Создание и применение композиционных материалов в быту и строительстве

Государственное Образовательное  Учреждение

Гимназия №1505

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Создание и применение композиционных материалов в быту

 и строительстве»

 

 

 

 

 

Выполнила: ученица 9 класса «Б»

Бобр Полина

 

Научный руководитель: Пурышева Н.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011 г.

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………..........        3

Основная часть…………………………………………………………………………………        5

§1. Строение и свойства твердых тел…………………………………………………………        -

§2. Что такое композиционные материалы……………………………………………..........      10

§3. Композиционные материалы в быту и строительстве…………………………………..      13

Заключение……………………………………………………………………………………..      19

Список литературы…………………………………………………………………………….      21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 
              Тема моего реферата выбрана  в связи с проявлением большого интереса к современным материалам, их созданию и применению в строительстве и быту. Современные материалы проходят длительный необычный процесс создания. А распространены они настолько широко, о чем современные люди и не задумываются. Композиционные материалы буквально окружают нас всюду.

 Проблема создания современных материалов очень актуальна в наше время, так как развитие промышленного производства, строительства, потребности повседневной жизни человека требуют создания материалов, обладающих определенными свойствами. К сравнительно новым материалам относятся композиционные материалы, которые постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны и расширяются день ото дня. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего. Кроме того, без них современный человек и сейчас не обошелся бы. Наиболее необходимы они в строительной и бытовой отраслях, т.к. современные материалы служат "фундаментом" в данном случае. Без современных материалов невозможно было бы дальнейшее развитие бытовой и строительной отраслей.  
              Целью моего исследования является расширение своих познаний в области физики, материаловедения. Также я предполагаю расширить знания о процессе создания композиционных материалов и об их применении в быту и строительстве. Я предполагаю доказать, что без композиционных материалов человек не обошелся бы в современное время. Кроме того, что композиционные материалы являются материалами будущего. Следующая цель моего реферата - разобраться в типах композитов, понять разницу между их разновидностями. Кроме того, мне необходимо разобраться в преимуществах и недостатках композиционных материалов.  
              Задачей моего исследования является подробное изучение отобранной литературы, в которой говорится о долгом процессе создания композиционных материалов. Следующая задача моего исследования - узнать, как композиты применяются в быту и строительстве, и насколько они необходимы человеку в современное время. А главное, ответить на вопрос, почему современный человек не может обойтись без композиционных материалов в нынешнее время.  
              При написании реферата я использую теоретические методы научного исследования: анализ литературы, обобщение информации, ее систематизация. Путем рассуждений и умозаключений формулирую выводы. Также я корректирую новые и полученные ранее знания. Мне не приходится говорить о проверке теорий, так как материаловеды для получения этих данных проводили наблюдения и эксперименты. А для объяснения наблюдаемых фактов выдвигали гипотезы и строили теории, на основе которых формулировали выводы и предположения. А полученные вновь прогнозы проверяли экспериментом или сбором новых данных. Для обеспечения независимой проверки проводили наблюдения, обеспечивали доступность для других учёных всех исходных данных, методик и результатов исследований. Это позволяет получить дополнительное подтверждение путём воспроизведения экспериментов.  
               Результатом моего исследования будет являться точное представление о процессе создания композиционных материалов, об их применении в быту и строительстве, точное доказательство того, что композиционные материалы действительно необходимы в современное время. 
               Реферат состоит из введения, основной части, состоящей из трех параграфов, заключения и списка литературы. Во введении приводятся общие сведения о работе.           Первый параграф посвящен рассмотрению строения и свойств твердых тел. Этот параграф мне необходим потому, что перед тем, как начинать разговор о процессе создания композиционных материалов, их применении в быту и строительном деле, требуется разобраться в самих твердых веществах, а главное, в их строении и свойствах. Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. Кроме этого, я хочу разобраться в том, как знания о строении вещества позволяет влиять на свойства вещества и создавать материалы с определенными свойствами. Без этого параграфа бессмысленно дальнейшее обсуждение композиционных материалов.

Второй параграф посвящен описанию потребностей в композиционных материалах, их созданию и необходимости в быту и строительном деле. В этом параграфе описан долгий процесс создания композиционных материалов. Так же, я докажу, что современному человеку действительно необходимы композиционные материалы в быту и строительстве. Кроме того, я отвечу на вопрос, почему без композитов человек не обошелся бы в нынешнее время.

