Металлы – это главные конструкционные материалы, используемые создания ракетно-космических машин. Итак, самые пригодные для космоса это (см. схему №1):

• Алюминий считается любимцем авиаконструкторов, но для улучшения свойств из него приходится делать сплавы.
• Железо – неотъемлемый металл любых инженерных сооружений. Железо в виде различных высокопрочных нержавеющих сталей стоит на втором месте среди материалов, применяемых для постройки ракет.
• Медь также является одним из основных металлов электротехники и теплотехники.
• Серебро – древнейший драгоценный металл, он является связующим звеном меди и стали в жидкостном двигателе ракеты. Титан и сплавы на его основе – важнейший металл космического века. Несмотря на общераспространенные убеждения, этот металл недостаточно широко используется в ракетной технике — из сплавов на основе титана чаще всего делают газовые баллоны высокого давления. [1]

Схема №1. Основные космические металлы

Но прогресс не стоит на месте, и при разработке средств исследования космического пространства требуются новые структуры, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов. В наши дни идет стремительная разработка инновационных космических материалов, таких как интеллектуальные космические композиты, самовосстанавливающиеся материалы и нанотрубки. (см. схему №2)

Схема №2. Инновационные космические материалы

Самовосстанавливающийся материал. Ученые NASA в партнерстве с химиками Мичиганского университета создали многослойный полимерный материал, имеющий функцию «самозаживления». Если микрометеорит проделывает в космическом сооружении небольшое отверстие, то материал сам закрывает его, сохраняя таким образом герметичность данного объекта. В дальнейшем ученые планируют использовать такой материал для протекции космических станций от орбитного космомусора и микрометеоритов. Вот как выглядит этот материал: жидкая смола определенного состава (чаще всего на основе тиолов) составляет слой между двумя полимерными пластинками. Находясь в изоляции от воздуха такая смола может находится в виде вязкой жидкости очень долгое время. Во время внешнего воздействия, которое способно образовывать дыры в полимерных пластинах, смола вытекает из этой пластины и начинает реагировать с воздухом, и в процессе этого вступает в химическую реакцию. Вытекшая смола мгновенно становится твердой и закупоривает отверстие. Характер действия этого материала схож с процессом сворачивания крови. Самовосстанавливающийся композит пригоден даже для иллюминаторов, потому что он смола и полимерные панели, между которых она находится, прозрачны и бесцветны. [2]

Космические нанотехнологии. NASA совместно с космическим центр Джонсона заключили договор о совместной разработке и применении высочайших технологий и, в особенности, нанотехнологий для исследования пространства космоса. NASA планирует упростить вывод космомашин на орбиту с использованием космического лифта, изготовленного из нано-трубок. Они имеют высокую жесткость, что может помочь им затмить большинство новейших материалов для аэроконструкций. Композиты из нано-трубок снижают вес современных космических объектов примерно в два раза. Углеродные нанотрубки из одного слоя, созданные в 1991 году обладают чрезвычайной прочностью, поэтому они не очень подходят для основной ленты космического лифта. Они в 100 раз прочнее стали, и, соответственно примерно в 5 раз прочнее, чем предполагается для создания. Соотношение прочность и веса такого материала ленты больше, чем у высокозакаленной стали.

«Интеллектуальные» космические материалы. В последние 10 лет вместе с безостановочным совершенствованием уже имеющихся материалов, составляющий довольно важный технический и экономический прогресс благодаря неповторимому взаимодействию свойств, появились тенденции разработки новых материалов, которые активно взаимодействуют с внешней средой. Эти материалы стали называться «интеллектуальными». Они могут «чувствовать» свою физическую среду, внешние факторы и по-своему реагировать на них, т.е. способны проводить самодиагностику при появлении и прогрессировании деффекта, устранять его и оставаться в стабильном положении в критических зонах. Благодаря разнообразию свойств таких материалов их можно использовать почти во всех деталях конструкций космической техники (обтекатели, узлы трения, отсеки, корпусы и др.) [3]

Как мы видим, материалопроизводство не стоит на месте и космос – прямое тому подтверждение. Люди используют ранее известные нам материалы, а также создают материалы, которые имеют поразительные свойства. Но без совершенствования невозможно представить нашу жизнь и жизнь того, что нас окружает. Использование данных материалов позволит контролировать и прогнозировать состояние различных конструкций космических аппаратов в требуемый момент времени и даже на труднодоступных участках, значительно повысить ресурс систем и их надежность. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90% современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности «интеллектуальными», что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

В качестве исходного материала производители используют отходы лесопиления, деревообработки, сгорания растений. Грубое сырье путем пропаривания и размола в дефибраторах перерабатывается в необходимые волокна. В качестве связующей составляющей используются синтетические смолы в количестве 4-7% от соотношения волокон лиственных и хвойных пород.

