|
Навигация: Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры Оптимизацию структуры и научно-обоснованное определение вещественного состава различных искусственных конгломератов осуществляют общим (единым) методом проектирования. Могут быть методы и специфические, разработанные применительно к каждой разновидности конгломерата. Некоторые специфические особенности выделяются и при применении общего (единого) метода. Однако остаются неизменными научные принципы, лежащие в основе проектирования состава любым методом. К главным научным принципам относятся: наибольшее приближение технологических режимов и параметров, используемых в лабораторной практике проектирования состава, к реальной технологии производства конгломератной смеси и изделий; обеспечение возможно большей равномерности распределения частиц разной крупности, пор, поверхностей раздела фаз и других структурных элементов по объему материала; обеспечение заданных свойств на уровне числовых значений экстремумов при оптимальной структуре; применение общих объективных закономерностей, присущих конгломератным материалам оптимальной структуры и, в том числе, закона конгруэнции, закона створа, закона прочности и других; использование общего метода и средств проектирования оптимального состава и точная реализация проектного состава на производстве. Практическая цель проектирования заключается в определении расхода исходных компонентов (по массе) на одну тонну или один кубический метр плотной смеси. После формования, уплотнения и отвердевания смесь приобретает оптимальную структуру ИСК, которому придана форма изделия или конструкции, используемых при монтаже зданий и сооружений в строительстве. Реализация общего метода проектирования оптимального состава ИСК является существенной частью технологического процесса, которая в свою очередь является гарантом высшего качества изготовляемой продукции в соответствии с полученным проектным составом. Этот метод включает три этапа. Первый этап предусматривает выполнение ряда исходных операций: обоснование главных показателей строительно-эксплуатационных свойств конгломерата, исходя из тщательного анализа реальных условий работы его в конструкциях; выбор исходных материалов, соответствующих их функциональному назначению как компонентов конгломерата; определение’ или проверка, если были указаны, технических свойства принятых материалов с привлечением стандартных нормативов и с учетом производственных или назначаемых по проекту технологических параметров и режимов. Второй этап — расчетно-экспериментальный и предназначен для определения расхода принятых компонентов на одну тонну, или на 1 м3, или на другое количество смеси (например, на один замес смеси в объеме смесительного аппарата). Он выполняется в определенной последовательности операций, исходя из основных зависимостей в их математических выражениях, которые можно использовать в программах, реализуемых в дальнейшем с помощью машинной техники. Первая операция в этой последовательности — определение расчетной активности принятого вяжущего вещества и минимального фазового отношения, т. е.1 R* и с7ф. Впрочем, определение расчетной активности более часто относят к первому этапу проектирования состава при технической оценке исходных материалов. Вместо прочности может быть принято другое свойство материала — упругая деформация, плотность, вязкость, морозостойкость и т. Рис. 3.14. Зависимость насыпной плотности смеси заполнителей (рн) от содержания в ней песка (П) Третий этап — изготовление пробного замеса проектного состава, по возможности в производственных условиях, например в смесительном цехе завода. С помощью лабораторных испытаний устанавливают качество смеси и отформованного конгломерата по всем предусмотренным свойствам. Особо устанавливают наличие оптимальной структуры, например по индикатору подобия или по кривым оптимальных структур. Если отмечены отклонения, то производят корректирование состава. Ниже детализируется рациональная последовательность проектирования состава ИСК в общем виде с изложением в некоторых последующих главах конкретных примеров при безмашинном и машинном способах. Первый этап: определение расчетной активности вяжущего вещества (R*) как матричной части ИСК и минимального значения с7ф, обеспечивающего при принятых технологических параметрах оптимальную структуру. Для этого из смеси вяжущего вещества с 3—4 различными с/ф, отличающимися между собой обычно на величину 0,02—0,05, изготовляют образцы, установленные стандартами при оценках свойств испытуемого материала. Для первых прики-дочных опытов образцы могут приниматься меньших размеров в целях экономного расходования исходных компонентов. После всех испытаний и графического построения функции R = /(с/ф) находят и, при необходимости, уточняют искомое значение с7ф при наибольшей прочности вяжущего вещества R*. Второй этап начинается с уточнения конкретных математических зависимостей, которыми предстоит воспользоваться в расчетах по составу конгломератной смеси. Здесь потребуется выполнить также две операции, одна из которых является вспомогательной (экспериментальной), другая — основной (расчетной). Вспомогательная операция необходима для определения показателей степени пи га, используемых в формулах прочности и составов. Для этого по лабораторным данным строят кривую оптимальных структур (рис. 3.15) при произвольна выбранном значении (с/ф)А в точке А на этой кривой. Находят величину RA на кривой ДВЕ, а также значение (с+ф)в в точке В. Прочность RA имеется и на кривой KL, которой к началу эксперимента хотя еще и нет, но о ее вероятном существовании, как кривой оптимальных структур на плоскости х—у из теории ИСК известно. Рис. 3.15. Графики кривых оптимальных структур в пространственной системе координат Здесь важно учитывать, что величина п является постоянной, тогда как т — переменная, требующая корректирования для других значений с/ф или R. На этом вспомогательная операция второго этапа завершена. Следует переход к основной операции этого этапа — начислению количества расходов компонентов в проектном составе смеси. Похожие статьи: Навигация:
Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум
|
|
|
Для ответственных строительных объектов результаты первого этапа проектирования состава конгломерата могут быть рассмотрены совместно со строительной организацией (заказчиком) как своеобразное техническое задание.
