1.2. «Умные» материалы

Очевидно, что именно свойства материалов в значительной степени определяют возможности практического применения тех или иных устройств. Поэтому весьма актуальным является вопрос о месте материалов в технике вообще и в перспективных разработках, в частности. Это не удивительно, поскольку ключевыми проблемами для изобретателя являются ответы на следующие вопросы: как влияют свойства используемых материалов на возможности устройств, в которых эти материалы используются, и какими именно свойствами материалов определяются те или иные функциональные возможности элементов системы. Причем, роль материалов в процессе развития техники растет. По некоторым прогнозам в ближайшем будущем доля рынка материалов, созданных с использованием нанотехнологий, может составить до 30%. Недаром одним из важнейших направлений развития науки в XXI веке признано "Создание новых материалов".

Одним из методов, позволяющих с высокой эффективностью создавать новую технику, является использование Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ). Поэтому вполне очевидной является попытка проанализировать закономерности развития и применения материалов именно с точки зрения данной теории. Было проведено: обобщение имеющихся данных по использованию материалов и их классификация; анализ этих данных с использованием инструментов ТРИЗ [2, 3, 11]; определение перспективных тенденций в рассмотренных областях в соответствии с Законами Развития Технических систем; иллюстрация применения ТРИЗ для описания эффектов, связанных с использованием этих материалов.

Когда в работах по ТРИЗ идет речь о технических системах (ТС), то, "по умолчанию", принимается, что ими являются только различные устройства и механизмы. Материалы обычно выступают в виде ресурсов. Очевидно, что возможность использования искусственно созданных Технических Систем определяется свойствами. Термины "вещество" и "материал" используются для обозначения разных понятий. Вещество обладает комплексом физических свойств. Материал - это то, из чего состоит используемый объект. Однако, вещество (камень), стало материалом только тогда, когда человек включил его в состав системы. То есть, материал - это вещество, которое было обработано человеком. Конечно, является ли необработанный камень, еще необработанный, Инструментом, или нет - это вопрос дискуссионный, так как даже животные используют природные объекты, в качестве Инструмента. Примем, что камень стал Инструментом только тогда, когда человек его обработал. Но, с большой долей уверенности, можно считать, что этот период только предшествовал появлению человеческой цивилизации.

В таком случае введем следующее определение: материал - это искусственно созданное и обработанное человеком вещество, или комбинация веществ, из которых состоит рассматриваемый объект. Свойства материала должны быть достаточны для выполнения объектом его полезного предназначения. При использовании такого определения мы четко ограничиваем круг веществ, пригодных для изготовления того, или иного объекта, способностью обеспечивать его применимость. Для определения места материала в ТС проведем анализ составных частей ТС. Он может быть: Источником Энергии, Двигателем, Трансмиссией, Органом Управления, Любыми комбинациями элементов, Технической Системой.

Принято, что человеческая цивилизация началась с каменного века (начало палеолита точно не установлено, конец неолита около 8-3 тыс. лет до н.э.), когда вещество - камень, который валялся на дороге, стало материалом, из которого состояло орудие (инструмент). Следующим этапом стал медный век (энеолит). Однако этот этап еще не в полной мере соответствует развитию материалов, как искусственных систем, так как первоначально использовалась самородная медь.

Бронзовый век (конец IV-начало I тыс. до н. э.) ознаменовался широким распространением этого сплава. Но он имел одну характерную особенность. Человек ВПЕРВЫЕ полностью перешел от использования материалов природного происхождения (камень, самородная медь) к созданию новых веществ - сплава меди и олова.

Железный век наступил в I тысячелетии до н. э. Особенностью данного этапа является отсутствие этого вещества в природе (за исключением метеоритного железа). Следует отметить, что техническая система - сплав на основе железа практически сразу стала развиваться как комбинированная, поскольку чистого железа в природе не существует. Следующим этапом развития материалов явилось появление веществ-полимеров и созданных на их основе конструкционных материалов. Природные полимеры были давно известны человеку. Однако эпоха пластмасс началась только тогда, когда человек начал целенаправленно изменять свойства природных полимеров и создавать новые. Недостаточная прочность пластмасс и анизотропия прочности волокон привела к новому скачку в материаловедении - созданию композиционных материалов.

Использование "пустоты" может оказать значительную помощь при решении самого широкого круга задач. Этот прием использован для разрешения технических противоречий, в системе Стандартов и в Законах Развития Технических Систем (ЗРТС). Обычно, под "пустотой" подразумевается вакуум или отсутствие основного материала, поэтому в раздел "пустоты" попадают различные полости в системе, и введение в основной материал таких дешевых ресурсов, как воздух и вода - целесообразно.

В процессе работы специалист часто сталкивается с ситуацией, когда для решения поставленной задачи необходимо ввести в систему дополнительное вещество (материал). Естественно, что такой посредник - материал должен быть как можно более дешевым.

Суммируя все вышесказанное, можно предложить следующее определение "исчезающих материалов" (ИМ): это материал, который вводится в систему для выполнения определенной полезной функции и после этого исчезает из системы самостоятельно, либо при незначительном изменении внешних параметров. При этом ИМ должен либо стать частью системы, или окружающей среды, либо раствориться в них, существенно не изменяя их свойства.

В последнее время появился большой интерес к так называемым "умным веществам" или точнее "умным материалам" (УМ). Это материалы изменяют свои параметры (характеристики) при изменении внешних условий (воздействий: - давления, температуры, влажности среды, присутствия различных веществ и т.д.). Применение "умных материалов" может дать огромный экономический эффект. Однако в ряде случаев внешняя энергия (ВЭ) бывает меньше, чем энергия отклика УМ. Это может быть объяснено только тем, что в этом случае УМ содержит встроенный источник энергии (ИЭ), а внешнее воздействие только позволяет высвободиться скрытой энергии. Например, человек дышит воздухом. Воздух невидим, но в результате физико – химических процессов, происходящих в организме человека, он благотворно действует на весь организм и тоже время, в виде углекислого газа, покидает организм, т. е. воздух есть, но его нет.

Таким образом, можно считать -"Умный Материал" - это ни что иное, как полная Техническая Система, свернутая в рабочий орган (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. В качестве основы для классификации УМ можно выбрать их взаимоотношение с главным потребителем производимой полезной функции - человеком или элементом другой системы. Предлагается разделить УМ на следующие классы:

• трансформаторы (аналоги "остроумных" материалов) - материалы, которые преобразуют энергию внешнего воздействия в выходное действие (сигнал "отклика"):

• актуаторы, преобразующие энергию различных видов полей в механическое перемещение;

• индикаторы (сигнализаторы тревоги) - это материалы, преобразующие энергию различных видов воздействий (поля или вещества) и ресурсы среды в сигнал отклика, который воспринимается человеком без использования дополнительных устройств;

• адапторы - это материалы, которые под влиянием внешнего воздействия изменяют свои характеристики;

• нейтрализаторы (аналоги "мудрых" материалов) - это такие вещества, которые не только обнаруживают вредное воздействие, но и сами устраняют причины его возникновения.