Тема: Симметрия

Цели: 1. Познакомить с симметрией как преобразованием фигур на плоскости; изучить закономерности расположения симметричных точек и фигур; учить строить симметричные фигуры.

            2. Развитие математической речи, мышления, внимания, воображения, памяти,  умения работать в группе и самостоятельно.

            3. Воспитание взаимовыручки.

Оборудование:         1) мультимедийное оборудование;

2) экран;

3) компьютер;

4) диск с презентацией урока;

5) чистые листы для практической работы;

6) циркули для практической работы;

7) рисунки к задаче № 3;

8) рисунки к задаче № 4;

9) опоры для нахождения площади и периметра прямоугольника;

10) квадратики для творческого задания, листы бумаги, клей;

11)электронная игра

Ход урока:

Организационный момент: настрой учащихся на работу. Дети разделены на 4 группы.

II Устный счёт: работа проводится с использованием компьютера, мультимедийного проектора и электронной игры.

– Разложи карточки с верными ответами:

4500:9=500                                1500:50=30                                72000:8=9000

8000:2=4000                        3600:9=400                                9000:30=300

1800:9=200                                4200:600=7                                6400:800=8

14000:200=70                        5400:9=600                                42000:7=6000

Ответы: 7, 8, 30, 70, 200, 300, 400, 500, 600, 4000, 6000, 9000.

III Постановка проблемы:

– Назовите цифры, из которых составлены числа ответов.

Запись на доске: 0,2,3,4,5,6,7,8,9.

– Есть ли среди этих цифр симметричные? Какие? (0,8)

– Можно ли сказать, что фигура бабочки симметрична? А фигура собачки? (Работа по 1 слайду презентации)

IV Постановка темы и цели урока:

– Что такое симметрия? Дома вы должны были прочитать и выписать из толкового словаря, что означает это слово.

(Соразмерность, одинаковость в расположении частей чего-нибудь по противоположным сторонам от точки, прямой или плоскости). (Работа по 2 слайду презентации)

– Тема нашего урока Симметрия.

– А какова цель урока? (Научиться определять симметричные фигуры и строить их на плоскости).

V Работа по теме:

1. Практическая работа: (Работа по 3 слайду презентации):

– Нам надо на чистом листе бумаги обозначить 2 симметричные точки А и В. Как это сделать?

а) – Сложите пополам лист бумаги и проколите его ножкой циркуля. Разверните лист.

У вас получились 2 точки. Обозначим их А и В, а линию сгиба прямой L. В математике прямую L называют осью симметрии.

– Что интересного заметили в расположении точек А и В?

б) – Соедините точки А и В отрезком. Точку пересечения этого отрезка с прямой L обозначьте буквой О.

– Измерьте отрезки АО и ВО. Что можете о них сказать? (АО=ВО)

– Значит, точка О делит отрезок АВ на равные части. Отсюда следует, что АО=ВО.

Выводится 1 свойство.

в) – Теперь возьмём угольник и приложим к углу, который образуется отрезком АВ и осью симметрии.

– Какой угол получили? (Прямой)

– Прямые, образующие прямой угол называются перпендикулярными.

Выводится 2 свойство.

г) – А теперь, опираясь на доску, сформулируйте свойство симметричных точек.

(Симметричные точки расположены на прямой, перпендикулярной оси симметрии, на равном расстоянии от неё).

2. Работа по учебнику (с. 40):

– Откройте учебники на с. 40 и прочитаем текст во второй рамке.

VI Первичное закрепление:

1. № 2 (с. 40). Работа по группам:         а) 1 гр.

б) 2 гр.

в) 3 гр.

г) 4 гр.

Проверка: объясняют с места, опираясь на опору на доске (3 слайд).

2. – Определять симметричность точек научились, а как их построить? Мы же не будем всегда прокалывать циркулем бумагу.

№ 3. (с. 41). Коллективно у доски и в учебниках.

3. № 4. (с. 41). Построение отрезков (коллективно).

VII Работа над пройденным: (Работа по 4 слайду презентации)

1. Игра «Роботы»: (в тетрадях самостоятельно)

– По данной программе нарисуйте фигуру.

– Дорисуйте вторую половину фигуры так, чтобы она была симметрична первой.