п., в зависимости от назначения ИСК. Второй операцией на этом этапе проектирования служит определение состава плотной смеси заполнителя рн (рис. 3.14). Третья и наиболее емкая операция — выявление количества исходных компонентов в смеси, из которой формуют конгломерат. Она выполняется с помощью формул и расчетных характеристик, безмашинным способом или с привлечением электронно-вычислительных машин. При необходимости определяют показатели тех же свойств при других значениях Т и v.
Последнее может потребоваться и при выпуске массовой продукции на заводе, если исходные материалы получают время от времени другого состава и других свойств, чем были приняты в лаборатории на стадии проектирования состава.
Краткая характеристика.
Принципы долговечности строительных материалов — Студопедия
Поделись
При оценке ИСК первостепенное значение имеют их количественные характеристики физических и механических свойств, которые в значительной степени определяются его структурой.
Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций микрочастиц в пространстве, или комплексов этих комбинаций, слагающих микрочастицы, возникают тела, которые между собой отличаются структурами и свойствами. В структуре возможны изменения установившихся сочетаний и отношений частиц под влиянием отклонений температурных факторов, величины внешнего давления или других внешних факторов. Изменения в структуре отражаются на числовых показателях свойств.
Одному и тому же показателю свойств, например, величине предела прочности, могут соответствовать различные микро- и макроструктуры данного материала. Одному и тому же структурному показателю конкретного ИСК может соответствовать различная прочность или другие свойства. Результаты испытаний при так называемых «равных» условиях опыта характеризуются большим разбросом числовых значений.
Чтобы установить прямую или обратную взаимозависимость (корреляцию) между качественными и структурными показателями, необходимо сравнивать их не при «равных», а соответственных условиях, когда структуры являются оптимальными, а материалы (ИСК) становятся между собой подобными.
Характер оптимальной структуры зависит как от состава, так и от технологии изготовления конгломерата. В природных условиях он связан с генетическими процессами, закономерное течение которых нередко нарушается стихийными факторами. С изменением технологических или генетических условий оптимизация структуры наступает и при иных соотношениях компонентов, новом вещественном составе конгломерата.
Необходимые условия оптимальности:
— равномерное распределение частиц;
— непрерывность среды;
— минимум фазового отношения (с/ф min)
При оптимальных структурах строительные материалы обладают общими закономерностями, которые именуются как «законы оптимальных структур».
Под законом, как известно, понимается существенная, устойчивая и необходимая (т.
е. неслучайная) связь и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы оптимальных структур выражают внутреннюю вязь и взаимообусловленность свойств и структурных параметров материала.
ни распространяются на разнородные материалы и, подобно другим законам,
имеют объективный характер.
ЗАКОН СТВОРАустанавливает, что оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств. На рис. 1, закон створа представлен графически в прямоугольной плоскостной системе координат. Еще полнее он может быть изображен в пространственной системе координат (рис 2.)
Рис. 2 Графическое выражение закона створа: 1-средняяплотность; 2-экономическаяэффективность, 5-пределыпрочности; 4-морозостойкость; 5-внутреннее сцепление; 6-упругоэластическиесюйства; 7-ползучесть; 5-подвижность; 9—коэффициент выхода смеси
Получаемая по экспериментальным данным графическая зависимость в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеет характер экстремальной кривой.
В ней имеются две ниспадающие или возрастающие ветви с максимумом или минимумом между ними (рис. 3). Все экстремумы на этих кривых практически размещаются на одной прямой, т. е максимумы и минимумы экстремальных кривых размещаются в общем «створе».
