и некоторых технических изделий (рисунок 85).

Рисунок 85 – Добыча камня из недр земли

Природные плиты добываются на некоторых месторождениях, сложенных тонкослоистыми (слои 10…30 см) осадочными породами, главным образом известняками (например, «путиловская плита», «гатчинская плита» и т. п.)

Изучение видов, происхождения, строения и свойств горных пород позволяет определить качество и, как следствие, рациональную область их использования.

Горные породы (термин, введенный в 1798 г. русским минералогом В.М. Севергиным) – природные образования, состоящие из отдельных минералов или их механических соединений.

Минералы (от латинского минера – руда) – сравнительно однородные природные образования с определенным химическим составом и постоянными физикомеханическими свойствами.

Наука, изучающая минералогический и химический составы, распространение, классификацию и условия образования горных пород, называется петрографией (от греческих петра – камень и графо – пишу, т.е. описываю).

В зависимости от числа составляющих минералов различают простые – моно-

минеральные (кварцит, мрамор и сланец) и сложные – полиминеральные горные по-

роды (гранит, андезит и габбро), которым присущ двойственный характер.

110