Третий параграф посвящен применению композиционных материалов в практике. Ведь мало кто знает, что композиционные материалы широко применяются в современное время. Также, я покажу, как именно композиты применяются в быту и строительстве. Далее будут следовать заключение и список литературы, использованный для написания реферата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§1 Строение и свойства твердых тел

 

Изучением строения и свойств твердых  тел занимаются различные науки: физика, химия, кристаллография. Для  получения отчетливого представления о строении твердых тел и его свойствах необходимо обращаться  к результатам исследования всех этих наук. Мы обратимся к физике твердого тела – науке о строении и свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях. Физика твердого тела составляет основную часть фундамента современных материалов. В большинстве случаев все современные материалы – материалы твердые.

Физика твердого тела изучает и  объясняет свойства твердых тел  для того, чтобы уметь предсказывать, как поведет себя твердое тело в различные условиях его эксплуатации. Кроме того, физика твердого тела должна указать, как можно получить новый материал, обладающий нужными свойствами, какова должна быть его структура. [1, c.6]

Большинство окружающих нас твердых  тел – поликристаллы. Они состоят из множества отдельных кристалликов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга. В куске породы нередко встречаются отдельные кристаллы – монокристаллы какого-либо вещества.

Кристаллы могут иметь идеальную  форму. Форму, которую принимает монокристалл тогда, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной. Форма эта имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами  и обладает симметрией.

Чаще всего вещества кристаллизуются в виду сложных многогранников, т.е они  бывают ограничены несколькими сортами равных между собой граней.

Основным законом кристаллографии  является закон постоянства углов. Он заключается в том, что в  кристаллах одного вещества углы между  соответственными гранями всегда одинаковы. Грани считаются соответственными, если они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами [1, c.10].

Различные кристаллы обладают разной симметрией. Если тело можно мысленно  пересечь плоскостью так, что каждой точке а тела с одной стороны плоскости будет соответствовать точка б, лежащая по другую сторону плоскости и приток так, что прямая аб, соединяющая эти две точки, перпендикулярна плоскости и делится этой плоскостью пополам, то это тело обладает зеркальной симметрией. Сама плоскость называется в этом случае плоскостью симметрии.

Кроме зеркальной симметрии, тела могут  еще обладать поворотной симметрией. Тело обладает поворотной симметрией, если при повороте на соответствующий  угол все части фигуры совмещаются  друг с другом. Ось, вокруг которой происходит вращение тела, называют осью симметрии.

Тела могут обладать еще центром  симметрии. Центр симметрии –  точка в середине тела, относительно которой любая точка тела имеет  другую соответствующую ей точку, лежащую на таком же расстоянии от центра в противоположном направлении. Больше одного центра симметрии в теле быть не может.

Ось симметрии, плоскость симметрии  и центр симметрии называют элементами симметрии.  Они определяют вид  симметрии. В 1867 г. впервые со своей очевидностью русский инженер и кристаллограф А.В. Гадолин доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии.

Симметрия, закон постоянства углов  и ряд других свойств привели  кристаллографов к догадке о  закономерном расположении частиц, составляющих кристалл. Они представили, что частицы в кристалле расположены так, что центры

тяжести образуют правильную пространственную решетку. У всех кристаллов она различна. В каждой пространственной решетке  можно выделить элементарную ячейку – повторяющийся элемент ее структуры.

Понятие о пространственной решетке  кристалла оказалось очень плодотворным. Оно позволило объяснить ряд  свойств кристалла.

Кристалл, имеющий идеальную форму, ограничен плоскими гранями и  прямыми ребрами. Это можно объяснить  тем, что плоскости и ребра кристалла всегда проходят через узлы пространственной решетки.

Кристаллы одного и того же вещества могут иметь разнообразную форму, так и кристалл, имея определенную пространственную решетку, может иметь  различную форму. Кроме того, она позволяет объяснить закон постоянства углов.

Плодотворность представления  внутреннего строения кристалла  в виде пространственной решетки  наиболее наглядно проявляется в  объяснении симметрии кристаллов. Все  разнообразие видов симметрии кристаллов может быть доказано на основе симметрии пространственных решеток [1, c.17].

Представление о пространственной решетке кристалла оставалось гипотезой  до 1912 г., когда были получены первые экспериментальные данные.

Подтверждение правильности представления  о внутреннем строении кристаллов стало возможным после открытия в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей.

