 |
|
Основы радиационно-химической технологии
За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии - радиационно-химическая технология (РХТ). Её предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х годов ХХ века) стимулировалось необходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии.
Целью РХТ является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ионизирующего излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено прежде всего особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.
Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбуждённых атомов, ионов, молекул. Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами.
В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, a, b, частицы, нейтроны, g-излучение).
Выделим достоинства ионизирующего излучения:
· высокая энергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению с традиционными видами технологии радиационная технология является в целом энергосберегающей;
· высокая проникающая способность излучения, исходя их этого, излучение наиболее эффективно использовать для обработки блочных материалов и изделий, при стерилизации биомедицинских материалов в упаковке, получении древесно-пластмассовых и бетонополимерных композиций;
· излучение представляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и не загрязняет продукцию.
Первоначально, ионизирующее излучение использовали для производства уникальных продуктов, а также продуктов улучшенного качества. Причём это было продиктовано ценами на такие продукты, при этом имелись случаи экономии сырья и энергии, однако, они были единичными.
Сегодня наблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.
Показано, что стоимость получения сшитой полиэтиленовой изоляции кабеля при радиационной технологии в 2,2 раза ниже, чем при использовании других, нетрадиционных методов. Радиационная вулканизация резиновой ленты даёт продукцию в 8 раз дешевле, чем при традиционной термической вулканизации. Радиационная стерилизация медицинских инструментов и оборудования в 4,5 раза экономичнее других видов стерилизации, а радиационное консервирование продуктов питания экономичнее других способов почти в 100 раз.
В настоящее время разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти РТП, например:
· радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетон-полимерных материалов, - радиационное отверждение покрытий;
· радиационное сшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров;
· радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);
· радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование);
· радиационная очистка сточных вод.
Основные преимущества РХТ можно сформулировать следующим образом:
1) возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно;
2) высокая чистота получаемых продуктов;
3) смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);
4) возможность регулирования скорости процесса за счёт изменения интенсивности излучения и, следовательно, лёгкость автоматизации процесса;
5) возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.
ВЫВОДЫ
1. Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически неизменными свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов с заранее заданными свойствами, определяемыми сферой использования изделия.
2. Технология порошковой металлургии позволяет решать две задачи:
· изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства;
· изготовление материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы другими способами производства.
3. Электрические методы обработки осуществляются с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другие виды энергии.
4. По характеру воздействия электрического тока на предмет обработки все электрические методы обработки условно подразделяют на две большие группы:
· электрофизические методы (ЭФ), основанные на тепловом или механическом действии электрической энергии;
· электрохимические методы (ЭХ), основанные на химическом действии электрического тока.
5. Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду. Электроэрозионный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложной формы и осуществлять операции, невыполнимые другими методами.
6. В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металлов или их катодного осаждения из растворов и расплавов.
7. Уникальные свойства лазерного излучения - строгая одноцветность лучей огромной мощности (монохроматичность), согласованность колебаний электромагнитных волн (высокая когерентность), острая направленность светового излучения - обеспечили широкое внедрение лазеров в различных отраслях деятельности: в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, научно-исследовательской практике.
8. В настоящее время разработаны следующие технологические процессы с использованием мощных лазеров:
· лазерная поверхностная термообработка;
· лазерная сварка;
· лазерная размерная обработка;
· измерительная лазерная технология;
· лазерная интенсификация химических реакций.
9. Технологическое использование ультразвуковых колебаний осуществляется по следующим направлениям:
· силовое воздействие на материал;
· интенсификация технологических процессов;
· ультразвуковые методы контроля.
10. Плазменная технология основана на обработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии – плазмой, ионизированным газом, находящимся при температуре порядка 8000 - 10000°С.
11. Мембранная технология представляет собой процесс разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой. По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.
12. Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем.
| 3. Прогрессивные технологии производства и обработки новых конструкционных материалов и изделий | ||
| Тренировочные задания | Ответ / Решение | |
| 1. Какие основные элементы входят в состав любого композитного материала? а) металлические и неметаллические б) основные и вспомогательные в) матрица и наполнитель г) органические и неорганические 2. В чём заключается сущность технологии электроэрозионной обработки деталей? а) в использовании эффекта механической эрозии материала при протекании через него электрического тока б) в анизотропии свойств материала при прохождении импульсных электрических разрядов в) в расплавлении и испарении микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии г) в преобразовании электрической энергии в механическую 3. По каким направлениям осуществляется технологическое использование ультразвуковых колебаний? а) пайка, наплавка, склеивание б) дегазация, диспергирование, сварка в) диффузия, дисперсия, намагничивание г) пп. а, в 4. В чём заключается сущность мембранной технологии? а) в разделении неоднородных систем на пористых перегородках б) в переносе вещества через полупроницаемую перегородку в) в использовании мембран г) в разделении веществ через полупроницаемую перегородку, при отсутствии поглощения ей разделяемых компонентов 5.Выделите основные процессы радиационно-химической технологии. а) сварка, спекание, сушка, перегонка б) резка, агломерация, ректификация в) полимеризация, синтез, модифицирование г) аморфизация, кристаллизация. диспергирование | Составными элементами любого композиционного материала являются матрица и наполнитель (см. раздел 3.1) Наиболее полным и правильным ответом является ответ в) (см. раздел 3.3) Необходимо помнить, что ультразвук – это механические колебания среды с очень высокой частотой. Правильный ответ – в) (см. раздел 3.5) При внешней схожести ответов а) ,б), г), наиболее правильным и полным является последний (см раздел 3.7) Единственно верным является ответ в) (см. раздел 3.8) | |
| 3. Прогрессивные технологии производства и обработки новых конструкционных материалов и изделий | Для заметок | |
| МОДУЛЬ 2 (закрепляющий) ТЕСТЫ 1. Какие основные виды композитных материалов Вам известны? а) полимерные, металлические, керамические б) металлические и неметаллические в) пп. б), г) г) органические и неорганические 2. Что представляет собой порошковая металлургия? а) отрасль черной металлургии б) совокупность производств, изготавливающих порошки металлов и неметаллов в) совокупность производств, изготавливающих изделия из порошков металлов и неметаллов г) пп. б), в) 3. Какие основные стадии включает в себя технологический процесс изготовления изделий методом порошковой металлургии? а) измельчение, смешивание, сушка, обжиг б) получение и спекание порошков в) диспергирование, коагуляция, формование г) измельчение, смешивание, формование, спекание 4. На какие две группы условно подразделяют электрические методы обработки изделий? а) механические и тепловые б) электрофизические и электрохимические в) постоянные и переменные г) дискретные и непрерывные 5. На каких принципах базируется проведение технологии электрохимической обработки? а) на прохождении электрического тока через проводящие материалы б) на принципе химической диссоциации в) на переносе массы вещества при прохождение электрического тока через электролит г) на явлении электромагнитной индукции 6. Выделите важнейшие процессы лазерной обработки а) сварка, пайка, склеивание б) точение, сверление, фрезерование в) легирование, модифицирование, полимеризация г) сварка, резка, термообработка | ||
| 3. Прогрессивные технологии производства и обработки новых конструкционных материалов и изделий | Для заметок | |
| 7. В чём заключаются сущность ультразвуковой размерной обработки? а) в упрочнении структуры исходного материала б) в интенсивном диспергировании твердых частиц, и получении устойчивых эмульсий, не расслаивающихся с течением времени. в) в разрушении материала с помощью инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. г) в получении очень точных размеров деталей под действием ультразвука 8. В чём заключается сущность плазменной технологии? а) в получении плазмы в специальных установках - плазмотронах б) в упрочнении структуры исходного материала в) в реализации химических реакций, протекающих при высоких и сверхвысоких температурах г) на обработке исходных материалов концентрированными потоками энергии. 9. Почему группу мембранных процессов называют баромембранными? а) потому что при их использовании используется барометрический эффект б) потому что невозможно отделить жидкость от гага без использования избыточного давления в) потому что протекание таких процессов сопровождается повышением давления исходных компонентов г) потому что при они осуществляются под избыточным давлением 10. В чём заключается сущность радиационно-химической технологии? а) в ионизации исходных материалов под действием радиации, что в конечном счете приводит к протеканию химических реакций б) в использовании в качестве источников ионизирующего излучения потоков заряженных частиц большой энергии (электронов, a, b, частиц, нейтронов, g-излучения). в) в использовании ионизирующего излучения для интенсификации физических, химических и биологических процессов г) в воздействии проникающей радиации на химические свойства веществ, обуславливающих энергию возбуждённых атомов, ионов, молекул. | ||
МОДУЛЬ 3 (контролирующий)
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
1. Что представляют собой композитные материалы? Почему они получили такое название?