Рис 3. График зависимости прочности материала от фазового отношения вяжущего вещества и содержания заполнителя:
а—в плоскостной системе координат;
б — в пространственной системе координат (p<q<s<)
Каждая точка экстремума данного свойства отражает такую структуру, при которой она удовлетворяет всем необходимым условиям оптимальности. Другие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответствуют условиям оптимальности структуры.
Для горной местности «Закон створа» — это:
— гряда холмов (водораздел) – max значений
— гряда впадин, ущелий (водослив) – min значений
Из графиков следует, что неоптимальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум, соответствующий оптимальной структуре, тогда как на ветвях этой кривой справа и слева от экстремума имеется бесконечное множество точек и каждая не соответствует оптимальной структуре.
Закон стеора является следствием комплексного воздействия физических, физико-химических и технологических факторов и явлений.
Научные принципы и этапы проектирования позволяют получать материал:
— оптимальной структуры;
— наилучший по заданным показателям технических свойств;
— наиболее выгодный по экономическим показателям;
Применительно к специфике строительных материалов закон створа выражает соответствие оптимальной структуры комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств. Закон позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать качество традиционных материалов, а также решать многие другие практические задачи.
Закон прочности оптимальных структурустанавливает, что произведение числовых показателей свойств конгломератов на степенную функцию фазового отношения его вяжущего вещества есть величина постоянная. Здесь, как и выше, под фазовым отношением понимается величина отношения массы среды к массе твердой фазы в свежеизготовленном материале.
Аналогично формулируется общий закон прочности оптимальных структур: произведение прочности (в любых показателях) конгломерата оптимальной структуры на фазовое отношение его вяжущего вещества в некоторой степени и есть величина постоянная
По своей физической сущности формула и закон прочности отражают максимальные величины сил сцепления микро- и макрочастиц при минимальных расстояниях между ними, минимальную дефектность и наибольшую однородность.
Видно, чтобы повысить прочность ИСК, необходимо с помощью определенных мер повлиять на увеличение прочности вяжущего вещества и плотности упаковки макрочастиц, на снижение толщин пленок среды в свежеизготовленном конгломерате.
Во всех случаях необходимо стремиться к минимуму вяжущего при соблюдении других условий оптимальности структуры и комплекса данных свойств.
Закон конгруэнции устанавливает, что между свойствами вяжущего вещества и конгломерата на его основе или между свойствами различных конгломератов на основе общего вяжущего вещества при оптимальных структурах существует обязательное соответствие.
Rб = ¥ (Rц, А, Rа/б (М бит, А, tприч, уплотнение и т. д.)
Этот закон означает, что при улучшении или ухудшении качества вяжущего соответствующие изменения произойдут и с конгломератом, изготовляемом на его основе. При неоптимальных структурах нередко получают конгломераты худшего качества даже при повышении качества вяжущего вещества. Закон конгруэнции показывает, что одной из главных задач при повышении качества любого конгломерата является всемерное улучшение его вяжущей части. Конкретные меры зависят от разновидности вяжущего, но всегда определенную пользу приносят:
— сближение частиц до предельно возможного минимума;
— повышение дисперности частиц твердой фазы;
— применение добавочных веществ направленного действия;
— обработка вяжущего (и конгломерата) с помощью физических активаторов и т. п.
Исследования показали, что закон конгруэнции может быть распространен и выражен в виде уравнений на материалы оптимальных структур при различных вяжущих веществах и технологиях, т.
е. он имеет более широкое обобщение, чем было указано выше. Его применение позволяет совершенствовать производство, открывать новые материалы с заданными и притом экстремальными свойствами, прогнозировать качество материала и т.п.
Закон оптимальных структур не изолированы друг от друга, а взаимосвязаны, поэтому их используют в совокупности. Особенно наглядным их комплексное использование проявляется при проектировании оптимальных составов. Метод проектирования предусматривает применение законов для получения не только оптимального состава по заданным показателям качества, но и обеспечения оптимальной структуры для принятой технологии, чтобы заданные свойства были одновременно и экстремальными (закон створа).
Комплексной характеристикой качества материалов является долговечность – способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течении возможно более длительного времени. О долговечности судят по продолжительности изменения до критических пределов прочности, упругости или других свойств.