Для повышения влагостойкости материала в древесно-волокнистую массу вводят парафин, канифоль или церезин.

Производство ДВП является одним из самых перспективных методов применения древесных отходов. Этот материал широко используется в современном домостроении, для достижения звуковой и тепловой изоляции стен и полов помещений, при изготовлении междуэтажных перекрытий, отделки внутренних элементов помещений, изготовлении мебели и упаковочной тары.[1]

Технология производства ДВП

Существует 4 способа производства ДВП:

• мокрый – мокрое формирование и мокрое прессование;
• сухой – сухое формирование и сухое прессование;
• полусухой – сухое формирование, увлажнение, мокрое прессование;
• мокро-сухой – мокрое формирование, сушка, сухое прессование.[2]

ДВП изготавливается на основании технологической карты, структура которой неизменна уже более пятидесяти лет. Состоит этот процесс из нескольких этапов:

1. Промывание древесной массы. Из нее механическим путем на адсорбирующих установках удаляется песок и прочий мусор.
2. Удаление из состава смеси металлов с помощью электромагнитов на специальных сепараторных установках.
3. Измельчение древесной щепы. Здесь устанавливается степень помола, начиная от грубого к более мелкому.
4. В дефибрилляторной установке в общую массу подмешивается полимеры, смолы и парафин.[1]

Разновидности ДВП

Различают ДВП общего и специального назначения. К общим относятся: плиты для использования в сухих условиях, в том числе в сухих условиях внутри помещений (для мебели). Специальными являются: плиты, несущие нагрузку в сухих и влажных условиях, биостойкие, трудносгораемые.

В зависимости от обработки поверхности различают плиты:

• с необлагороженными поверхностями, с необлагороженной лицевой поверхностью, с облагороженной лицевой поверхностью, с двухсторонним облагораживанием;
• односторонней гладкости, двухсторонней гладкости;
• нешлифованные, шлифованные;
• с облицованной или окрашенной поверхностью
• плоского периодического прессования, плиты плоского непрерывного прессования;
• мокрого способа производства, плиты сухого способа производства.

В зависимости от плотности, ДВП мокрого способа производства подразделяют на:

• мягкие марки плит, плотностью до 400 кг/м;
• полутвёрдые (пониженной плотности) марки плит, плотностью от 400 до 800 кг/м³:
• твёрдые марки плит плотностью свыше 800 кг/м³.[3]

Преимущества и недостатки ДВП

Можно выделить такие преимущества ДВП:

• достаточно высокая прочность;
• экологическая чистота;
• отсутствие деформации от старения;
• влагоустойчивость;
• простота обработки;
• возможность надежного крепления с помощью обычных крепежных элементов (гвозди, шурупы);
• возможность нанесения практически любых защитных или декорирующих покрытий.

Плиты не набухают даже при длительном пребывании в воде и могут эксплуатироваться при влажности выше 60%. Главный плюс материала – низкая стоимость.

Недостатки связаны в основном с невозможностью изготовление плит большой толщины. По технологическим причинам она не превышает 10-12 мм, что несколько ограничивает области использования. Соответственно и высокую прочность панелей обеспечить невозможно, несмотря на то, что удельная прочность материала достаточно высока.[4]

Область применения

Этот строительный материал получил свое широкое распространение благодаря отсутствию деформации в течение времени. Если, конечно, изделие из ДВП не подвержено воздействию влаги. Еще одним достоинством этого материала считается экологичность.

В процессе производства применяются безвредные вещества. Эта и описанные ранее характеристики способствуют активному использованию листов ДВП при выполнении строительных работ, для изготовления различной мебели и в других сферах деятельности человека.

Стройматериал ДВП использовался и в гражданской, и в промышленной отрасли строительства. Сфера его применения следующая:

• утепление перекрытий;
• изготовление звукоизоляционных перегородок;
• как теплоизоляционный материал (создание вентиляционных каналов, технических коробов, телевизионных студий, кинозалов);
• при устройстве опалубки;
• для изготовления дверных полотен;
• как облицовочный материал (выполнение строительных работ со стенами);
• в качестве продукта для изготовления мебели (встроенная, корпусная);
• при отделочных работах внутри транспорта (пассажирские вагоны, трамваи, метро);
• как материал для отделочного покрытия (черновая или финишная обработка пола);
• для создания панели для распределительного щита.[5]

Главным аналогом древесно-волокнистых плит (ДВП) являются древесно-стружечные плиты (ДСП).

ДВП превосходит ДСП по следующим показателям:

• экологическая чистота;
• удельная механическая прочность;
• водостойкость при обычном исполнении.
• более низкая стоимость

Главным же плюсом ДСП является возможность изготовления плит толщиной до 50 мм, что, в свою очередь, непосредственно влияет на прочность плиты. Это, зачастую, является определяющим фактором при выборе между ДСП и ДВП, поскольку прочность второй значительно ниже, чем у ДСП.