2. Какие основные компоненты входят в состав любого композитного материала? Какие функции выполняет матрица? Какие функции выполняет арматура?
3. Какие виды композитных материалов Вам известны? Чем они отличаются друг от друга?
4. Какие технологические методы используют при производстве полимерных композитных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.
5. Какие методы используют при производстве металлических композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.
6. Какие методы используют при производстве керамических композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.
7. Какие методы используют при производстве углерод - углеродных композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.
8. Приведите сферы использования основных представителей композитных материалов.
9. Что представляет собой порошковая металлургия? Какие задачи она решает?
10. Какие основные стадии включает в себя технологический процесс изготовления изделий методом порошковой металлургии? Охарактеризуйте важнейшие из них.
11. Какие группы методов используют для изготовления порошков? Чем они принципиально отличаются друг от друга?
12. Какой способ формования готовых изделий методом порошковой металлургии является основным? Почему?
13. В чем заключается сущность процесса спекания?
14. В чем основное достоинство изделий, полученных методом порошковой металлургии? В каких сферах наиболее перспективно использование изделий, полученных методом порошковой металлургии?
15. В чем заключается сущность электрических методов обработки изделий?
16. На какие две группы условно подразделяют электрические методы обработки изделий? Чем они отличаются принципиально друг от друга?
17. Какими причинами вызвано всё более широкое использование электрических методов обработки?
18. В чём заключается сущность технологии электроэрозионной обработки деталей?
19. Выделите и охарактеризуйте достоинства и недостатки электроэрозионной обработки по сравнению с традиционными методами.
20. На каких принципах базируется проведение технологии электрохимической обработки?
21. Перечислите и кратко охарактеризуйте важнейшие процессы электрохимической обработки.
22. В чём заключаются достоинства и недостатки электрохимических и электрофизических методов обработки?
23. Что представляет собой лазер? Каков принцип его действия?
24. В чём заключаются достоинства и недостатки лазерной обработки?
25. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной термообработки?
26. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной сварки?
27. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной размерной обработки?
28. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки измерительной лазерной технологии?
29. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерного легирования?
30. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной наплавки?
31. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной резки?
32. В чём заключаются достоинства и недостатки ультразвуковой технологии?
33. По каким направлениям осуществляется технологическое использование ультразвуковых колебаний?
34. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки ультразвуковой размерной обработки?
35. Выделите и охарактеризуйте основные сферы использования ультразвуковых колебаний в технологии.
36. В чём заключаются сущность, достоинства и недостатки ультразвуковой сварки?
37. С какой целью используется ультразвук в исследовательской практике?
38. В чём заключается сущность плазменной технологии? Какие сферы применения плазменной технологии Вы могли бы охарактеризовать?
39. Какие достоинства и недостатки плазменной технологии можно выделить? Какие причины тормозят широкое внедрение плазменной технологии?
40. В чём заключается сущность мембранной технологии? В чём её принципиальное отличие от фильтрации, в чём достоинства и недостатки?
41. Что такое мембрана? Какие виды мембран Вам известны?
42. Какие основные виды мембранных процессов Вам известны? Дайте их общую характеристику.
43. В чём заключается сущность диффузионного разделения газов? В каких процессах используется данная технология?
44. В чём заключается сущность разделения жидкостей методом испарения через мембрану? В каких процессах используется данная технология?
45. В чём заключается сущность баромембранных процессов разделения жидких смесей? В каких процессах используется данная технология?
46. В чём заключается сущность электродиализа? В каких процессах используется данная технология?
47. В чём заключается сущность радиационно-химической технологии? Какие явления она использует?
48. Перечислите и охарактеризуйте основные процессы радиационно-химической технологии.
49. В чём заключаются преимущества и недостатки радиационно-химической технологии?
ТОЛКОВЫЙ СЛОВАРЬ
Композиционные материалы (композиты) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.
Намотка - процесс формирования полимерных композиционных материалов, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологически оправки.
Стеклопластики –полимерные композиционные материалы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя стеклянное волокно.
Углепластики -полимерные композиционные материалы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеволокно.
Порошковая металлургия –производство порошков металлов и изделий из них, их смесей и композиций с неметаллами.
Формование –процесс изготовления изделий из порошков под действием сжимающих усилий.
Спекание –соединение мелкозернистых и порошкообразных материалов в единое целое при повышенных температурах.
Электрические методы обработки - это процессы, осуществляемые с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другие виды энергии.
Электрофизические методы обработки – совокупность методов, основанных на тепловом или механическом действии электрической энергии, вносимой в зону обработки.
Электрохимические методы обработки -совокупность методов, осуществляемых электрическим током в электролитах с использованием явления электролиза.
Электролиз –совокупность процессов электрохимического окисления – восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.
Электроэрозионная обработка – совокупность процессов, основанных на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду.
Лазер (оптический квантовый генератор)( аббревиатура слов английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” , что означает “усиление света в результате вынужденного излучения”) - источник оптического когерентного, то есть согласованного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.
Лазерная технология –совокупность процессов обработки материалов лазерным излучением.
Измерительная лазерная технология –совокупность методов, предназначенных для проведения различных измерений и контроля размеров, линейных перемещений, контроля качества материалов и изделий.
Фотохимические процессы - это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им.
Ультразвук – не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 кГц.
Ультразвуковая технология - совокупность процессов обработки материалов ультразвуком.
Диспергирование – (от лат. dispergo - рассеиваю) – тонкое измельчение какого-либо тела в окружающей среде.
Дегазация– удаление газов из жидкостей.
Плазма –(от греч. plásma – вылепленное, оформленное) – высокотемпературный ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
Плазменная обработка – совокупность технологических процессов обработки материалов низкотемпературной плазмой, создаваемой плазмотронами.
Плазмотрон (плазменный генератор)- газоразрядное устройство для получения плазмы (Т»8000 - 10000°С), используемой в технологических целях.
Мембранная технология - новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.
Мембрана – (от лат. membrana - перепонка) – полупроницаемая перегородка, обладающая различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей, молекулярное сито.
Диффузионное разделение газов- разновидность мембранной технологии, основано на различной проницаемости мембран для отдельных компонентов газовых смесей.
Электродиализ - перенос ионов через мембрану под действием электрического тока.
Радиационно-химическая технология –методы наиболее экономичного осуществления с помощью ионизирующего излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Самойлов М.В., Мочальник И.А. Прогрессивные технологии промышленного производства: Учебн. пособие. – Мн.: БГИНХ, 1991 – 81 с.
2. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: В 2 ч.: учеб. пособие для вузов / Под ред. И.В.Ченцова. – Мн.: Выш. шк.,1989. – 325 с. ил.
3. Принципиально новые технологии // Сб. Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. - 1990. - N 6. - с. 64.
3. Техника новых технологий // Сб. Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. - 1989. - N 5. - с. 64.