Кынин А.Т. "Методы ТРИЗ в материаловедении"

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% [1]. Недаром одним из важнейших направлений развития науки в XXI веке признано "Создание новых материалов" [2].

Материал, свойство, идеальность, развитие.

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.

Поскольку материалы в значительной степени определяют возможности систем, то вполне очевидно, что более глубокое понимание их функций и места в технической системе позволит проводить работу по созданию новой техники более эффективно.

Было проведено: обобщение имеющихся данных по использованию материалов и их классификация; анализ этих данных с использованием инструментов ТРИЗ (Принципы, Противоречия, Вепольный анализ); определение перспективных тенденций в рассмотренных областях в соответствии с Законами Развития Технических Систем; иллюстрация применения ТРИЗ для описания эффектов, связанных с использованием этих материалов.

Целью представленной работы было определить место материалов в технических системах и показать применимость по отношению к ним основных понятий и инструментов ТРИЗ. Возможно, что такой подход станет ступенькой к созданию пособий по точным наукам, включающих методологию ТРИЗ в качестве основы.

Предлагаемая работа предназначена для помощи изобретателям в выборе наиболее эффективных способов решения производственных проблем, а также преподавателям ТРИЗ для использованию в их работе представленных примеров.

МЕСТО МАТЕРИАЛОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ [3]

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, которые можно использовать для достижения поставленной цели. В то же время как бы "за кадром" остается очень серьезная проблема: а из чего именно эти устройства сделаны? Причем, если вспомнить, что ТРИЗ родилась на основе анализа патентного фонда, то это весьма странно, так как в патентной классификации очень четко разделены классы "Устройства", "Вещества" и "Способы". В самой ТРИЗ эта неопределенность понятий выражена в том, что среди 40 Принципов [], большая часть из которых относится к устройствам и способам, имеются 8 принципов непосредственно связанных именно со свойствами материалов. То есть, пусть неявно, но автор дал понять, что материалы занимают достаточно важное место в технических системах.

Очевидно, что возможность использования искусственно созданных Технических Систем определяется свойствами составляющих их материалов. Этот факт настолько важен, что изучению свойств материалов посвящена наука "Материаловедение", которая включает и любимый всеми студентами предмет "сопромат". Однако что же такое "материал"? Очень любопытно, но такого термина не удалось обнаружить ни в одной из имеющихся энциклопедий. Приведено только определение вещества: Вещество ?- форма материи, которая в отличие от поля, обладает массой покоя.

Термины "вещество" и "материал" используются все-таки для обозначения разных понятий. Рассмотрим подробнее их взаимосвязь. Вещество обладает комплексом физических свойств. Но эти свойства не отражают возможность удовлетворить какую-либо нашу потребность напрямую. Свойства вещества камня, пока он лежал на земле, никого не интересовали. Когда человек взял камень и понял, что этим камнем можно разбить кость и вкусно пообедать, он интуитивно выбрал его для своего примитивного орудия и оценил твердость этого материала.

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 камень 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. Можно возразить, что в этом случае выпадает период использования нашими предками необработанных камней. 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. В этом случае следует ожидать, что закономерности, найденные для ТС, будут справедливы и для материалов.

МЕТОДЫ ТРИЗ В ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

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. Согласно определению: Композиционный материал представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

На рассмотренных примерах было показано, что появление новых материалов и изменение (развитие) их свойств соответствует основным закономерностям ТРИЗ и описывается такими инструментами, как Принципы, Стандарты и Законы Развития.

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наиболее важной характеристикой для выполнения функций Инструмента является прочность материала. Однако, прочность, как таковая, определяет только возможность использования материала, в то время как для построения кривой развития ТС нам необходимо рассматривать повышение идеальности системы, то есть отношение суммы выполняемых полезных функций к сумме факторов расплаты [44].

Поэтому будем рассматривать не прочность, а ее отношение к плотности материала, то есть, не абсолютную, а относительную характеристику - так называемую удельную прочность. Этот параметр не является физической величиной, но часто используется в технике. Обобщенный график зависимости удельную прочность от времени создания для различных материалов представлен на Рис.1.

Рис.1. Изменение удельной прочности материалов

Удалось показать, что развитие конструкционных материалов, в основных чертах соответствует законам развития Технических Систем - устройств и подчиняется основным Трендам развития.

ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ТЕЛ ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ [5]

В работе инженера необходимо учитывать изменение размеров объектов при термических воздействиях. Это связано с тем, что температура окружающей среды изменяется и синхронно с этим меняют размеры окружающие нас предметы, причем, в зависимости от использованного материала, они делают это по-разному. Соответственно, в местах контактов появляются растягивающие, или сжимающие напряжения, изменяются размеры деталей и расстояния между ними и т.д.

