Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Туташинський

Дорогі дев'ятикласники!

З кожним роком у вас з'являється дедалі більше можливостей проявити свої творчі здібності, застосовуючи різноманітні матеріали і технології.

У дев'ятому класі на заняттях трудового навчання ви зможете розкрити свої найкращі людські якості: бажання творити добро і красу, працелюбність, старанність, підприємливість, уміння вчитися, станете компетентнішими у використанні природних і штучних матеріалів. Ви здобудете необхідні вам у житті знання про найсучасніші конструкційні матеріали, навчитеся створювати з них необхідні вироби, проявивши при цьому вміння проектувати, виконувати технологічні операції, працювати разом із однокласниками та дорослими і реалізовувати власні проекти.

Спроектувати та якісно виготовити вироби вам допоможуть завдання для практичних робіт, до яких пропонуються графічні зображення виробів і технологічні картки.

Користуючись підручником, ви дізнаєтеся багато нового про автоматизацію та комп'ютеризацію технологічних процесів, застосування промислових роботів.

Цікавою і корисною вам у житті буде інформація про вибір власного стилю в одязі та догляд за своїми речами.

Для зручності орієнтування в підручнику використовуються піктограми та інші умовні позначення. Нові для вас технічні терміни та основні визначення вирізнено в тексті курсивом. Знайти необхідну інформацію вам допоможе предметний покажчик, розміщений у кінці підручника.

Перевірити рівень своїх навчальних досягнень ви зможете, використовуючи запитання для самоконтролю, тести і критерії оцінювання проектів.

Працюючи з підручником, ви зможете найповніше розкрити свої здібності в тих видах діяльності, що відповідають вашому покликанню. Цей підручник зорієнтує вас на вибір улюбленої справи, профілю подальшого навчання, допоможе відповісти на запитання «Ким бути?» і «Яким бути?»

Щиро бажаю вам знайти своє покликання, стати творчими особистостями і успішними людьми!

Розділ 1. Основи матеріалознавства

Ви зможете здобути нові знання про:

- використання композиційних матеріалів для виготовлення виробів;

- технології виробництва матеріалів хімічного походження.

Ви будете вміти:

- проектувати вироби з використанням композиційних матеріалів;

- поєднувати в конструкціях виробів природні та штучні матеріали;

- обробляти конструкційні матеріали, що мають різні властивості.

Ви станете компетентнішими:

- у доборі необхідних матеріалів для конструювання і виготовлення виробів, виконанні дизайнерських, ремонтних і оздоблювальних робіт;

- у технологіях виробництва штучних матеріалів.

§ 1. Матеріали хімічного походження. Композиційні матеріали

• 1. З яких матеріалів ви вже виготовляли вироби?
• 2. Чому для виготовлення виробів використовуються різні матеріали?

У житті кожної людини виникає необхідність у вміннях використовувати і створювати необхідні речі з різноманітних матеріалів.

У попередні роки ви вже створювали вироби з деревини і металевих матеріалів та вивчали їхні властивості. Здобуті знання знадобляться вам у застосуванні нових конструкційних матеріалів для виготовлення виробів.

Відомі вам природні матеріали (деревину, метали) можна не лише обробляти. Їх можна сполучати з іншими речовинами і в результаті отримувати штучні матеріали з необхідними властивостями - підвищеною міцністю, термостійкістю, електропровідністю, зносостійкістю тощо.

Потреби людини і розвиток технологій вимагають створення матеріалів, які мають поліпшені фізичні, технологічні та експлуатаційні властивості. Так, для розвитку літако- і ракетобудування необхідно чимраз більше легких і водночас міцних матеріалів, для автомобіле- та суднобудування - корозійностійких, для будівництва - енергоощадних матеріалів. Упровадження інформаційних технологій у виробництво вимагає створення матеріалів із заздалегіть заданими властивостями.

Дедалі ширше в сучасному виробництві використовуються композиційні матеріали (композити). Вони складаються з двох і більше природних або штучних компонентів (мал. 1).

Мал. 1. Композиційні матеріали (композити)

Вам уже відомі деякі деревні композиційні матеріали: фанера, ДВП, ДСП та ін. (див. таблицю 1).

Таблиця 1. Деревні композиційні матеріали

Останніми роками в будівництві, виробництві меблів та інших виробів дедалі ширше застосовують деревно-полімерні композити (ДПК). Вони мають привабливий вигляд, легко піддаються обробленню, не вбирають вологи і тому не гниють. Із деревно-полімерних композитів будують альтанки, веранди, тераси, майданчики (мал. 2).

Мал. 2. Застосування деревно-полімерних композиційних матеріалів

Деревно-полімерні композити складаються з полімеру, деревного наповнювача, а також спеціальних добавок і декоративного покриття.

Різні види композиційних матеріалів можна створити (мал. 3), поєднавши в'язку пластичну основу - матрицю з наповнювачем (зміцнювачем або армувальним компонентом).

Мал. 3. Створення композиційних матеріалів

Матриця зв'язує армувальні компоненти, що позитивно впливають на міцність та інші властивості матеріалу. Отже у композитах поєднуються найліпші властивості матеріалів матриці та наповнювача. За багатьма своїми властивостями (легкістю, високою міцністю, пластичністю, технологічністю) композити перевершують природні матеріали.

Виробляють композиційні матеріали на технологічних лініях (мал. 4).

Мал. 4. Технологічна лінія виробництва деревно-полімерних композитів

Повний цикл виробництва композитів потребує знань і досвіду в тих галузях науки і техніки, які на перший погляд здаються не пов'язаними. Використовуючи знання з хімії, фізики, біології, математики та матеріалознавства, поєднуючи різні речовини і матеріали, можна створювати композити потрібного профілю із заздалегідь заданими властивостями.

Залежно від матеріалу матриці розрізняють такі види композиційних матеріалів:

• металокомпозити;
• полімерні пластики;
• композити з керамічною матрицею;
• композити з матрицею із вуглецю.

Наповнювачем (армувальними компонентами) можуть бути металеві дроти, високоміцні скляні, органічні, вуглецеві та борні волокна, інші тверді матеріали.

Добираючи матеріали матриці та наповнювача, враховують, щоб компоненти композитів не могли вступати в хімічні взаємодії та утворювати хімічні з'єднання.

Над створенням нових видів композитів наполегливо працюють вчені, інженери-технологи, винахідники.

Композиційні матеріали з металевою матрицею отримують із тугоплавких матеріалів, застосовуючи технології порошкової металургії.

Порошкова металургія - це галузь виробництва, яка забезпечує виготовлення порошків металів та виробів із них або їх сумішей з неметалевими порошками без розплавлення основного компонента.

Спрощено технологію виробництва продукції порошкової металургії можна показати так:

Матеріали, одержані за допомогою технологій порошкової металургії, мають унікальні властивості. З них виготовляють високоякісні вироби необхідної форми майже без відходів (використовується понад 97 % сировини). Вироби з цих матеріалів мають високі технологічні, експлуатаційні та економічні показники, витримують високі температури і характеризуються великою жорсткістю та твердістю.

Металокомпозити використовують практично в усіх галузях промислового виробництва і асортимент їх збільшується (мал. 5).

Мал. 5. Вироби із металокомпозитів

Не менше поширені у виробництві виробів полімерні пластики — штучні матеріали, які утворюються з довгих ланцюгів молекул хімічних речовин — полімерів. Називають такі речовини пластичними масами (пластмасами).

Пластичні маси (пластмаси) - це штучно створені (з нафти, природного газу, сланців, кам'яного вугілля) матеріали на основі синтетичних або природних полімерів (білків, нуклеїнових кислот, натурального каучуку, целюлози, крохмалю). До складу пластмас входять: полімер, наповнювачі, пластифікатори та барвники.

Полімер - високомолекулярна сполука, що складається з великої кількості однакових структурних ланок. Це — основний компонент пластмаси, що визначає її здатність формуватися і тверднути, надає пластмасі певних властивостей. Наповнювачі поліпшують міцність і забезпечують жорсткість пластмаси, надають їй електроізоляційних властивостей. Наповнювачами можуть бути кварцовий пісок, азбест, крейда, тальк, волокна бавовни та інші матеріали. Пластифікатори надають матеріалу більшої еластичності, барвники — певного забарвлення.

Залежно від компонентів, які входять до складу пластмаси, вона по-різному проявляє технологічні властивості. Деякі пластмаси (поліетилен, поліаміди, полістирол) при нагріванні стають м'якими, навіть плавляться, а під час охолодження тверднуть і зберігають свою форму. В разі повторного нагрівання вони мають властивість знову м'якшати, а при охолодженні - набувати необхідної форми. Такі пластмаси можна багаторазово використовувати для виготовлення нових виробів.

Пластмаси із багаторазовим розм'якшенням і затвердінням називають термопластичними. Із термопластичних пластмас виготовляють пакувальні матеріали, штучну шкіру, тканину, хутро, кіноплівку, іграшки та багато інших виробів.

Є пластмаси, які не плавляться навіть за високої температури. Їх називають термореактивними. З них виготовляють електричну арматуру та інші вироби, що можуть піддаватися впливу високих температур.

Пластмаси широко застосовуються у виробництві. Вони стійкі до корозії, мають малу густину, що значно зменшує масу деталей, із них легко виготовляти вироби різної форми.

Із синтетичної гуми, яка також належить до полімерів, виготовляють автомобільні шини, труби, прокладки для герметизації сантехніки і вузлів машин, чобітки, рукавиці, захисні військові комплекти для захисту від радіації та отруйних речовин, водонепроникні костюми для водолазів, м'ячі, ластики.

З акрилу та нейлону шиють міцні, дешеві та легкі тканини.

Поліетилен, полівінілхлорид, полістирол широко застосовують у побуті, в медицині, а також сільському господарстві, будівництві та інших галузях виробництва.

На основі полістиролу виробляють пінополістирол (пінопласт). Пінопласт є добрим теплоізоляційним матеріалом. Його використання в будівництві надає можливість підтримувати потрібну температуру в приміщеннях і значно зменшити витрати на теплову енергію. З пінопласту також виготовляють декоративні елементи, упаковку для побутових товарів, харчових продуктів тощо.

Пінопласт - екологічно чистий матеріал. Але часто ми використовуємо різні вироби, навіть не підозрюючи, що матеріали, з яких вони виготовлені, можуть негативно впливати на довкілля, створювати загрозу життю і здоров'ю.

Пластикові пляшки та поліетиленові пакети через недостатній рівень культури деяких людей іноді можна побачити далеко від місць збирання та утилізації відходів. Час утилізації багатьох матеріалів хімічного походження дуже тривалий. Спалювання таких матеріалів призводить до забруднення повітря отруйними речовинами.

Запобігти накопиченню пластмасових відходів найліпше, забезпечивши їх сортування та повторну переробку. Для збирання і сортування відходів матеріалів установлюються спеціальні контейнери. Сортуючи побутові відходи для утилізації та переробки, ви зберігаєте природні ресурси та поліпшуєте умови свого життя.

З метою безпечного використання та утилізації виробів із пластмас запроваджено маркування пластмас: три стрілки у формі трикутника, усередині якого цифра (від 1 до 7), що означає тип пластику. Під трикутником розміщується абревіатура назви пластмаси.

Мал. 6. Маркування пластмас

1. Поліетилентерефталат (PETE або ПЕТ). Із пластмас цього типу виготовляють пляшки для мінеральної води, газованих та безалкогольних напоїв, соняшникової олії, упаковки для кетчупу, майонезу.

2. Поліетилен високої щільності (HDPE) використовується для виготовлення одноразового посуду, упаковок миючих засобів, каністр для моторних мастил, ящиків, урн.

3. Полівінілхлорид (V або ПВХ) використовується для виготовлення лінолеуму, штучної шкіри, плівки для натяжних стель, контейнерів для зберігання непродовольчих товарів, ізоляції електричних приладів, труб, водостоків, віконних профілів. Переробленню не піддається.

4. Поліетилен низької щільності (LDPE) придатний для виготовлення одноразових пакетиків, дозаторів рідкого мила, упаковки для шампунів.

5. Поліпропілен (РР) застосовується для виготовлення пластикових стаканчиків, відер, контейнерів для харчових продуктів, посуду для гарячих страв, кришок для пляшок, упаковки для кондитерських та хлібобулочних виробів, йогуртів. У будівництві матеріали із поліпропілену використовуються для шумоізоляції.

6. Полістирол (PS) знайшов застосування у виготовленні іграшок, відео- та аудіокасет, вентиляційних труб, коробок для CD і DVD дисків, одноразових контейнерів, пакувальних таць для покупок у продовольчих магазинах і супермаркетах.

7. Інші пластики — Other або О. Їх використання може бути пов'язане з небезпекою для здоров'я людей та шкодити довкіллю. Переробленню вони не піддаються.

Запобігти накопиченню пластмасових відходів можна їх повторним переробленням та застосуванням таких матеріалів, що не мають шкідливого впливу на природу.

Широке застосування в побуті, будівництві, ракетобудуванні, радіоелектроніці, суднобудуванні знайшли склопластики. Їх застосовують для виготовлення корпусу ракети СС-20, корпусів катерів, спорудження будівель, виготовлення жаростійкого посуду.

Композити з керамічною матрицею вирізняються високою жаростійкістю, не бояться ерозії, мають високу міцність. З них виготовляють двигуни внутрішнього згорання, лопатки газотурбінних двигунів, високотемпературні підшипники, теплоізоляційні конструкції космічної техніки, промислового і житлового будівництва.

Композити з вуглецевою матрицею також мають дуже високу теплостійкість. З них виготовляють конструкції та деталі, що використовуються в металургійній та хімічній промисловості для захисту від впливу високих температур і агресивних речовин. Облицювання фюзеляжу і носових частин орбітального корабля багаторазового використання «Буран» (мал. 7) також виготовляли з композитів.

Мал. 7. Авіалайнер «Мрія» з орбітальним кораблем багаторазового використання «Буран».

Із композитів на основі вуглецевих волокон і карбонізованої матриці виготовляють конструкції, які витримують температуру понад 3000°С. «Ахілесовою п'ятою» вуглецевих волокон є сильна окислювальність, тому розроблення нових вуглецевих композитів тривають.

Для найдопитливіших

Українські вчені створили новий тримірний матеріал на основі вуглецю, який може зробити прорив у виробництві водневих автомобілів і електроніки майбутнього. Відкриття здійснили Ніна Крайнюкова із Фізико-технічного інституту низьких температур Національної академії наук України і Євген Зубарев із фізико-технічного факультету Харківського політехнічного інституту. Вони відкрили і протестували нову модифікацію вуглецевого волокна, яку назвали «вуглецеві соти» (мал. 8).

Мал. 8. Нове вуглецеве волокно «Вуглецеві соти»

Цей тримірний матеріал може зберігати у своїй структурі велику кількість газу і рідини та вирішити проблему збереження водню. Українська технологія може забезпечити розвиток виробництва водневого транспорту.

Є й інша галузь застосування винаходу - мікроелектроніка. Якщо заповнити «вуглецеві соти» металами і неметалами, спектр електричних і магнітних властивостей буде дуже широким. Ці властивості можуть повністю змінити зовнішній вигляд і можливості смартфонів (мал. 9) та інших пристроїв.

Мал. 9. Гнучкий смартфон

Вченими Харківського фізико-технічного інституту проводиться розроблення технології 3-D друку з використанням графену (мал. 11).

Мал. 10. 3-D принтер

Мал. 11. Графен

Графен - це окремий атомний шар вуглецю зі структурою графіту. Це — найтонший матеріал у світі. Кожен його шар у двісті разів міцніший за сталь. Зважаючи на високу електропровідність, графен використовують для виробництва сонячних батарей, накопичувачів енергії, сотових телефонів, комп'ютерних чипів, надчутливих сенсорних приладів. Вивчення можливостей цього матеріалу тривають. Зокрема, досліджено, що зміна структури на п'ятигранну (пентаграфен) може поліпшувати гнучкість матеріалу та впливати на інші його властивості. Можливо, ви запропонуєте, де ще можна застосовувати цей перспективний матеріал?

Ще перспективнішим для розвитку технологій є силіцен (мал. 12). Він складається з шару атомів кремнію у вигляді надтонкої плівки на керамічній основі. Має ще вищу електропровідність і перевершує графен за структурною гнучкістю.

Мал. 12. Силіцен

А чи знаєте ви, що таке синтегран? Це — міцний композиційний матеріал на основі епоксидної в'яжучої речовини, наповнювачів у вигляді дрібного гравію та порошку з високоміцних гранітів. За фізико-механічними та експлуатаційними властивостями синтегран аналогічний природному граніту. Як полімерну матрицю для виготовлення синтегранів використовують епоксидні композиції «холодного» затвердіння.

Порівняно з натуральним гранітом синтегран має технологічні переваги, пов'язані зі зниженням трудомісткості виготовлення та економією енергетичних ресурсів.

Міцність і властивість синтеграну гасити вібрації зумовлюють його використання у виробництві високоточного обладнання, шпал метро, колон. У військовій справі синтегран використовують для виготовлення бронежилетів, броні танків, глушників, фюзеляжів літаків, стабілізаторів ракет.