Заключение

На основании приведенных выше фактов можно сделать вывод о том, что ДВП – универсальный материал. Область его применения очень обширна: от использования в мебельной промышленности до применения в качестве опалубки в строительстве. Данный материал обладает отличными характеристиками, поэтому он всегда будет востребован.

Материалы, используемые для изготовления железнодорожных шпал, развивались на протяжении последнего столетия. Многие материалы использовались в соответствии с преобладающими условиями в различных частях мира. Ниже перечислены некоторые из материалов, которые традиционно использовались для изготовления железнодорожных шпал.

1. Лесоматериал. Деревянные шпалы используются на железных дорогах уже долгое время и являются надежными и эффективными. Наиболее значительным преимуществом использования деревянных шпал является то, что они могут быть адаптированы для большинства железнодорожных путей. Это преимущество достигается благодаря простоте обращения с деревянными шпалами по сравнению с другими жесткими шпалами. Проблемы, возникающие на стройплощадке, могут быть решены собственными силами без привлечения специалистов со стороны.

Деревянные шпалы легко подвержены механическому износу и естественному гниению, что приводит к их разрушению. Деревянные шпалы преимущественно выходят из строя под воздействием грибков и гнили. Нападение термитов также повреждает значительное количество шпал. Поскольку железнодорожные шпалы выдерживают поперечные сдвиговые нагрузки большой величины, бревна раскалываются на концах, делая их бесполезными. Использование древесины также приводит к вырубке лесов, поэтому воздействие на окружающую среду очень велико. Кроме того, использование древесины с химической пропиткой создает риск утилизации. Эти негативные последствия привели к использованию других материалов.

2. Чугун. Срок службы чугунных шпал составляет пять-шесть десятилетий. Они могут быть переформованы и имеют значительно высокую стоимость лома. Помимо того, что они обеспечивают значительную площадь опоры, они более прочны в месте примыкания рельсов.

Несмотря на эти преимущества, как и в случае с большинством чугунных элементов, они быстрее подвергаются коррозии, поэтому их не рекомендуется использовать в прибрежных районах. Чугунные шпалы повреждаются во время схода с рельсов и поэтому имеют высокую стоимость замены. Наряду с необходимостью использования большого количества крепежных элементов, они также не могут поглощать удары. К этому добавляются высокие первоначальные затраты, поэтому чугунные шпалы экономически нецелесообразны.

3. Стальная шпала. Стальные шпалы служат на железных дорогах несколько десятилетий. В отличие от деревянных, стальные шпалы не подвержены гниению и не поражаются паразитами. Использование стальных шпал обеспечивает лучшее и простое соединение между рельсом и шпалой. Помимо обеспечения превосходной боковой жесткости, стальные шпалы также имеют высокую стоимость лома. Благодаря более высокому качеству по сравнению с чугунными шпалами, после укладки не требуется повышенного внимания. Их устойчивость к ползучести также дает им дополнительное преимущество. Благодаря вышеупомянутым факторам, они подходят для высоких скоростей и больших нагрузок по сравнению с чугунными.

Однако стальные шпалы имеют и свои недостатки. Использование стальных шпал в соленых регионах делает их подверженными коррозии. Их неспособность подходить для всех участков рельсов и ограничение по использованию только с камнями в качестве балласта, действуют как демпфер, снижающий их использование. Стальные шпалы также могут получить серьезные повреждения в случае схода с рельсов. В таких случаях их замена неизбежна, что делает их экономически непривлекательными.

4. Бетонная шпала. С ожидаемым сроком службы около полувека бетонные шпалы являются самыми долговечными из всех вышеперечисленных шпал. Благодаря своему тяжелому весу, они могут обеспечить исключительную боковую устойчивость путей. Помимо устойчивости к коррозии по сравнению с другими материалами, бетонные шпалы демонстрируют высокую эффективность в борьбе с ползучестью. Их способность противостоять атаке термитов и пригодность для использования почти на всех видах почвы делают их широко распространенными. Хотя первоначальные затраты на производство этих шпал высоки, их окупаемость за полвека срока службы с лихвой компенсирует высокую стоимость.