В ТРИЗ изменению размеров объектов при термических воздействиях уделено большое внимание и оно введено в качестве отдельного Принципа (№37: ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ). В то же время, в опубликованных работах не удалось найти подробного анализа процессов, связанных с термическими изменениями размеров объектов.

Был проведен анализ возможных способов борьбы с термическими деформациями и применение изменения размеров при термических воздействиях, а также сопоставление этих способов с реально существующими техническими решениями. Были рассмотрены только термические изменения размеров материалов, не связанные с изменением их фазового состояния.

Выявлены основные проблемы, связанные с термическими изменениями и области их применения. Произведена систематизация всех возможных методов предотвращения, борьбы или использования термических изменений, применяемых на данном этапе развития техники. Показано, что развитие этих методов соответствует основным Трендам Развития Технических Систем.

"ПУСТОТА" В МАТЕРИАЛАХ [6]

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. Примером использования "пустоты" служат принципы разрешения технических противоречий [7] №31 (применение пористых материалов) и №29 (использование пневмо- и гидроконструкций).

Табл. 1. Методы получения пустоты в материалах.

Были систематизированы все известные методы получения "пустоты". Кроме того, приведены практические примеры различных методов создания пустоты. Анализ этих явлений произведен, исходя из методологии ТРИЗ.

"ИСЧЕЗАЮЩИЕ" МАТЕРИАЛЫ

В процессе работы ТРИЗ-специалист часто сталкивается с ситуацией, когда для решения поставленной задачи необходимо ввести в систему дополнительное вещество (материал). Это требует, например, Принцип №24 - "Введение Посредника". Естественно, что такой посредник должен быть как можно более дешевым (Принцип №27 - "Дешевая недолговечность").

Суммируя все вышесказанное можно предложить следующее определение "исчезающих материалов": 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 представленой работе приведены примеры "исчезающих материалов", которые позволяют превратить абстрактные рекомендации Стандартов в реальные технические решения. Результаты работы могут быть полезны разработчикам новой техники и изобретателям.

"УМНЫЕ" МАТЕРИАЛЫ [8]

В последнее время появился большой интерес к так называемым "умным веществам" или точнее "умным материалам" (УМ, smart materials). Это материалы, изменяют свои параметры (характеристики) при изменении внешних условий (воздействий), например: давления, температуры, влажности среды, присутствия различных веществ и т.д. [9].

Применение "умных материалов" может дать огромный экономический эффект, причем исследования по "умным материалам" ведутся столь широким фронтом, что возникла необходимость в издании специального журнала по этой теме - Smart Materials and Structures [10], дайджеста Smart Materials Bulletin [11], а также ENCYCLOPEDIA OF SMART MATERIALS [12].

На входе в ТС, содержащую УМ как РО, мы имеем некое Внешнее Воздействие (ВнВз, Воздействие), которое и вызывает выполнение ПФ. Это же воздействие может одновременно выполнять и роль Источника Энергии (ИЭ). Однако в ряде случаев энергия ВнВз бывает меньше, чем энергия отклика УМ. Это может быть объяснено только тем, что в этом случае УМ содержит встроенный ИЭ, а внешнее воздействие только позволяет высвободиться скрытой энергии.

Рис.2. Структура обычной ТС (а) и ТС "Умный Материал" (б).

Тогда можно сделать заключение, что "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. Структура технической системы "Умный Материал" представлена на Рис.2.

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 (Transformers, аналоги "остроумных" материалов) - материалы, которые преобразуют энергию внешнего воздействия в выходное действие (сигнал "отклика"), изменяя при этом вид энергии ВнВз или ее интенсивность:
  • актуаторы, преобразующие энергию различных видов полей в механическое перемещение;

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

• Адапторы (Аdaptors) - это материалы, которые под влиянием внешнего воздействия изменяют свои характеристики;

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

В результате была создана справочная таблица с примерами реализации УМ и предложена их классификация на основе функционального подхода.

В заключение можно обобщить закономерности, найденные для материалов:

1. Появление новых материалов соответствует основным закономерностям и описывается основными инструментам ТРИЗ.

2. Срок между созданием материала и его промышленным использованием сокращается.

3. Повышение удельных характеристик материала (повышение идеальности) происходит по S - образной кривой, причем крутизна наклона кривой каждого нового материала растет быстрее.

4. Развитие материала не прекращается с появлением принципиально нового материала и сопровождается дальнейшим улучшением его свойств.

5. На кривой развития материала есть локализованные в пространстве и времени скачки, которые вызваны появлением материалов с исключительно высокими свойствами, но не получивших всеобщего распространения.

6. Индивидуальные кривые развития всех материалов, имеющих массовое применение, могут быть интегрированы единой огибающей линией, которая соответствует развитию системы "материалы для изготовления Инструмента".

7. Для описания развития материалов применимы следующие Тренды Развития Технических Систем: Повышения Идеальности, Переход в надсистему, Переход на микроуровень и Согласования частей системы.

Литература