В 1912 г.  другой немецкий физик Макс Лауэ предложил использовать эти  лучи для внутреннего строения кристаллов. Узких пучок лучей пропускают через монокристалл (рис.1). За монокристаллом расположена фотопластинка, завернутая в черную бумагу. После ее проявления, кроме центрального пятна – следа рентгеновских лучей,          рис.1                        прошедших через монокристалл без отклонения, видны пятна, которые получены в результате рассеяния лучей от атомных плоскостей кристалла (рис.2). В расположении частиц в кристалл есть определенная закономерность. Специалист по этой рентгенограмме определит порядок симметрии оси в кристалле и рассчитает ряд других параметров.   

Все кристаллы можно отнести  к четырем видам: ионным, молекулярным, атомным и металлическим.

Ионная связь достаточно сильно скрепляет частицы                               рис.2

вещества в кристалле, поэтому  они отличаются прочностью. Ионные кристаллы обладают плохой тепло – и электропроводностью. В них нельзя выделить отдельные молекулы. Каждый положительный ион одинаково сильно связан со всеми окружающими его отрицательными ионами.

В узлах решетки молекулярных кристаллов лежат молекулы с неполярной ковалентной связью. Молекула в отдельные моменты времени представляет собой электрический диполь. Диполи взаимно притягивают друг друга или отталкивают друг друга.

В основе ковалентной связи в  атомных кристаллах лежит «спаривание» их внешних электронов с образованием полностью заполненной валентной электронной оболочки. Атомные кристаллы  обладают большой твердостью, высокой температурой плавления.

Атом любого металла имеет незаполненную  валентную электронную оболочку.  При сближении атомов металла каждый из них готов предоставить электронам возможность занять незаполненные места в электронной оболочке. При соединении двух атомов металла электроны их получают возможность двигаться вблизи любого из атомов. При соединении следующих атомов металла возможности электронов перемещении возрастают.

В кристаллах молекулы обладают энергией. Силы притяжения и силы отталкивания зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, равном приблизительно сумме радиусов атомов, сила отталкивания равна силе притяжения, и результирующая сила становится равной нулю.

Сейчас стоит объяснить свойства, такие, как расширение тел при  нагревании, теплопроводность и теплоемкость, на основе структуры твердых тел, взаимодействия движения частиц, из которых они состоят [1, c.32].

Прежде всего, рассмотрим колебательное  движение. Под колебательным движением  понимают такое движение или изменение  состояния, при котором значения физических величин, характеризующих  это состояние или движение, определенным образом повторяются во времени. Колебательное движение можно охарактеризовать такими величинами, как полное колебание – движение маятника от точки В до точки С и обратно (рис.3), амплитуда – наибольшее отклонение маятника положения равновесия (точки А), период – время одного полного колебания, частота – число колебаний за 1 сек.

Такие колебания, которые происходят под действием внутренних сил, после  того, как маятник выведен из состояния 

            рис.3              равновесия, называют свободным. Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называют вынужденными. Распространение колебаний в пространстве представляет собой волновое движение. Каждая волна характеризуется длиной волны. Длина волны – расстояние, на которое распространяются колебания за время, равное одному периоду колебаний.

Все вещества в природе состоят  из большого числа маленьких частиц и находятся в хаотическом, тепловом движении. Взаимодействующие частицы  обладают взаимной потенциальной энергией. Состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия между ними и наименьшее значение их взаимной потенциальной энергии.  Потенциальная энергия (энергия связи) характеризует прочность связи частиц. Таким образом, движение частиц твердого тела можно считать колебательным движением.

Все тела при нагревании расширяются. При повышении температуры увеличивается  амплитуда колебаний атомов в  узлах кристаллической решетки. Среднее расстояние между двумя  соседними атомами не изменяется, следовательно, увеличение амплитуды колебаний при повышении температуры не ведет к тепловому расширению. Силы, действующие между частицами твердого тела, не являются упругими.  Этот факт является причиной теплового расширения. При возрастании температуры увеличиваются расстояния между узлами кристаллической решетки, т.е. происходит тепловое расширение тела.

Твердые тела обладают теплоемкостью. Теплоемкость тела показывает, на какую  величину изменяется внутренняя энергия  при изменении температуры на один градус. Внутренняя энергия неметаллических кристаллических тел складывается из кинетической энергии колебательного движения частиц, находящихся в узлах решетки, и энергии их взаимодействия.

Теплоемкость твердого тела обусловлена  теплоемкость его кристаллической решетки, движением свободных электронов. При комнатной температуре электроны практически не влияют на величину теплоемкости металлов, т.е. они незначительно изменяют свою энергию при нагревании на один градус.