Реферат на тему умные материалы
Обновлено: 30.06.2024
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Умные материалы. Презентация на заданную тему содержит 36 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Лекция Умные материалы Понятие, типология и виды умных материалов Направления развития умных материалов Использование нанотехнологий в текстиле
Материал - это искусственно созданное и обработанное человеком вещество, или комбинация веществ, из которых состоит рассматриваемый объект. Свойства материала должны быть достаточны для выполнения объектом его полезного предназначения. Материал - это искусственно созданное и обработанное человеком вещество, или комбинация веществ, из которых состоит рассматриваемый объект. Свойства материала должны быть достаточны для выполнения объектом его полезного предназначения.
Умные материалы «Умные" материалы - "интеллектуальные" материалы (англ. smart materials) — класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию материалов, которые объединяет проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др.) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и д
Типология умных материалов: Адапторы - это материалы, которые под влиянием внешнего воздействия изменяют свои характеристики 2. Трансформаторы - материалы, которые преобразуют энергию внешнего воздействия в выходное действие (сигнал "отклика"), изменяя при этом вид энергии или ее интенсивность: 2.1 актуаторы - преобразуют энергию различных видов полей в механическое перемещение 2.2 индикаторы (сигнализаторы тревоги, Аlarm devices) - это материалы, преобразующие энергию различных видов воздействий (поля или вещества) и ресурсы среды в сигнал отклика, который воспринимается человеком без использования дополнительных устройств. 3. Нейтрализаторы (neutralizers, аналоги "мудрых" материалов) - это такие вещества, которые не только обнаруживают вредное воздействие, но и сами устраняют причины его возникновения.
Виды умных материалов: 1. Полимерные гели - способны в сотни раз изменять свой объем при небольшом изменении внешних условий (температуры, состава растворителя, водородного показателя среды — pH). 2. Материалы, обладающие эффектом памяти формы (нитинол и др.) – изменяются под воздействием нагревания, охлаждения 3. термо- и фоточувствительные материалы – изменяются под воздействием температуры и света (напримеры: стекло, которое может становиться то прозрачным, то матовым; электролюминесцентную ткань, которая делается ярче или темнее в зависимости от уровня освещения) 4. магнито- (электро) -стрикционные материалы – изменяются под воздействием магнитного или электрического плоя 5. Пьезоматериалы – изменяются при приложении силы.
Пленка-тестер (тип умного материала – индикатор) Пленка-тестер (тип умного материала – индикатор) Пленку предлагают помещать в каждую упаковку с продуктом. Пленка реагирует на биогенные амины, которые врабатываются при разложении продукта. Пленка-тест меняет свой цвет с желтого на синий в случае обнаружения опасности.
Использование сплавов с эффектом запоминания формы в жалюзи, регулирующих поступление охлаждающего воздуха
Умные тапочки Сохраняющая форму синтетическая губка является воздухопроницаемым и термореактивным материалом. Этот материал реагирует на тепло Вашего тела, и приобретает форму стопы так, как будто тапочки были сделаны на заказ по отпечатку Вашей ступни.
2. Направления развития умных тканей 1. Интеллектуальный текстиль- это создание и промышленное освоение технологий, обеспечивающих получение текстильных материалов с широким набором новых свойств, расширяющих области их применения. 1.1. Электронный текстиль - новое поколение ткани, в волокна которой вплетены микропроцессоры, электролюминесцентные частицы, светоизлучающие диоды (LED) и различные сенсоры.
Функции электронного текстиля Позволяет изменять внешний вид ткани Выполняет функцию сканирования пульса, частоты дыхания, температуры тела и пр. Реагирует на эмоции человека
1.2. Материалы с новыми свойствами, полученные в том числе с использование нанотехнологий. Например, одежда, которая адаптируется к изменениям температуры. Материал состоит из длинных цепочек молекул полимеров. Когда температура повышается, разрывы в этих полимерах увеличиваются, впуская воздух и выпуская воду. В холодную погоду разрывы, "помня" об исходном состоянии, закрываются, позволяя телу сохранить тепло. 1.2. Материалы с новыми свойствами, полученные в том числе с использование нанотехнологий. Например, одежда, которая адаптируется к изменениям температуры. Материал состоит из длинных цепочек молекул полимеров. Когда температура повышается, разрывы в этих полимерах увеличиваются, впуская воздух и выпуская воду. В холодную погоду разрывы, "помня" об исходном состоянии, закрываются, позволяя телу сохранить тепло.
