1 Материал – это обработанное человеком вещество, или комбинация веществ, предназначенная для создания некого элемента макроскопической ТС, выполняющего полезную функцию. Материал включает, как минимум, Инструмент и Трансмиссию. МЕТОДЫ ТРИЗ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ - TRIZ in MATERIAL SCIENCE

2 Развитие ТС по S -кривой A B Детство Развитие Старость Главная характеристика системы Детство Время Старость Развитие

3 ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ РЕШЕНИЙ ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

4 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Изменение удельной прочности во времени Удельная прочность, МПа*см 3 /г

5 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Зависимость удельной прочности химических волокон от года начала их промышленного выпуска.

6 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Зависимость удельной прочности пластмасс от года начала их промышленного выпуска. Удельная прочность, МПа*см 3 /г

7 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Изменение удельной прочности материалов во времени Камень Медь и сплавы Железо и сплавы Медь и сплавы Железо и сплавы Алюминий Титан Время от начала каменного века Абсолютное время

8 МЕТОДЫ ТРИЗ В ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ Схематичное изображение различных видов макромолекул: 1 – линейные; 2 – разветвленные; 3 – сшитые (сетчатые) Схематичное изображение процесса полимеризции полиэтилена

9 ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ТЕЛ ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ И ИХ УЧЕТ В ТЕХНИКЕ 1)Подавить ВЭ 2) Предотвратить ВЭ 3) Превратить ВЭ в пользу. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ТЕРМИЧЕСКИМ ДЕФОРМАЦИЯМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ Если наблюдается Вредный Эффект, то мы можем :

10 ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ: Противодействие термическим деформациям ?

11 ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ: Предотвращение термических деформаций Получение железо-никелевых металло-оксидов: Материал с отрицательным термальным расширением получен коэкструзией из железо-никелевого сплава с окисью с последующим спеканием. Предметы содержащие в конструкции биметаллические части могут показывать отрицательное термальное расширение. Монолитный образец с 162 клетками блока сплавов Fe-60Ni и Fe-36Ni показал коэффициент термального расширения –3.0 × 10 –6 /°C в соответствии с оптимальным прогнозом конструкции; Искусственный материал с отрицательным коэффициентом термального расширения. Состав: сплавы Ni-Fe. Размер блока: 600 µm. Самый малый размер: 60 µm. CTE=-3.2 (µ/ °C) Positive CTENegative CTE elongation contraction t = 20 t = 80

12 ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ Расширение изделия с использованием термического расширения инструмента Сжатие изделия по двум осям с использованием термического расширения инструмента. Соединение деталей с использованием термического расширения инструмента

13 ПУСТОТА В МАТЕРИАЛАХ Линия развития кирпича.

14 Методы получения пустоты в материалах Исх.\Возд 1. Осно- ва 2. Пус- тота 3. Меха- ническое 4. Акус- тичес- кое 5. Терми- ческое 6. Хими- ческое 7. Элект- ричес- кое 8. Маг- нитное 9. Элект- ромаг- нитное 10. Поро- образо- ватель 1. Основа 1.1 терми­ ческая усадка. 1.2 вве- дение шариков 1.3 пенообр азование электрол из фото- поли- меризац ия 1.10 выжи- гание каркаса 2. Пустота 2.1 яче- истые структур ы и спекание Х Порообр азовател ь 3.1 эм- мульсии и студни Х3.3 вспе- нива-ние термиче ское разложение порообр азовател я. 3.6 химичес кое разложение порообр азовател я. 3.7 метал- лизация поверхн ости вспенивание и поли- мери- зация Х

15 «ИСЧЕЗАЮЩИЕ» МАТЕРИАЛЫ Взаимные переходы состояния веществ Состояние исходное / конечное тверд ое порошо к жидкостьгаз твердое- Раздро- бить Расплавить Сублимиро- вать, или разложить порошок Скле- ить - Расплавить Сублимиро- вать, или разложить жидкость Замороз ить ?- испарить, или разложить газ?? Сконденсиров ать - Диаграмма фазового состояния воды Т Р 273К Твердое Жидкость Газ

16 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ «Умный Материал» – это ни что иное, как полная Техническая Система, свернутая в РО и скрытно включающая в себя все остальные элементы ТС. Отметим, что Источник Энергии может входит в состав ТС-«Умный Материал», а может быть и вне ее - как и для любой другой ТС. Но он всегда необходим для выполнения системой УМ ее ПФ.

17 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: классификация - Трансформаторы (Transformers) - материалы, которые преобразуют энергию внешнего воздействия в выходное действие (сигнал «отклика»), изменяя при этом вид энергии внешнего воздействия или ее интенсивность: -актуаторы, преобразующие энергию различных видов полей в механическое перемещение; - индикаторы (сигнализаторы тревоги, Аlarm devices), преобразующие энергию различных видов воздействий (поля или вещества) и ресурсы среды в сигнал отклика, который воспринимается человеком без использования дополнительных устройств; - Адапторы (Аdaptors) –материалы, которые под влиянием внешнего воздействия изменяют свои характеристики; - Нейтрализаторы (neutralizers) – это такие вещества, которые не только обнаруживают вредное воздействие, но и сами устраняют причины его возникновения.

18 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: трансформаторы Актуаторы: преобразование светового сигнала в линейное перемещение Фотополимер. Группой исследователей из Германии и Великобритании впервые экспериментально показано, что некоторые полимеры изменяют форму также и под действием света. На «макроуровне» это проявляется в значительном изменении линейных размеров пленки эластомера: авторы работы зафиксировали изменение порядка 20% (полоска полимера стала короче, увеличившись в толщине). После «выключения» света пленка возвращается в исходное состояниеэластомера Вепольное представление «умного» материала - трансформатора

19 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: индикаторы Индикаторы: индикаторы температуры - «Smart» lid Остроумное решение для магазинов, где торгуют кофе «на вынос». Крышка изменяет свой цвет от коричневого к яркому красному и показывает температуру жидкости внутри.