С этой целью образцы или изделия подвергают в лабораторных условиях или натурных (эксплуатационных) условиях воздействию комплекса механических, физических, химических и других факторов, реально воздействующих на конструкцию. После расчетного периода времени действия комплекса факторов, или определенного цикла испытаний, устанавливают степень изменения первоначальных числовых значений свойств и сравнивают с допустимой величиной их изменения.
О долговечности пока судят по отклонениям в структуре материала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит нарушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной. В теории ИСК под долговечностью понимают способность материала сохранять в эксплуатационный период времени на допустимом уровне структурные характеристики (параметры, которые сложились в технологический , т.е. предэксплуатационный период.
Независимо от способа оценки долговечности – по изменению свойств или структуры – период долговечности условно можно разделить на три этапа:
— материал, помещенный в конструкции зданий и сооружений, на первом этапе долговечности характеризуется упрочнением структуры, или улучшением показателей свойств, второй этап – их относительной стабильностью, третий – деструкцией, т.
е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического уровня и даже полного разрушения, с соответствующим ухудшением показателей качества. У отдельных материалов в эксплуатационной период тот или иной этап в периоде долговечности может отсутствовать или его продолжительность столь мала, что принимается практически равной нулю. Может, например, полностью отсутствовать временной элемент упрочнения структуры или ее стабильного состояния. Что же касается этапа деструкции, то он почти неизбежен, хотя и не всегда наблюдаемый визуально. Гораздо реже деструкция протекает с огромной интенсивностью, когда временной элемент становится практически равным нулю.
Задача заключается в том, чтобы всемерно увеличивать долговечность, т. е., продолжительность каждого из трех взаимосвязанных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабильности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможения деструкционных процессов.
При изучении структур обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики.
Количественной оценкой структур занимается стереология; ее методы используются и для изучения долговечности ИСК. Эти методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или другим данным структурного анализа определять объемное содержане изучаемых структурных элементов: размер и объем пор, внутреннюю удельную поверхность твердой фазы, размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды, соотношение объемов кристаллической и аморфной (стекловатой) частей в вяжущем, однородность расположения частиц в объеме и т. п.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
MSE 170 Основы материаловедения (4) NSc
Основные принципы структуры и свойств материалов, используемых в инженерной практике. Свойства материалов в связи с атомной, молекулярной и кристаллической структурой. Металлы, керамика, многофазные системы и полимерные материалы. Связь между структурой и электрическими, механическими, термическими и химическими свойствами. Условие: CHEM 142, CHEM 143 или CHEM 145.
Предлагается: AWSpS.
См. сведения о курсе в MyPlan: MSE 170
MSE 197 Тематические исследования в области инноваций материалов (2)
Концепции материаловедения с акцентом на возможности карьерного роста в области материаловедения и инженерии. Включает конструкционные материалы, электронные материалы, биоматериалы и материалы, связанные с энергетикой. Развитие навыков научного анализа и формулирования исследовательских предложений. Условие: CHEM 142, CHEM 143 или CHEM 145. Предлагается: Sp.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 197
MSE 311 Интегрированная студенческая лаборатория I (3)
Лабораторные эксперименты и методы, используемые для оценки физических свойств металлов, керамики и полимеров. Использование и обучение аналитическому оборудованию, библиотечным ресурсам для справочного и литературного поиска, составлению лабораторных отчетов, записи лабораторных журналов и анализу данных. Предварительное условие: MSE 170, который можно сдавать одновременно.
Предлагается: A.
Посмотреть сведения о курсе в MyPlan: MSE 311
MSE 313 Интегрированная студенческая лаборатория III (3)
Лабораторные эксперименты по определению характеристик передовых керамических, металлических, полимерных, полупроводниковых и композитных материалов. Изучение процессов механических, электрических, диэлектрических и оптических измерений для понимания особенностей измерения свойств. Материалотехнический проект, включая проектную работу и устную презентацию. Требование: MSE 312. Предлагается: Sp.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 313
MSE 322 Кинетика и микроструктурная эволюция (4)
Применение термодинамических и кинетических принципов к изучению процессов переноса, превращений и реакций в технических материалах. Термическая активация и скорость процессов, зародышеобразование и рост, фазовые превращения, рост зерен, спекание и другие процессы. Предварительное требование: MSE 321. Предлагается: W.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 322
MSE 331 Кристаллография и структура (3)
Теория и практика рентгенографии с приложениями к материалам карты сайта.