Жесткий характер бетонных шпал делает их сложными в обращении. Их неспособность быть приспособленными к разным условиям эксплуатации по сравнению с деревянными шпалами создает некоторые проблемы. По сравнению с деревянными, бетонные шпалы жесткие. Обычные бетонные шпалы показали свою неспособность выдерживать циклический характер нагрузок, действующих на них в течение срока службы.
Железные дороги по всему миру сталкиваются с проблемой повышения эффективности своей работы. В рамках борьбы за повышение грузоподъемности и частоты поездок поездов широкое распространение получило использование высокоскоростных линий. Использование этих высокоскоростных путей оправдало применение предварительно напряженных бетонных шпал. Шпалы из предварительно напряженного бетона, по сравнению с вышеупомянутыми шпалами, служат дольше и требуют меньших затрат на обслуживание. Предварительно напряженные бетонные шпалы могут выдерживать статические и циклические нагрузки, действующие на них.

Основные неисправности в предварительно напряженных бетонных шпалах. Были рассмотрены обширные исследования, проведенные во всем мире по вопросам разрушения предварительно напряженных железобетонных шпал. На основе обзора литературы были определены основные причины разрушения предварительно напряженных бетонных шпал, которые описаны ниже.

Ухудшение рельсового седла.В современных предварительно напряженных бетонных шпалах наиболее часто встречается разрушение седла рельса. Существует много причин, по которым происходит разрушение седла рельса, и среди них абразивный износ седла является наиболее вероятным способом разрушения седла рельса [1]. Относительное движение между накладками и поверхностью бетонного седла рельса приводит к износу бетона с поверхности. Нагрузка от колес передается на подкладки, которые в свою очередь передают ее на рельс. Затем эти нагрузки воспринимаются шпалами. Во время этого процесса на границе между рельсом и подкладкой действует сдвигающая сила. Когда эта сила превышает статическое трение на границе раздела, происходит скольжение; бетон воспринимает передаваемую деформацию. Когда эта деформация в бетоне переходит предел усталости, это приводит к ухудшению состояния, и в конечном итоге после значительных циклов нагружения происходит отрыв частиц бетона от места посадки рельса [2].

Центрально-связанное повреждение и продольные трещины. В связи с постоянно растущим спросом на повышение эффективности железнодорожных перевозок железнодорожные пути повышенной прочности являются насущной необходимостью. Шпалы разрушаются при растяжении, испытывая большие по величине и высокочастотные нагрузки, возникающие во время движения поездов. Происхождение трещин было прослежено до места расположения сыромятной пробки, при этом основной причиной их развития стало растягивающее напряжение, возникшее в результате действия сил предварительного натяжения в этой же области. Эти напряжения в конечном итоге приведут к развитию продольных трещин из-за увеличения растягивающего напряжения вокруг этой области[4].

Сход с рельсов и ударная нагрузка. Сход поездов с рельсов происходит на этапе эксплуатации из-за ошибки руководства или дефектов на путях, которые не удалось обнаружить. Помимо безвозвратной потери жизни, сход с рельсов приводит в неработоспособное состояние пути. Мощная сила, с которой сталкиваются железнодорожные шпалы в случае схода с рельсов, обычно повреждает их до неузнаваемости. Из-за этого непоправимого вреда шпалы необходимо заменять, что существенно влияет на экономику железнодорожных перевозок.

Колесные нагрузки большой величины, действующие в течение короткого времени, действуют на железнодорожные шпалы всякий раз, когда по ним движутся поезда. Эти нечастые нагрузки оказывают динамическое ударное воздействие и могут привести к образованию трещин [5]. Такой тип нагрузки является результатом плоских колес и погруженных рельсов. Эти факторы могут создать силу в 400 кН на одно рельсовое седло за период менее десяти миллисекунд. В современном международном сценарии большинство руководств рассматривают только статические и динамические нагрузки без особого внимания к ударным нагрузкам. Ученые провели исследования ударного поведения предварительно напряженных бетонных шпал. Они провели полевые исследования на транспортном объекте угольной шахты, чтобы определить предельную энергию удара, которую шпалы могут выдержать, прежде чем они разрушатся в результате раскалывания [6].

Необходимость в новых материалах.  Железнодорожные шпалы, используемые во всем мире, сталкиваются с необычайно высокими эксплуатационными требованиями. Даже жесткие и высококачественные предварительно напряженные бетонные шпалы не выдерживают современных эксплуатационных требований. Исследования по всему миру показывают, что во многих районах предварительно напряженные бетонные шпалы не выдерживают пятидесятилетнего срока службы. Основными факторами разрушения шпал являются ударные и динамические нагрузки большой величины, действующие на шпалы. В тех местах, где по-прежнему используются модифицированные деревянные шпалы, их гниение и распад все еще представляют угрозу. Коррозия и неудобство в обращении вытеснили стальные и чугунные шпалы из обихода железнодорожных операторов. Это привело к значительному увеличению затрат на замену и обслуживание железнодорожных путей. Таким образом, эволюция материала шпал для удовлетворения современных требований высокой производительности при низком уровне технического обслуживания стала необходимостью времени. Это требование обуславливает необходимость проведения научных исследований по потенциальной замене существующих материалов.