31. Проблема создания материалов с заданными
параметрами. Органические вещества и соединения
естественного и искусственного происхождения.
Полимерные материалы. Термопласты и реактопласты, их применение
В процессе развития производства для различных систем и технических устройств требуются материалы с различными свойствами, работающими в разных внешних условиях и подвергающихся различным внешним воздействиям. В последние десятилетия широкое применение стали находить искусственные органические материалы, обладающие разнообразными свойствами, многие из которых можно задавать при их производстве, получая материалы с наперед заданными свойствами.
Органические вещества — это соединения углерода с другими веществами. Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее выраженной способностью к образованию молекул цепного и циклического строения. Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов углерода, непосредственно соединенных друг с другом и включать в себя и другие элементы. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т. е. существование веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и поэтому различных по физическим и химическим свойствам. Общее число известных органических элементов составляет более 3 миллионов, в то время как всех остальных — порядка 100 тысяч.
Все органические вещества делятся на три класса: ациклические — соединения с незамкнутыми цепями (метановые углеводороды — насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды — этилен, ацетилен и др.); изоциклические, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода (циклопарафиновые или полиметиленового ряда, а также ароматические углеводороды);
гетероциклические, в молекулах которых имеются циклы, содержащие кроме углерода атомы О, N, S, Р, Аs и другие.
От каждого углеводорода образуется целый генетический ряд путем замены атома водорода иной функциональной группой. Например, в генетический ряд метана СН4 входят: хлористый метан СН 3 С1, метиловый спирт СН 3ОН, метиламин СН 3NH 2; и др.
Основным поставщиком органических веществ в природе являются растительный и животный мир. Растения усваивают из атмосферы углекислый газ и при помощи хлорофилла, содержащегося в листьях, и солнечной энергии образуют органические вещества, являющиеся строительным материалом для самих растений. Животные, поедая растения, накапливают органические вещества в своем теле, которые затем после гибели животных, переходят в почву, разлагаются, а затем также поглощаются растениями.
В результате развития органической химии оказалось возможным создание широкого спектра искусственных органических веществ, которые нашли применение в технике, медицине, биологии. Так были созданы каучуки, необходимые в резиновой промышленности, синтетические волокна для техники и легкой промышленности, пластические массы, широко используемые в технике, красители, медикаменты, кинофотоматериалы, стимуляторы роста растений, средства борьбы с вредителями и многое другое.
Полимеры — это химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (моно мерных звеньев). Природными полимерами (биополимерами) являются белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетическими полимерами искусственного происхождения являются всякого рода производные от углеводородов — полиэтилены, полипропилены, фенолоформальдегидные смолы и т. п.
Пластмассы (пластические массы) — это материалы, содержащие в своем составе полимер, который в период формирования изделий находится в вязко текущем или высокопластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формированию изделий, пластмассы делятся на реактопласты и термопласты. Реактопласты — это материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера — отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязко текучее состояние. При формировании термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязко текучее состояние.
Пластмассы обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и не совмещающихся компонентов. При этом помимо полимера в состав пластмасс могут входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимера, замедляющие его старение, красители и пр.
Термопластами являются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, поликарбонит, для них используются в качестве наполнителей эластомер, стекловолокна и пр. Реактопластами являются отвержденные фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы с наполнителями из древесной или кварцевой муки, асбестовых волокон, древесного шпона, стекловолокон, углеродных волокон и пр.
Пластмассы нашли широчайшее применение в технике для изготовления всевозможных крепежных и изоляционных изделий, корпусов приборов и машин, труб и пр.
32. Дифференциация и интеграция функций
в автоматизированных производственных комплексах.
Роботы и их применение
В настоящее время все большее применение находят производственные комплексы, реализующие разнообразные технологии и выпускающие однородную массовую продукцию. Эти комплексы используют автоматизированные поточные линии, в которых автоматизированы не только сами производственные процессы, но даже и загрузка сырьем, и упаковка готовой продукции. Функции устройств, составляющих такие линии могут носить дифференциальный (узкоспециализированный) характер, а могут носить интегральный (общий) характер.
Примером устройств, выполняющих узкие функции являются всевозможные датчики физических величин, преобразующих неэлектрические величины (перемещения, давления, температуру и т. п.) в электрические сигналы, исполнительные устройства (захваты, двигатели, супорты и т. п.). Эта датчики являются чувствительными элементами в роботах, они воспринимают окружающую обстановку и подают сигналы о ней процессорам, управляющим исполнительными механизмами.
Примером устройств, выполняющих широкие общие функции являются управляющие вычислительные и программирующие устройства, пульты управления, электронные индикаторы и т. п.
В производственных комплексах все более широкое применение находит робототехника.
Роботы — машины с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которые частично или полностью выполняют функции человека при взаимодействии с окружающим миром. В настоящее время определились три вида роботов:
— роботы с жесткой программой действий;
— роботы, управляемые человеком;
— роботы с искусственным интеллектом, действующие целенаправленно (“разумно”) без вмешательства человека.
Большинство современных роботов всех трех видов — это роботы-манипуляторы, хотя существуют и другие виды роботов — информационные, шагающие и пр.
Промышленные роботы-автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и точности выполняемых операций.
Часто роботы оснащают обучающейся автоматической системой управления. Такой системе “показывают” последовательность операций, после чего она запоминает ее в виде программы и затем точно воспроизводит в работе. Роботы-манипуляторы используют для работы в опасных или недоступных для человека местах, например, в атомной промышленности, при производстве подводных работ и пр.
Робототехника развивается очень интенсивно, но существенным сдерживающим фактором развития является их социальная роль, поскольку роботы начинают вытеснять человека и при высокой производительности создают безработицу для людей. Эти социальные аспекты могут быть решены только путем перестройки производственных отношений в обществе.