Принципы симметрии кристаллов, системы решеток и стереографические проекции. Закон дифракции Брэгга, условия Лауэ, дифракция на рентгеновских лучах, методы дифракции монокристаллов и порошков и их применение для анализа решетки, фазы, деформации и текстуры. Предварительное требование: MSE 170. Предлагается: A.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 331
MSE 333 Характеристика материалов (3)
Принципы и применение аналитических методов, визуализации, дифракции и спектроскопии для характеристики материалов, включая кристаллическую структуру, формирование текстуры, фазовый анализ. Нано- и микроструктуры материалов, включая дефекты и вторые фазы, химия, склеивание, составы материалов. Демонстрации и лабораторные эксперименты с использованием методов светорассеяния и дифракции. Требование: MSE 170; МСЭ 331; MSE 351. Предлагается: Sp.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 333
MSE 351 Электронные свойства материалов (3)
Введение в элементарные концепции твердого тела в материалах, свободных электронах и зонных теориях.
Принципы проводимости металлов, изоляторов, полупроводников и применения полупроводников и устройств. Предварительные требования: MSE, 170, MSE 331. Предлагается: W.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 351
MSE 352 Функциональные свойства материалов I (3)
Введение в тепловые свойства, электрическую (ионную и полярную) проводимость и оптические свойства, в том числе происхождение цвета, взаимодействие световой волны с материалами, лазеры и оптоэлектроника. Основное внимание уделяется взаимосвязи между физическими свойствами и химическим составом, кристаллической структурой и микроструктурой. Требование: MSE 351. Предлагается: Sp.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 352
MSE 398 Лидерский семинар (1, макс. 4)
Еженедельный семинар, на котором выпускники программы, академические и государственные лидеры рассказывают студентам о своем опыте работы и знаниях. Включает различные темы, связанные с лидерством в профессии материаловедения и инженерии, такие как планирование карьеры, управленческие навыки, навыки межличностного общения, предпринимательство, этика и стратегические решения.
Только кредит/без кредита. Предлагается: Вт.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 398
MSE 450 Магнетизм, магнитные материалы и родственные технологии (3)
Знакомит с магнетизмом, магнитными материалами и связанными с ними приложениями. Обсуждаются внутренние и феноменологические концепции магнетизма, упорядоченные магнетические материалы, структурно-чувствительные свойства, магнитные явления, малые частицы, тонкие пленки и приложения (магнитная запись, постоянные магниты и спиновая электроника).
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 450
MSE 452 Функциональные свойства материалов II (3)
Функциональные материалы, включая диэлектрики, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, оптоэлектронику и магнитные материалы. Подробное обсуждение фундаментальных взаимосвязей между химическим составом, кристаллической структурой, микроструктурой и физическими свойствами. Описание общих устройств и применений этих функциональных материалов. Условие: MSE 352.
Предлагается: W.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 452
MSE 462 Механическое поведение материалов II (3)
Структурные влияния на механические свойства материалов и механизмов упрочнения. Напряженно-деформированные состояния, критерии разрушения, многоосные нагрузки. динамическое нагружение, кинематическое и изотропное упрочнение, пластичность; Дефекты и надежность материалов, вероятностные отказы, механизмы разрушения и упрочнения. Напряженная усталость, рост усталостных трещин, вязкоупругость, вязкопластичность. Условие: АА 210; ЦВЕ 220; MSE 362. Предлагается: Sp.
Подробности о курсе см. в MyPlan: MSE 462
MSE 466 Энергетические материалы, устройства и системы (3)
Обеспечивает основанное на проектах обучение синтезу и определению характеристик новых энергетических материалов, их производству и хранению, а также интеграции возобновляемых источников энергии в энергетические системы с использованием инструментов на испытательном полигоне для исследований в области чистой энергии.
Темы включают синтез наночастиц, солнечные элементы, анализ импеданса, характеристику с помощью симулятора солнечной энергии, сборку и тестирование батарейки типа «таблетка», фотохимию, полупроводники с двумерными материалами, моделирование сетки. , MSE 351, MSE 352, CHEM E 456, CHEM 455 или CHEM 475, любой из которых можно принимать одновременно. Предлагается: совместно с CHEM 466/CHEM E 440; А.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 466
MSE 481 Наука и технология наноструктур (3)
Всестороннее введение в развивающуюся область нанонауки и нанотехнологии. Включает свойства материалов в зависимости от масштаба длины и размерности, применения в медицине/биологии, электронике, магнетизме и электромеханических системах. Подходы к совместному обучению, предполагающие участие студентов в групповых заданиях, занятиях в классе, лекциях и посещениях лабораторий. Предлагается: Вт.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 481
MSE 482 Биоматериалы/наноматериалы в тканевой инженерии (3)
Обеспечивает базовое понимание биоматериалов, применения имплантатов и их конструкции.