– Проверьте, такая ли фигура у вас получилась? (на слайде появляется фигура)

2. Нахождение периметра и площади данной фигуры:

– Как найти периметр и площадь данной фигуры, если её стороны имеют такую длину. (Работа по 5 слайду презентации)

– Как найти периметр фигуры? Как рациональней это сделать? (Работа по 6 слайду презентации)

Решение:

        P=(6+3)*2=18 (см)

        S=6*1+2*2=10 (см2)

3. Составление симметричного узора (Работа в группах):

– Составьте из данных фигур симметричный узор.

– Как определить ось симметрии? (Согнуть лист)

Проверка.

VIII Итог: (Работа по 7 слайду презентации)

– Какова была цель нашего урока?

– Достигли мы её?

– Назовите признаки симметрии.

– Какие новые слова узнали?

Отметки учащимся.

IX Д/з:         № 5 (с. 41)

                № 10 (с.42)

Приложение №2

Строение твёрдых тел. Кристаллы.

Твердые тела во Вселенной присутствуют в значительно меньшем коли честве, чем газообразные. В основном это частицы межпланетной пыли, в небольшом количестве всегда примешанные к межзвездному газу. Однако их роль в эволюции вещества в природе очень велика: в тех областях, где плотность межзвездной пыли среды возрастает и особенно там, где увели чивается количество пыли, растет и плотность среды. Здесь возникают центры гравитационного притяжения и начинается быстрый процесс кон денсации значительной массы вещества. Всего лишь за несколько миллио нов лет оно превращается в планету или звезду.

Окружающие же нас предметы — в основном твердые тела. Наиболее характерной их особенностью является сохранение формы и объема. В обычных условиях твердое тело трудно сжать или растянуть. Для того, чтобы согнуть или разорвать его надо приложить значительное усилие. Кристаллы (от греч. слова krystalios, означающего лед) — твердые тела, обладающие периодической структурой и имеющие правильную геометрическую форму.

Их размеры могут быть различными: многие кристаллы можно увидеть только в микроскоп, но встречаются и гигантские. Кристаллы правильной геометрической формы редко встречаются в природе. Влияние таких факторов, как колебания температуры, влажность, давление, трение о другие твердые тела, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму.

Строение кристаллов. Кристаллические тела, в свою очередь, делятся на поликристаллы (поли — от греч. слова poly, означающего много, многое — в сложных словах соответствует по значению слову много) и монокристаллы. Большинство твердых тел — поликристаллические. Они состоят из множества отдельных беспорядочно ориентированных мелких монокристаллов (кристаллических зерен) — кристаллитов.

Поликристаллическую структуру имеют многие горные породы, металлы и сплавы. Так, например, поликристаллическую структуру чугуна можно обнаружить с помощью лупы при рассмотрении образца на изломе.

Крупные одиночные кристаллы называют монокристаллами. В природе встречаются монокристаллы различных размеров — от громадных (массой в несколько тонн) кристаллов кварца, флюорита, полевого шпата до мелких кристаллов алмаза и др. Для научных и производственных целей монокристаллы выращивают в специальных установках.

Монокристаллы, выросшие при определенной температуре и давлении, имеют форму правильных многогранников, грани — плоские, ребра между ними — прямолинейные, углы между гранями кристалла одного и того же вещества постоянны.

Приложение №3.

Симметрия кристаллов.

Мир кристаллов - удивительный мир многогранников, привлекающих совершенством и красотой геометрических форм. Это кристаллы обычной поваренной соли и драгоценные камни, кварц, слюда, кристаллы многих горные породы.

Их внутреннее строение подчиняется строгим законам симметрии. Так, любой кусок металла состоит из маленьких кристалликов, и в каждом атомы расположены в пространстве строго периодически. Явление симметрии вам знакомо из примеров окружающей жизни. Симметрична бабочка. Форма и окраска правого крыла повторяю очертания и рисунок левого. Когда бабочка сложит крылья, эти рисунки совмещаются.