Термобелье выполняет двойную функцию: сохраняет тепло и отводит влагу. Высокотехнологичные ткани сплетены таким образом, чтобы тепло человеческого тела задерживалось в воздушной прослойке и не выходило наружу. Ткань позволяет сохранять тепло, так как испаряемая телом влага тут же выводится на поверхность белья, с которого быстрее испаряется
2. Колористическое направление развития умных тканей Колористическое направление связано с разработкой принципиально новых видов армейского камуфляжа и развитием моды, предлагающей одежду с необычными цветовыми эффектами. Суть их состоит в использовании фото-, термо- и гидрохромных красителей. Окрашенные ими ткани могут изменять цвет под действием воды, тепла и света подобно хамелеонам. Изменения могут иметь локальный характер неопределенной формы и четко выраженный рисунок на тех или иных деталях или участках одежды.
Задачи, решаемые с использованием нанотехнологий при производстве тканей Изменение внутренней структуры ткани, сформированной из наночастиц, с целью придания материалам очень высокой прочности и совершенно новых свойств, отсутствующих при получении материала по традиционной технологии. Например, обычно хрупкая керамика при получении ее по нанотехнологии проявляет пластичность. 2. Наполнение волокон наночастицами. Такие волокна малоусадочны, имеют пониженную горючесть, повышенную прочность на разрыв и истирание и в зависимости от природы вводимых наночастиц могут приобретать другие защитные свойства, требующиеся человеку.
3. Придание нановолокнам ячеистой, пористой структуры с наноразмерами пор. При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение легких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образующиеся нанопоры волокон могут быть заполнены различными жидкими, твердыми и даже газообразными веществами с различным функциональным назначением (медицина, ароматизация текстильных полотен, биологическая защита). 3. Придание нановолокнам ячеистой, пористой структуры с наноразмерами пор. При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение легких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образующиеся нанопоры волокон могут быть заполнены различными жидкими, твердыми и даже газообразными веществами с различным функциональным назначением (медицина, ароматизация текстильных полотен, биологическая защита).
5. Использование нанотехнологий в заключительной отделке тканей в виде наноэмульсий и нанодисперсий. При этом материалам могут придаваться такие свойства, как водо- и маслостойкость, пониженная горючесть, противозагрязняемость, мягкость, антистатический и антибактериальный эффекты, термостойкость, формоустойчивость и др. 5. Использование нанотехнологий в заключительной отделке тканей в виде наноэмульсий и нанодисперсий. При этом материалам могут придаваться такие свойства, как водо- и маслостойкость, пониженная горючесть, противозагрязняемость, мягкость, антистатический и антибактериальный эффекты, термостойкость, формоустойчивость и др. Наиболее известной нанотехнологией заключительной отделки является отделка Teflon, обеспечивающая водо-, масло-, грязезащитные эффекты.
7. Материалы с селективным высвобождением, которые нашли применение в создании имплантационных медицинских тканей. Биоразлагаемые волокна используются в качестве хирургических имплантатов, искусственной кожи и нетканых материалов для перевязки ожоговых ран. Как правило, подобные перевязочные материалы содержат в себе лекарственные препараты пролонгированного действия. 7. Материалы с селективным высвобождением, которые нашли применение в создании имплантационных медицинских тканей. Биоразлагаемые волокна используются в качестве хирургических имплантатов, искусственной кожи и нетканых материалов для перевязки ожоговых ран. Как правило, подобные перевязочные материалы содержат в себе лекарственные препараты пролонгированного действия.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ это материалы, свойства которых изменяются при воздействии каких-либо внешних факторов УМНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СМАРТ МАТЕРИАЛЫ механические нагрузки электрическое или магнитное поля температура свет влажность химические свойства среды
ТИПОЛОГИЯ УМНЫХ МАТЕРИАЛОВ Адаптеры Трансформаторы Нейтрализаторы актуаторы индикаторы материалы, которые под влиянием внешнего воздействия изменяют свои характеристики преобразуют энергию различных видов полей в механическое перемещение это материалы, преобразующие энергию различных видов воздействий (поля или вещества) и ресурсы среды в сигнал отклика материалы, которые преобразуют энергию внешнего воздействия в выходное действие это такие вещества, которые не только обнаруживают вредное воздействие, но и сами устраняют причины его возникновения
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ УМНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1. Пленка-тестер (ингибитор) 2. Умная обувь для танцоров 3. Умные кроссовки
Сегодня чтобы контролировать работу устройств, нет необходимости присутствовать во время процесса его работы, достаточно установить специальный датчик — получаем smart-устройство. Но что если в качестве материала для производства техники, будет использоваться сам датчик. То есть техника становится более совершенной еще в момент ее создания, и фиксировать и подстраиваться под те или иные изменения умные материалы будут самостоятельно?