Включает основы синтеза, свойства и биосовместимость металлических, керамических, полимерных, композитных и биологических материалов и их применения для замены твердых и мягких тканей и контролируемой доставки лекарств.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 482
MSE 484 Электронные и оптоэлектронные полимеры (3) NW
Охватывает химию, физику, материаловедение и применение полупроводниковых и металлических сопряженных полимеров. Исследует структурное происхождение разнообразных электронных и оптоэлектронных свойств сопряженных полимеров. Приводятся примеры применения светоизлучающих диодов, лазеров, солнечных элементов, тонкопленочных транзисторов, электрохромных устройств, биосенсоров и батарей. Условие: либо CHEM 453, либо CHEM 455. Предлагается: совместно с CHEM 484; А.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 484
MSE 486 Основы технологии интегральных схем (3)
Физика, химия и технология обработки, включая испарение, напыление, эпитаксиальный рост, диффузию, ионную имплантацию, лазерный отжиг, окисление, химическое осаждение из газовой фазы, фоторезисты.
Соображения по проектированию биполярных и МОП-устройств, материалов и характеристик процесса. Тенденции будущего. Условие: EE 331 или MSE 351. Предлагается: совместно с EE 486; АВ.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 486
MSE 489 Аддитивное производство: материалы, обработка и применение (3)
Аддитивные процессы производства полимеров, металлов, керамики и композитных материалов. Принципы работы, ключевые параметры процесса, важные для процесса сборки детали, и важность дизайна. Микроструктура сборочных частей, зависимость от условий обработки, механических и физических свойств, дефектов и соответствующей обработки после обработки для каждой системы материалов. Гибридные процессы и внедрение в различных областях. Предлагается: совместно с М Е 402; Сп.
См. сведения о курсе в MyPlan: MSE 489
MSE 502 Sol-Gel Processing (3)
Основы науки о коллоидах, а также физики и химии процесса золь-гель. Особое внимание уделяется синтезу и применению различных материалов, таких как многокомпонентные оксиды, нанокомпозиты, мезо- и микропористые материалы, органические/неорганические гибриды и биоматериалы, которые имеют важное применение как в передовых технологиях, так и в современных отраслях промышленности.
Предлагается: А, нечетные годы.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 502
MSE 505 Моделирование МЭМС (4)
Микроэлектромеханические системы (МЭМС), включая сосредоточенное моделирование, сопряженные силовые переменные, электростатические и магнитные приводы, линейные преобразователи, динамику линейной системы, оптимизацию конструкции и тепловой анализ. Темы численного моделирования включают электро (квази) статические, механические, электромеханические, магнито (квази) статические и гидродинамические явления; параметрический анализ, визуализация многомерных решений; и проверка результатов. Предлагается: совместно с Е Е 503.
См. сведения о курсе в MyPlan: MSE 505
MSE 510 Связывание, кристаллография и свойства материалов, связанные с симметрией (3)
Тщательное введение в основы склеивания, симметрии, кристаллографии и связанных с ними свойств. Квантово-механические основы сцепления и свойств твердых тел. Геометрический подход к пониманию элементов симметрии в 2D и 3D, включая точечные группы, пространственные группы, стереографические проекции и решетки Браве.
Тензорные свойства кристаллов, связанные с кристаллографией и симметрией. Предлагается: А.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 510
MSE 525 Кинетика и фазовые превращения (3)
Термодинамические основы кинетических процессов, включая кинетику диффузии и фазовых превращений. Задачи диффузии и методы их решения, статистическая обработка диффузии, превращения твердое тело-жидкость и твердое тело-твердое, переходы упорядочения. Специальные темы, связанные с ростом зерна, спеканием, мартенситными превращениями. Необходимое условие: MSE 322 и MSE 421 или эквивалент. Предлагается: Сп.
См. сведения о курсе в MyPlan: MSE 525
MSE 550 Магнетизм, магнитные материалы и родственные технологии (3)
Знакомство с магнетизмом, магнитными материалами и связанными с ними приложениями. Обсуждаются внутренние и феноменологические концепции магнетизма, упорядоченных магнитных материалов, магнитных явлений, малых частиц, тонких пленок и приложений (магнитная запись, постоянные магниты и спиновая электроника).