Симметричны снежинки. У шестиугольной снежинки вы легко обнаружите шесть плоскостей симметрии. Центры атомов кристаллов образуют кристаллическую решётку, которая состоит из повторяющихся частей. Её можно разбить на совершенно одинаковые параллелепипеды, сдвинутые параллельно по отношению друг к другу. Это важнейшее свойство кристаллов называется трансляционной симметрией (трансляция - параллельный перенос в пространстве на определенное расстояние). Такое устройство кристаллов впервые описал в 1783 г. французский аббат Р. Ж. Аюи. Он заметил, что любой кристалл исландского пшата можно разбить на равные ромбоэдры. Предположение о том, что форма снежинок -следствие особого расположения частиц, из которых они состоят, высказал еще в 1611 г. немецкий ученый И. Кеплер.

Наименьший параллелепипед, из которого можно составить всю кристаллическую решетку, называют элементарной ячейкой. В простейшем случае достаточно считать, что в ней находится один атом, чтобы с помощью последовательных трансляций получить весь кристалл. Однако у более сложных кристаллов, каждая элементарная ячейка содержит два или даже несколько атомов. В таком случае можно представить себе, что кристалл состоит из нескольких простых решеток, вложенных одна в другую. Простейшие кристаллические решетки, все атомы которых можно получить трансляциями только одного атома, называют решетками Браве. Такое название дано в честь французского морского офицера Щ. Браве, впервые построившего в 19 в. Теорию трехмерных решеток.

Существует сравнительно небольшое число типов решеток Браве. Они образуют кристаллические системы. Наиболее симметричная кубическая система состоит из простой, объемно-центрированной и гранецентрированной кубических решеток. Кроме трансляционной симметрии такие решетки обладают теми же элементами симметрии, что и обычный куб (например, осями симметрии, вокруг которых можно поворачивать кристалл, совмещая его с самим собой). Ось симметрии имеет то свойство, что при повороте вокруг нее на некоторый определенный угол соответствующие части фигуры совмещаются друг с другом. Смотря по тому, на какой угол приходится повернуть при этом тело, различают у кристаллов оси 2, 3,4, 6-ого порядка. Например, у снежинок имеется одна ось 6-ого порядка (перпендикулярная к плоскости чертежа). Центром симметрии называется точка внутри тела, на равном расстоянии от которой в диаметрально противоположных направлениях расположены одинаковые элементы тела.).

Однако типы решеток Браве не исчерпывают разнообразия свойств симметрии реальных кристаллов. Ведь решетки Браве еще можно вставить одна в другую! В результате элементы-симметрии могут объединяться .в различных комбинациях, образуя так называемые пространственные группы. Всего имеется 230 различных групп. Все они были найдены в 1890 г. Русским ученым Е. С. Федоровым.

Зачем нужно знать симметрию кристаллической решетки? Оказывается, это совершенно необходимо для практического использования кристаллов. В каких направлениях кристалл самый прочный? Как он лучше всего проводит электрический ток? Как расширяется кристалл по разным направлениям?

Соображения симметрии помогают дать ответы на эти вопросы.

Графит, например, имеет гексагональную решетку, состоящую из вытянутых вдоль высоты призм и поэтому легко стирается в направлении слоев.

Соображения симметрии легко позволяют ответить, почему металлы, обладающие кубической решеткой, одинаково расширяются до всем направлениям. Ведь при расширении кристалл должен оставаться кубическими, а его решетка - подобной самой себе (интересно, что понятие кристаллической решетки ввел в науку в 1824 г. немецкий физик Л. Зеебер именно для объяснения теплового расширения кристаллов). Со строением кристаллической решетки тесно связаны и магнитные свойства вещества. Например, в ферромагнетиках домены стремятся ориентироваться вдоль некоторых кристаллографических направлений - осей легкого намагничивания (у железа, которое имеет кубическую решетку, это ребра куба).

Даже если кристалл состоит из множества мелких кристалликов (поликристалл), строение кристаллической решетки влияет на многие его свойства (например, сжимаемость, температуру плавления и т. п.).

Кристаллическая решетка никогда не бывает идеальной. Она содержит пустые узды (вакансии), примесные атомы, дислокации. Кроме того, атомы (или ионы), из которых состоит решетка, совершают тепловые колебания.

Современная кристаллофизика дает полную геометрическую картину строения реальных кристаллов. Однако почему именно так вырастает тот или иной кристалл чаще всего объяснить не удается, при росте кристалла атомы находятся в непрерывном движении и, перебирая разные возможности, как-то находят свое место, соответствующее минимуму потенциальной энергии.