20 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: адапторы Вепольное представление адаптора Адапторы: повышение твердости при электрическом воздействии: Electro-rheological fluids - жидкости стали твёрже пластика. Пин Шен (Ping Sheng) и его коллеги обнаружили, что таким свойством обладают наносуспензии - они могут по твердости соперничать с пластиками. Коллоидные суспензии имеют предел тягучести, который устойчиво увеличивается в присутствии электрического поля. Этот эффект возникает, потому что частицы поляризуются в электрическом поле и выстраиваются в колонны, которые очень сложно разрушить. Крепость такой жидкости значительно превышает крепость обычных тягучих жидкостей, твердость которых сравнима с твердостью тофу (5-10 к Па). С пределом тягучести 130 к Па при сильном электрическом поле, эти новые жидкости уже можно использовать в механических приборах (клапанах, замках, амортизаторах и др.).

21 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: нейтрализаторы Нейтрализаторы: самозалечивающиеся материалы. В полимерный материал, выполненный на основе эпоксидной матрицы, вводятся микрокапсулы с «залечивающей жидкостью» (циклопентадиеном) и катализатора. Когда же в материале возникает дефект (трещина), то, распространяясь, она разрушает стенки микрокапсулы, а также в каком-либо месте выходит и на вкарапление катализатора. Циклопентадиен вытекает заполняет трещину и полимеризуется.

22 «УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ Инструмент Воздействие 1. М2. А3. Т4. Х5. Э6. М7. ЭМ 0. Время Изменение механических свойств в зависимости от времени. Выделение во времени: биологически активных веществ, антиоксидантов, лекарственных веществ, ароматизаторов, прочих веществ. Запаховая индикация свежести продуктов. Цветовая индикация времени. 1. М Усиление механического сигнала взрывом. Снижение вязкости при механическом воздействии. Повышение прочности при механическом воздействии. Восстановление прочности при механическом воздействии. Восстановление поверхности при механическом износе. Звуковая индикаци я удара. Преобразован ие механическог о сигнала в тепло, в поглощение тепла. Пьезоэлектри ческие материалы Цветовая индикация нагрузки. 2. А Противод ействие шуму Цветовая индикация звука. сонолюминесценция. 3. Т Пиро-механические материалы: преобразование температуры в: давление, линейное перемещение, изменение объема, изгиб. Повышение прочности при термическом воздействии. Звуковая индикаци я горения Усиление термического сигнала. Изменение в зависимости от температуры теплопроводности и теплосодержания. Запаховая индикация температуры Пироэлектрич еские материалы (ПЭМ). Цветная индикация охлаждения, нагрева, изменения температуры, температурного режима хранения Термохромные материалы (ТХМ) и в изменение прозрачности 4. Х Хемо-механические материалы: преобразование химического сигнала в: линейное перемещение, в изменение объема. Звуковая индикация химических реакций. Запаховая индикация вредных веществ. Обеззараживание поверхности, очистка поверхностей, очистка воздуха, противодействие намоканию. Цветная индикация: сохранности продуктов, состояния здоровья, вредных веществ, ядовитых газов и токсинов, влажности, коррозии металлов. Оптическая индикация: вредных веществ, ядовитых газов, раковых клеток, вирусов и токсинов. Хемохромные материалы (ХХМ). 5. Э Электрострикционные материалы: преобразование электрического сигнала в линейное перемещение. Повышение вязкости при электрическом воздействии. Повышение твердости при электрическом воздействии. Преобразование электрического сигнала в тепло. Изменение при электрическом воздействии адгезии и поверхностного натяжения. Изменение сопротивления при термическом воздействии Электрохромные материалы (ЭХМ) и изменение прозрачности. Электролюминисцентные материалы (ЭЛМ) 6. М Магнитострикционные материалы: преобразование магнитного сигнала в изменение объема. Магнитокалоричес кие материалы (МКМ). Цветная индикация магнитного поля: 7. ЭМ:Фотомеханические материалы: преобразование светового сигнала в линейное перемещение. Уменьшение адгезии под действием света: Фотоэлектрически е материалы (ФЭМ). Цветная индикация облучения светом и дозы радиации. Фотохромные материалы (ФХМ) и поглощение электромагнитного сигнала. Люминофорные материалы (ЛФМ) Изменение цвета в зависимости от интенсивности излучения.

23 ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБЫЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВВЕДЕНИЕ ПУСТОТЫ (пористые материалы) ПУСТОТА ОБРАЗУЕТСЯ САМА («исчезающие» материалы) МАТЕРИАЛЫ САМИ ВЫПОЛНЯЮТ ФУНКЦИЮ («умные» материалы) УМ-Трансформаторы УМ- Адапторы УМ- Нейтрализаторы Превратить ВЭ в пользу Предотвратить ВЭ Подавить ВЭ Идеальность системы Время развития системы

24 ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ: 1. Появление новых материалов соответствует основным закономерностям и описывается основными инструментам ТРИЗ. 2. Повышение удельных характеристик материала (повышение идеальности) происходит по S – образной кривой, причем крутизна наклона кривой каждого нового материала растет быстрее. 3. Развитие материала не прекращается с появлением принципиально нового материала и сопровождается дальнейшим улучшением его свойств. 4. Индивидуальные кривые развития всех материалов, имеющих массовое применение, могут быть интегрированы единой огибающей линией, которая соответствует развитию системы «материалы для изготовления Инструмента». 5. Для описания развития материалов применимы все основные инструменты ТРИЗ: Тренды Развития Технических Систем, Принципы и система стандартов.