Предлагается: Сп.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 550
MSE 561 Введение в квантовую информатику и инженерию для химиков и материаловедов (3) Peter J. Pauzauskie, Brandi Cossairt
Математические и квантово-механические основы, кубиты, когерентность, запутанность, приложения и системы материалов. Требования: CHEM 455 (или эквивалент) или разрешение инструктора; рекомендуется: курс физической и/или квантовой химии. Предлагается: совместно с CHEM 561; A.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 561
MSE 562 Введение в электронные композиты (3) Taya
Основы взаимосвязи микроструктуры и макросвойств электронных композитов. Этот курс охватывает приложения (компьютеры, лазерные комплексы, медицинские устройства, МЭМС, авионику), функции (механические, тепловые, электромагнитные и оптические), отношения микроструктуры и макросвойств, вопросы обработки и моделирование электронных композитов. Предлагается: совместно с М Е 562; Сп.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 562
MSE 565 Электронная теория материалов (3)
Твердотельные концепции материалов. Атомная связь, статистическая механика, теория зон Бриллюэна. Приложения к проводимости, оптическим и магнитным свойствам металлов, полупроводников и изоляторов. Предлагается: W, нечетные годы.
См. сведения о курсе в MyPlan: MSE 565
MSE 566 Энергетические материалы, устройства и системы (3)
Обеспечивает основанное на проектах обучение синтезу и характеристике новых энергетических материалов, для производства и хранения, а также интеграции возобновляемых источников энергии в энергетические системы с использованием инструментов на испытательном полигоне для исследований в области чистой энергии. Темы включают синтез наночастиц, солнечные элементы, анализ импеданса, определение характеристик с помощью солнечного симулятора, сборку и тестирование батарейки типа «таблетка», фотохимию, полупроводники с двумерными материалами, моделирование сетки Предлагается: совместно с CHEM 566/CHEM E 540; А.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 566
MSE 568 Активные и чувствительные материалы (3) Taya
Фундаментальные знания о наноструктурных отношениях свойств активных и чувствительных материалов и их устройств. Примеры активных и чувствительных материалов включают: сплавы с памятью формы (SMA), ферромагнитные SMA, ферроэлектрические, пироэлектрические и пьезоэлектрические материалы, термоэлектрики, электроактивные и проводящие полимеры, фотоактивные полимеры, фотогальванику и электрохромные материалы. Предлагается: совместно с М Е 568; Сп.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 568
MSE 582 Биоматериалы/наноматериалы в тканевой инженерии (3)
Обеспечивает базовое понимание биоматериалов, применения имплантатов и их конструкции. Включает основы синтеза, свойства и биосовместимость металлических, керамических, полимерных, композитных и биологических материалов и их применения для замены твердых и мягких тканей и контролируемой доставки лекарств.
Просмотр сведений о курсе в MyPlan: MSE 582
MSE 589 Аддитивное производство: материалы, обработка и применение (3)
Аддитивные процессы производства полимеров, металлов, керамики и композитных материалов. Принципы работы, ключевые параметры процесса, важные для процесса сборки детали, и важность дизайна. Микроструктура сборочных частей, зависимость от условий обработки, механических и физических свойств, дефектов и соответствующей обработки после обработки для каждой системы материалов. Гибридные процессы и внедрение в различных областях. Предлагается: совместно с М Е 506; Сп.
Подробнее о курсе в MyPlan: MSE 589
12 Принципы «зеленой» инженерии
Операции разделения и очистки должны быть разработаны таким образом, чтобы свести к минимуму потребление энергии и использование материалов.
Предоставлено доктором Мэтью Дж. Реалффом, профессором и научным сотрудником Дэвида Вана, Школы химической и биомолекулярной инженерии, Технологический институт Джорджии
Промышленные процессы разделения очень энергоемки и в большинстве случаев не приближаются к термодинамическим пределам минимальной работы разделения [1] .
Исторически сложилось так, что для разделения жидких и конденсируемых газов многоступенчатая дистилляция была рабочим процессом, основанным на разнице температур кипения разделяемых компонентов. Потребление энергии на нефтеперерабатывающих заводах связано с перегонкой сырой нефти на ее различные фракции и последующим разделением компонентов термического или каталитического крекинга в этих различных фракциях. Кроме того, при производстве многих органических химикатов используется дистилляция, что значительно увеличивает их производство CO 9 .0207 2 следы. Таким образом, отказ от дистилляции, повышение эффективности дистилляции и поиск альтернатив дистилляции являются очень важными аспектами реализации третьего принципа «зеленой инженерии».
Как избежать перегонки? Один из подходов заключается в объединении технологических реакций с разделением, чтобы избежать образования смесей, которые необходимо разделить. Например, метилацетат производят вместе с водой из метанола и уксусной кислоты.
Эта реакция ограничена равновесием и приводит к смеси, состоящей из нескольких бинарных азеотропов между компонентами. Традиционный процесс включал использование восьми дистилляционных колонн, одной жидкостной экстракции и декантатора 9.0205 [2] . Эта сложная серия установок была заменена одной установкой, которая интегрировала реакцию в процесс разделения [3] . Ключевым моментом является то, что если один из продуктов, в данном случае метилацетат, уходит в паровую фазу, а другой, вода, в жидкую фазу, равновесного превращения не происходит, и сырье может быть полностью преобразовано в продукты. В результате получается система, которая составляет 1/5 th капитальных и энергетических затрат по сравнению с традиционным процессом [2] .
Как сделать дистилляцию более эффективной? Потребление энергии при перегонке происходит в ребойлере, где тепло используется для создания потока пара, который проходит вверх через колонну и состав которого обогащается более летучим компонентом за счет его отделения от жидкости, текущей вниз.
Этот пар затем конденсируется в жидкий продукт, а часть возвращается в колонну для контакта с восходящим паром, из которого поглощается менее летучий компонент по мере движения жидкости вниз по колонне. Этот сложный процесс создает желаемый градиент состава в колонне, при этом более высококипящий компонент более сконцентрирован в ребойлере, а низкокипящий компонент — в конденсаторе. Как правило, теплота конденсации выделяется при более низкой температуре, чем поглощается теплота парообразования, но что, если бы температуру пара можно было повысить до его конденсации? На самом деле, сжатие пара позволяет достичь именно этого результата, когда работа сжатия используется для повышения температуры пара, а затем повторно используется тепло, выделенное ребойлеру. Это повышает энергоэффективность дистилляционной колонны и может привести к процессам разделения разбавленных продуктов, которые в противном случае не были бы энергоэффективными [4] .
Как насчет альтернативных методов разделения, заменяющих перегонку? Дистилляция не использует очень специфические различия в размерах молекул или других физико-химических свойствах, таких как сродство к определенным растворителям или твердым адсорбентам, и поэтому существуют более селективные методы разделения, которые потенциально потребляют меньше энергии, чем дистилляция.
К сожалению, многие из этих методов не могут быть масштабированы так же эффективно, как дистилляция, до больших скоростей потока, необходимых для промышленного химического производства на заводах мирового масштаба. Кроме того, дистилляция обладает преимуществом инерционности – с большой установленной производственной базой и многолетним опытом эксплуатации. Эти факторы препятствуют попыткам замены дистилляции другими, более энергоэффективными технологиями.
Одной из технологий, которая прервала дистилляцию в крупномасштабном применении, является обратноосмотическая мембранная сепарация для опреснения воды. Обратный осмос использует механическое давление для преодоления осмотического давления, создаваемого раствором соли, и тем самым проталкивает воду через селективную оболочку. Теоретическая энергия для расслоения воды и соли составляет приблизительно 1 кВтч/м 3 воды, лучшие на сегодняшний день мембранные технологии имеют реальную стоимость энергии 4,0 кВтч/м 3[5] и технологии термической «дистилляции» используют порядка 50 кВтч/м 3[6] .
В этом случае разница в размерах между гидратированным ионом соли и одиночной молекулой воды составляет 3 раза, а мембранная матрица позволяет воде проходить, но удерживает ионы соли. Мембраны для этого применения изготавливаются эффективно в очень больших масштабах, и большая площадь поверхности может быть упакована в относительно небольшой объем, оба эти фактора позволяют технологии быть конкурентоспособной не только с точки зрения энергии, но и с точки зрения общей стоимости.
Для реализации третьего принципа «зеленой» инженерии необходимо разработать дополнительные приложения энергоэффективных, но часто более капиталоемких технологий. Ключевым фактором станет сочетание высокоселективных материалов, которые могут «захватывать» или «пропускать» определенные молекулы из тех, которые тесно связаны по размеру или другим свойствам, с технологиями производства, такими как мембраны из полых волокон, что приведет к масштабируемой энергоэффективности. методы разделения. Опреснение мембраны обратного осмоса является ведущим примером такого подхода, и другие приложения находятся в стадии активной разработки.