Приложение №4.

Жидкие кристаллы.

Все чаще появляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, мониторами, телевизорами, термометрами на жидких кристаллах. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение расположение молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы обладают свойством текучести.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие «порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические Немного истории. Как были обнаружены необычные свойства жидких кристаллов? Существование жидких кристаллов было установлено в 1888 году. Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейницер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145° С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбенэоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейницер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации. Явление двупреломления—это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к который Рейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, показали, что мутная фаза не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла. В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли. 

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. В двадцатые годы французский учёный Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую смектическими. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали холестерические жидкие кристаллы как подкласс. 

Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они "понимают" команду "равняйся" и размещаются в стройных рядах, упакованных, на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на нематических. Смекатическим жидким кристаллам свойственна долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться "произведением". Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления. Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится "односторонней", а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой, Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. 

Термин "холестерические» жидкие кристаллы" не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям.

Нематики. Кристаллы некоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обычную жидкость, проходят при повышении температуры через стадию жидкокристаллической фазы. Процесс плавления кристалла идет в .две стадии. Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «первое плавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве до вполне определенной температуры происходит «просветление» расплава. «Просветленный расплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидкокристаллическую фазу. Наиболее резкое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов.

Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде папочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравнительно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями молекул. Энергетически выгодным для них становится такое размещение, когда длинные оси молекул несколько развернуты. Поэтому к плоскостному размещению добавляется винтообразная структура. Иногда холестерическую структуру размещения называют твист эффектом.

Жидкокристаллическое состояние достаточно неустойчиво и по этой причине весьма подвержено внешнему влиянию. Наиболее известно и достаточно давно используется термооптическое явление - зависимость цвета жидкого кристалла от температуры. Термооптические жидкокристаллические пленки способны регистрировать температуру с точностью до долей градуса и используются для контроля тепловых полей. К примеру, в медицине с их помощью можно определить разницу температур различных участков тела и, тем самым, выявить воспаленные области. В промышленности можно вести поиск перегретых участков аппаратуры. Чувствительны жидкие кристаллы и к давлению.

Жидкие кристаллы - и это очень важно для тех применений, о которых мы поговорим позже, -обладают резко выраженной анизотропией (зависимостью физических параметров от направления - характерная особенность всех кристаллов, кроме кубических). Это относится к вязкости, к упругости, к электропроводности, к диэлектрической проницаемости, а также к многим другим параметрам среды. Управлять этими параметрами можно, например, с помощью электрических и магнитных полей.

Под действием электрического поля, тонкие слои жк приобретают анизотропные свойства, которые можно использовать в технике. Например, помещая такую жидкость в тонкий зазор толщиной в 0,1 — 0,01 мм между двумя стеклянными пластинками, на которых в одном направлении нацарапаны микроскопические бороздки, добиваются того, что все молекулы выстраиваются вдоль этих бороздок. Такая плоская сборная пластинка (ячейка) хорошо пропускает падающий на нее свет. Если при помощи прозрачных электродов подать на отдельные ее участки электрическое поле, то ориентация молекул в этих местах изменится и изменится способность пропускать свет. Для переориентации молекул в тонком слое жидкого кристалла требуются очень малые затраты электрической энергии и этот процесс происходит достаточно быстро — за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи слабых электрических сигналов можно управлять пропусканием света слоем жидкого кристалла. Такой принцип реализован в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы), используют для создания экранов телевизоров, малогабаритных дисплеев компьютеров, информационных стендов на железнодорожных вокзалах и аэропортах.

Реальные процессы, которые происходят в жидкокристаллических ячейках, значительно сложнее и многообразнее, чем описано выше. Поэтому в настоящее время жидкие кристаллы интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах.

Приложение №5.

Конструкционные материалы.

Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами КМ (конструкционных материалов) являются механические свойства.

К основным критериям качества КМ относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др.

Основой К. м. стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова. При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к КМ, стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к КМ (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению — с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением КМ, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию — малому захвату нейтронов.

КМ подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.); литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом и т.п.). По условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности. Некоторые КМ, например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон, применяются в конструкциях машиностроения.