Что такое умные материалы
Изотропная эра, прощай
На протяжении многих лет при разработке тех или иных устройств, инженерами использовались изотропные материалы – те, поведение которых можно было предсказать. Например, всем известно, как будет вести себя металлическая конструкция, подверженная сильному холоду или наоборот излишне повышенной температуре.
Сегодня в производстве начинается новый этап – использование анизотропных материалов с гибкими свойствами. Это позволяет совершать ранее невозможные процессы.
Так, например, крыло самолета будет изготовлено из изотропных материалов, но покрыто слоем наносенсоров, которые будут реагировать на любые воздействия. В случае повреждения, сенсоры посылают сигнал к микросферам (как нервная система), наполненным пластичным материалом. Он высвобождает свое содержимое, тем самым восстанавливая целостность крыла.
Материал уже заинтересовал производственных гигантов, таких как компания Airbus, которая приступила к тщательному исследованию умных материалов на базе Университета Бристольского национального композитного центра (Великобритания). В случае успеха, разработчики вплотную приблизятся к внедрению умных материалов в самолетостроение.
Применение умных материалов в разных отраслях
Автомобильная промышленность
Над проектом Hack Rod (Южная Калифорния, США) работает множество энтузиастов, целью которых является создание первого в мире автомобиля из умных композитных материалов и оснащенным искусственным интеллектом.
Строительство
Потенциал смарт-материалов может быть использован практически в любой сфере, в том числе и строительстве. Это может быть самовосстанавливающееся дорожное покрытие, или умный бетон для возведения устойчивых к разрушениям зданий.
Текстильная отрасль
Сложно себе представить, но возможно в будущем, одежда также сможет регенерировать поврежденные участки. В научном комплексе AFFOA разрабатывают уникальную ткань, которая в дополнение ко всему прочему, сможет накапливать и преобразовывать энергию, следить за состоянием здоровья владельца, подстраиваться под особенности его фигуры.
Для экипировки военнослужащих также могут появиться новые возможности. Smart одежда позволит быстро адаптироваться к погодным условиям: удерживать тепло во время холодной погоды, и наоборот становится максимально вентилируемой в жаркие дни.
И даже пыль будет умной
Ученые достигли определенных успехов в своих попытках создать совершенный материал, однако пока не удалось побороть существенный недостаток – высокая стоимость на обслуживание производственного процесса. Но, несмотря на это, уже сейчас можно смело утверждать, что умные материалы откроют новые перспективы для любых производств и нашу повседневную жизнь.
1. Наноматериалы
2. Материалы активные и умные
3. НаноБетон
4. Наноматериалы и стали
5. Наноматериалы и древесина
6. Наноматериалы и стекло
7. Настоящее будущее наноматериалов в строительстве
8. Нанотехнологии в медицине
9. Использование углеродных наноматериалов как биосовместимого модификатора медицинских имплантатов
10. Заключение
11. Список литературы
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.
Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.
Нанокристалл — отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку, характеризующийся анизотропией свойств и имеющий размеры (хотя бы один) ≤ 100 нм. Вообще говоря, любой материал с характерными размерами менее 1 микрометра следует относить к наночастицам, а не к нанокристаллам. Например, любую частицу, в которой присутствует упорядоченная область, следует относить к наночастице или нанокластеру в зависимости от количества измерений в пространстве. В случае трехмерного расположения атомов в пространстве элемента твёрдого вещества логично вытекает название — нанокристалл. Эти материалы имеют большой технологический потенциал, так как многие их электрические и термодинамические свойства зависят от их размеров, и, следовательно, могут контролироваться во время технологического процесса. Кристаллические наночастицы, образуя монокристаллические системы, интересны для изучения макроскопических кристаллов из-за отсутствия дефектов и межзеренных границ. Полупроводниковые нанокристаллы с размерами менее 10 нм также известны как квантовые точки. Кристаллические наночастицы, изготовленные из цеолита используются в качестве фильтра для перевода сырой нефти в дизельное топливо на очистительном заводе ExxonMobil в Луизиане. Данный метод дешевле, чем конвекционный. Основы из кристаллических наночастиц используются в качестве новых типов солнечных батарей (SolapPly компании Nanosolar). Данные панели дешевле других типов панелей, более гибкие, а также утверждается, что их эффективность составляет 12% (конвекционные недорогие органические солнечные панели преобразуют 9% солнечного тепла в электричество).
Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.
Наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.
Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса
Строительная индустрия – один из столпов современной цивилизации. В 2007 году, последнем перед мощным финансовым кризисом, сфера строительства в Европе имела валовый годовой оборот 350 млрд евро и представляла рабочие места каждому десятому трудоспособному гражданину. Ежегодно в мире производится порядка 1 м3 бетона на одного жителя планеты Земля. Естественно предположить, что даже небольшие изменения, например, появление новых материалов, в столь массивной отрасли хозяйства породят ощутимые эффекты для всемирной экономики.
Усталость материала – одна из основных причин разрушения стальных конструкций, подверженных циклическим нагрузкам (мосты, башни и т.п.). Даже напряжения намного меньшие, чем пороги разрушения, могут приводить при периодическом повторении к уменьшению времени жизни изделия. Современная философия строительства включает в себя три основных превентивных стратегии: резкое уменьшение допустимой нагрузки на конструкцию; значительное сокращение допустимого периода ее эксплуатации; регулярный мониторинг состояния. Все три подхода оказывают значительное влияние на стоимость строительства и эксплуатации конструкции.
Цементную плитку покрывают краской на основе нанокомпозита, что делает ее стойкой к непогоде
Исследования показали, что добавка к стали небольших наночастиц меди сглаживает неоднородность поверхности стали, уменьшая таким образом количество точек, в которых концентрируются напряжения. Дальнейшая разработка таких композиционных материалов позволит существенно увеличить безопасность металлических конструкций при одновременной экономии средств мониторинга их состояния.
Высотные конструкции требуют создания высокопрочных соединений, что предъявляет особые требования к используемым в таких соединениях болтам. Обычно их производят закаливанием стали и ее последующим отпуском. Когда сдвиговой модуль упругости мартенситной стали превышает 1200 МПа, даже очень малые количества водорода, попадающего на межзеренные границы, существенно охрупчают материал. Этот процесс, известный как отложенное разрушение, ограничивает сдвиговой модуль упругости используемых болтов в диапазоне 1000–1200 МПа. При добавке наночастиц ванадия или молибдена, связывающих атомы водорода и улучшающих микроструктуру материала замещением межзеренной цементитной фазы, порог отложенного разрушения стальных изделий значительно повышается.
Сварные швы и прилежащие к ним области часто охрупчаются и могут разрушиться при резкой динамической нагрузке, поэтому прочность сварных швов имеет большое значение для создания надежных металлических конструкций, особенно в сейсмоопасных зонах планеты. Последствия землетрясения в Лос-Анджелесе в 1994 году заставили ученых и конструкторов переосмыслить значение зон сварки.
Современные стратегии дизайна металлических конструкций включают в себя сознательное ослабление определенных зон с целью переноса областей повышенного напряжения как можно дальше от зон сваривания. Однако последние исследования показывают, что небольшие добавки наночастиц магния или кальция в пять раз уменьшают размер зерен в сварных швах, увеличивая существенно их прочность.
Самокомпактирующемуся бетону не нужна вибрация, он густеет благодаря наночастицам поликарбоксилата
Отметим, что перечисленные выше возможности применения наночастиц можно рассматривать не только с точки зрения безопасности, но и с точки зрения экологии: продление жизни конструкций поможет снизить нагрузки на природу, связанные с добычей и транспортировкой руды, производством стали.
В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.
Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.
Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.
Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!
Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются.
Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.
Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.
Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.
Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитии исследований в этой области, они предложили установить правительственный контроль над исследованиями.
Такой надзор, может предотвратить случайную катастрофу, например когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.
Рей Курцвейл - к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку, по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.
В результате мы видим, что нанотехнологии, которые так активно развиваются человеком скоро на всех уровнях проникнут в жизнь человека. Нанороботы, созданные человеком, вскоре будут воспроизводить сами себя. Имея размер клетки, они будут находится в организме человека. Следя за его состоянием.
Наноматериалы, созданные человеком, имеют сверхпрочность и лёгкость. Созданные в медицинских целях, они имеют гораздо лучшие показатели, чем обычные материалы.
Читайте также: