МЕТОДЫ ТРИЗ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ - TRIZ in MATERIAL

МЕТОДЫ ТРИЗ В
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
TRIZ in MATERIAL
SCIENCE
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.
1
Развитие ТС по S -кривой
Главная характеристика системы
“Старость”
“Старость”
b
g
3
4
aB
B
2
“Развитие”
“Развитие”
Время
A 1
a
“Детство”
“Детство”
Время
2
ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ
ПОВЫШЕНИЕ
ИДЕАЛЬНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
ПОВЫШЕНИЕ
ИДЕАЛЬНОСТИ
РЕШЕНИЙ
ПОВЫШЕНИЕ
ИДЕАЛЬНОСТИ
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
МАТЕРИАЛОВ
3
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
Удельная
прочностьМПа*см3/г
прочность,
Удельная
Изменение удельной прочности материалов на основе железа
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Изменение
удельной
прочности
Абсолютное
время
во времени
4
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
Зависимость удельной прочности химических волокон от года
начала их промышленного выпуска.
180
МПа*см3/г
Удельная прочность,
Удельная прочность
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Год начала промышленного выпуска
5
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
Зависимость удельной прочности пластмасс от года начала их
МПа*см3/г
прочность,
Удельная
Удельная
прочность
промышленного выпуска.
60
55
50
45
40
35
30
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Год начала промышленного выпуска
6
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Изменение удельной прочности материалов во времени
Удельная прочность
350
Удельная прочность, МПа*см3 /г
300
250
200
400
Титан
300
200
Железо и сплавы
Алюминий
100
Медь и сплавы
0
10100
150
10150
1800
10200
10250
10300
1850
1900
1950 2000
Абсолютное время
Абсолютное время
100
10350
2050
Железо и сплавы
50
Камень
Медь и сплавы
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Время
начала каменного
каменного веке
Время
от от
начала
века
9000
10000
7
МЕТОДЫ ТРИЗ В ХИМИИ И
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
Схематичное изображение процесса полимеризции полиэтилена
Схематичное изображение различных видов макромолекул: 1 – линейные; 2 –
разветвленные; 3 – сшитые (сетчатые)
8
ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ТЕЛ ПРИ
ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ И
ИХ УЧЕТ В ТЕХНИКЕ
Если наблюдается Вредный Эффект, то
мы можем :
ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ
1)Подавить ВЭ
ТЕРМИЧЕСКИМ
ДЕФОРМАЦИЯМ
2) Предотвратить ВЭ
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ
ТЕРМИЧЕСКИХ
ДЕФОРМАЦИЙ
3) Превратить ВЭ в
пользу.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ТЕРМИЧЕСКИХ
ДЕФОРМАЦИЙ
9
ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ:
Противодействие термическим деформациям
?
10
ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ:
Предотвращение термических деформаций
t = 20℃
Positive CTE
Negative CTE
t = 80℃
elongation
contraction
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)
11
ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ:
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Сжатие изделия по двум осям с использованием термического расширения
инструмента.
Расширение изделия с использованием термического расширения
инструмента
Соединение деталей с использованием термического расширения инструмента
12
ПУСТОТА В МАТЕРИАЛАХ
Линия развития кирпича.
13
Методы получения пустоты в
материалах
Исх.\Возд
1. Основа
2. Пустота
3. Механическое
4. Акустическое
5.
Термическое
6. Химическое
7. Электрическое
8. Магнитное
9. Электромагнитное
10.
Порообразователь
1.
Основа
1.1
термическая
усадка.
1.2 введение
шариков
1.3
пенообр
азование
1.4
-
1.5
-
1.6
-
1.7
электрол
из
1.8
-
1.9 фотополимеризац
ия
1.10
выжигание
каркаса
2.
Пустота
2.1 ячеистые
структур
ыи
спекание
Х
-
-
-
-
-
-
-
-
3.1 эммульсии
и студни
Х
3.3 вспенива-ние
3.4
-
3.5
термиче
ское
разложе
ние
порообр
азовател
я.
3.6
химичес
кое
разложе
ние
порообр
азовател
я.
3.7
металлизация
поверхн
ости
3.8
-
3.9
вспенива
ние и
полимеризация
Х
3.
Порообр
азовател
ь
14
«ИСЧЕЗАЮЩИЕ» МАТЕРИАЛЫ
Диаграмма фазового
состояния воды
Взаимные переходы состояния веществ
Состояние
исходное /
конечное
Т
твердое
Газ
тверд
ое
-
порошо
к
Раздробить
жидкость
Расплавить
Сублимировать, или
разложить
Расплавить
Сублимировать, или
разложить
порошок
Склеить
-
жидкость
Замороз
ить
?
-
испарить, или
разложить
?
?
Сконденсиров
ать
-
Жидкость
273К
газ
Твердое
газ
Р
15
«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.
16
«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.
17
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ:
трансформаторы
В2 – Умный Материал, П1- первичное поле, П2– вторичное поле
П1
П
Вепольное представление «умного»
материала - трансформатора
В2
В2
П2
Или
В1
В1
В2
В2
П2
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 18
исходное состояние
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ:
индикаторы
Нежелательное
Нежелательное
Поле
Вещество
УМНЫЙ
УМНЫЙ
МАТЕРИАЛ
МАТЕРИАЛ
Информирует
Информирует
ЧЕЛОВЕК
ЧЕЛОВЕК
а) Индикатор нежелательного
б) Индикатор нежелательного
поля
вещества
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.
19
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ: адапторы
В2 – Умный Материал
Вепольное
представление
адаптора
П
П
В2'
В2
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 кПа). С пределом тягучести 130 кПа при
сильном электрическом поле, эти новые жидкости уже можно использовать в
механических приборах (клапанах, замках, амортизаторах и др.).
20
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ:
нейтрализаторы
В2 – Умный Материал
П
П
В2
В2
П1
Или
В1
В1
В2
В2
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.
21
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ
Инструмент 
Воздействие
1. М
0. Время
Изменение механических свойств в зависимости
от времени.
Выделение во времени: биологически активных
веществ, антиоксидантов, лекарственных веществ,
ароматизаторов, прочих веществ.
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.
4. Х
3. Т
5. Э
Запаховая индикация
свежести продуктов.
Звуковая
индикаци
я удара.
Преобразован
ие
механическог
о сигнала в
тепло, в
поглощение
тепла.
Пиро-механические материалы:
преобразование температуры в:
давление, линейное перемещение,
изменение объема, изгиб.
Повышение прочности при
термическом воздействии.
Звуковая
индикаци
я горения
Хемо-механические материалы:
преобразование химического сигнала
в: линейное перемещение, в
изменение объема.
Звуковая
индикация
химических
реакций.
Усиление
термического
сигнала.
Изменение в
зависимости от
температуры
теплопроводности
и
теплосодержания.
7. ЭМ
Цветовая индикация времени.
Пьезоэлектри
ческие
материалы
Запаховая индикация
температуры
Пироэлектрич
еские
материалы
(ПЭМ).
Запаховая индикация вредных
веществ.
Обеззараживание поверхности,
очистка поверхностей, очистка
воздуха, противодействие
намоканию.
5. Э
Преобразование
электрического
сигнала в тепло.
6. М
Магнитострикционные материалы:
преобразование магнитного сигнала в изменение
объема.
Магнитокалоричес
кие материалы
(МКМ).
Фотомеханические материалы:
преобразование светового сигнала в
линейное перемещение.
6. М
Цветовая индикация нагрузки.
Цветовая индикация звука.
сонолюминесценция.
Электрострикционные материалы:
преобразование электрического сигнала в
линейное перемещение.
Повышение вязкости при электрическом
воздействии. Повышение твердости при
электрическом воздействии.
7. ЭМ:
4. Х
Противод
ействие
шуму
2. А
3. Т
2. А
Изменение при
электрическом
воздействии адгезии и
поверхностного
натяжения.
Цветная индикация охлаждения, нагрева,
изменения температуры, температурного
режима хранения
Термохромные материалы (ТХМ) и в
изменение прозрачности
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).
Изменение
сопротивления при
термическом
воздействии
Электрохромные материалы (ЭХМ) и
изменение прозрачности.
Электролюминисцентные материалы (ЭЛМ)
Цветная индикация магнитного поля:
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.
22
Идеальность системы
ПОВЫШЕНИЕ ИДЕАЛЬНОСТИ
МАТЕРИАЛОВ
МАТЕРИАЛЫ
САМИ ВЫПОЛНЯЮТ ФУНКЦИЮ
(«умные» материалы)
ПУСТОТА
ОБРАЗУЕТСЯ САМА
(«исчезающие» материалы)
ВВЕДЕНИЕ
ПУСТОТЫ
(пористые материалы)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ОБЫЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
УМ- Нейтрализаторы
УМ- Адапторы
УМ-Трансформаторы
Превратить ВЭ в пользу
Предотвратить ВЭ
Подавить ВЭ
Время развития системы
23
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, 24
Принципы и система стандартов.