К металлическим КМ относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Стали составляют основной объём К. м., используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности, пластичностью, вязкостью. Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др.

Алюминиевые сплавы применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.

Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.

Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

Неметаллические КМ включают пластики, термопластичные полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стекла, резины, древесину. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами. Применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др.

Термопластичные полимерные материалы — полистирол, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические) служат для остекления судов, самолётов, ракет. Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим КМ, стимулирует создание новых материалов.

Приложение № 6.

Композиционные материалы - материалы будущего.

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал - конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Типы композиционных материалов.

1.Композиционные материалы с металлической матрицей.

2.Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Рассмотрим некоторые примеры композитов.

Стекловолокниты - это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей. Бороволокниты стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью.

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры.

Применения композиционных материалов.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации: для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.); в космической технике: для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей; в автомобилестроении: для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д.; в горной промышленности: буровой инструмент, детали комбайнов и т. д. В гражданском строительстве - пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

Приложение №7.

Фуллерены.

Фуллерены - группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Первые 60-атомные молекулы были созданы в 1985 году. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Открытие фуллеренов относится к важнейшим научным открытиям конца XX в. (удостоено Нобелевской премии по химии за 1996 г). Фуллерены - это "химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р.Бакминстеру Фуллеру, сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочлененных пентагонов и гексагонов.

Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 Х.Крото и Р.Смолли.Существуют и природные фуллерены. В 1992 году их обнаружили в природном углеродном минерале - шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии). Сейчас их интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения.

Фуллерен С60 получают испарением графита в атмосфере гелия. При этом образуется мелкодисперсный, похожий на сажу порошок, содержащий 10% углерода; при растворении в бензоле порошок дает раствор красного цвета, из которого и выращивают кристаллы С60. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству С60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены применяются в сверхпроводящих материалах, сенсорах, солнечных батареях, логических и запоминающих элементах и т.д. фуллерены и фуллереновые сажи могут успешно применяться в качестве антифрикционных, противоизносных и антизадирных добавок к следующим материалам:

1. индустриальные смазочные масла
2. пластичные смазки
3. полимерные материалы
4. различные полимерные покрытия (алмазные покрытия)
5. производство фармацевтических препаратов
6. производство резины (фуллерены повышают износостойкость автошин)
7. в нанотехнологиях (производство нанотрубок для дисплеев мониторов)
8. производство катализаторов.

Алмазные пленки - это защитные покрытия, которые применяются: для инструментов, где на поверхности большие механические нагрузки (геологические буры). На железной дороге (в колесной паре «колесо-башмак») увеличивает срок службы в 1,5 раза (5-7лет).

Вслед за открытием фуллеренов С60 и С70 при исследовании продуктов , получаемых при сгорании графита были обнаружены частицы, состоящие из атомов углерода, имеющие правильную форму и размеры от десятков до сотен нанометров и поэтому получившие название кроме фуллеренов еще и наночастиц. Наибольший интерес представляют нанотрубы. Эти углеродные образования были открыты в 1991 году ученым С.Иджима. Нанотрубы представляют собой конечные графитовые плоскости, свернутые в виде цилиндра, они могут быть с открытыми концами или с закрытыми. Эти образования интересны и с чисто научной точки зрения, как модель одномерных структур. Действительно в настоящее время обнаружены однослойные нанотрубы диаметром 9А (0,9 нм). На боковой поверхности атомы углерода, как и в графитовой плоскости, располагаются в узлах шестиугольников, но в чашках, которые закрывают цилиндры с торцов, могут существовать и пятиугольники и треугольники. Чаще всего нанотрубы формируются в виде коаксиальных цилиндров. Как теперь известно наночастицы могут иметь самые причудливые формы: матрешки, луковицы.

Открытие уникальных углеродных структур и их свойств продолжается, так же как поиски путей фуллеренов в электронике, биологии, медицине и других прикладных областях деятельности человека. Но сейчас очевидно: фуллерен является мостиком между неорганическим веществом и органическим, между живой и неживой материей. И это является одной из причин широкомасштабных исследований свойств фуллеренов и фуллеридов, проводимых в научных лабораториях всего мира.