Новейшая технология деревообработки / «Nissan Armada»
Разрабатывая новые строительные и конструкционные материалы, химики и технологи главное внимание уделяют их эксплуатационным свойствам. Такие критерии как экологичность или расход сырьевых и энергоресурсов отходят поначалу на второй план. Однако в конечном счёте они играют весьма заметную роль – хотя бы уже потому, что в значительной мере диктуют рыночную цену нового материала. Именно поэтому интерес к традиционным материалам на основе возобновляемых видов сырья в последнее время стремительно растёт. Типичным примером может служить древесина. Благодаря новым технологиям она может сегодня во многих областях успешно конкурировать с металлами, полимерами и даже керамикой. Многие поколения строителей видели один из главных недостатков древесины в ограниченной возможности её формования. Теперь специалисты Дрезденского технического университета разработали и запатентовали новую технологию обработки деревянных конструкций, которая существенно расширяет сферу их применения. При внешнем осмотре отличить обычный еловый брус от такого же бруса, но обработанного по дрезденскому методу, практически невозможно. Лишь взяв их в руки, замечаешь, что один почти вдвое тяжелее другого. Причина становится ясна при взгляде на торцы: на одном годовые кольца круглые, на другом – овальные, как бы сплюснутые. «Эта древесина подверглась уплотнению», – поясняет Пеер Халлер (Peer Haller), профессор Института строительных конструкций и деревянных сооружений при Дрезденском техническом университете:
Процесс уплотнения осуществляется при температуре 150 градусов Цельсия в прессе горячего прессования. При этом происходит сжатие микроструктуры древесины, и в результате мы получаем древесину очень высокой плотности – примерно 1 килограмм на кубический дециметр.
Один килограмм на кубический дециметр – это плотность воды. Сухая еловая древесина имеет в нормальном состоянии вдвое меньшую плотность – ведь она представляет собой своего рода губку. Именно высокая пористость древесины и позволяет из стволов круглого сечения получать методом горячего прессования без каких-либо потерь балки прямоугольного сечения. Но у этой технологии, помимо простоты и безотходности, есть и ещё одно достоинство:
Пропорционально плотности растут и механические показатели древесины. То есть прочность при растяжении в продольном направлении и жёсткость при изгибе у такой балки вдвое выше обычного.
Преимущества уплотнённой древесины наиболее отчётливо проявляются при возведении более или менее крупных инженерных сооружений – например, мостов. Здесь нагрузки всегда распределяются крайне неравномерно, так что отдельные балки подвержены повышенному износу. Если именно эти балки изготовить из уплотнённой древесины, а все прочие того же сечения – из обычной, то такое решение позволит сохранить архитектурную гармоничность моста и при этом обеспечить оптимальные эксплуатационные характеристики.
Это уплотнение означает более эффективное использование древесины. То есть возведение такого моста обходится дешевле, поскольку мы можем избирательно придавать отдельным балкам различные прочностные свойства. Экономия достигается за счёт снижения потребления сырья и объёмов транспортных перевозок.
Там, где ожидаемые нагрузки особенно велики, инженеры используют, как правило, стальные балки различного профиля. Широкое распространение получили, например, тавровое и двутавровое сечения. Однако и пустотелые балки коробчатого или круглого сечения способны нести гораздо большую нагрузку, чем сплошные массивные балки. Технология, разработанная профессором Халлером, позволяет получать пустотелые балки из древесины. Для этого сначала круглый ствол прессуется в брус квадратного сечения, а затем с одной стороны деформация снимается.
Процесс, обратный уплотнению, происходит под воздействием нагрева и увлажнения, при этом ранее сжатая микроструктура снова расправляется.
В результате квадратное сечение превращается в трапецеидальное, а это позволяет из нескольких таких балок сложить пустотелую трубу.
Такие профили по сравнению со сплошными массивными балками, широко используемыми при возведении деревянных сооружений, имеют меньшую материалоёмкость. То есть при том же количестве материала мы можем придать конструкции гораздо большую несущую способность.
Судя по всему, балки из уплотнённой древесины уже в скором времени появятся на многих стройплощадках. Древесина безусловно могла бы найти широкое применение и в машиностроительных отраслях, если бы не те трудности, с которыми до сих пор сталкиваются технологи при попытках прочно соединить деревянную основу – например, древесностружечную плиту, – с полимерным покрытием. Для этих целей сегодня используется клей, что далеко не всегда даёт оптимальные результаты. Теперь же специалисты Лазерного центра в Ганновере предложили другой метод – естественно, на основе лазера. Штефан Барчиковски (Stefan Bartcikowsky) – один из разработчиков новой технологии – говорит:
Нужно представлять себе дело так, что пластмасса для лазерного луча прозрачна. Лазерный луч как бы смотрит сквозь пластмассу, не замечая её, но видит за ней древесину. И вот там-то, на этой границе, и концентрируется энергия лазера. Древесина нагревается и подплавляет пластмассу, так что в результате образуется прочное сварное соединение, имеющее существенные преимущества перед клеевым.
Одно из главных достоинств лазерной технологии – её гибкость: переналадить такую установку, приспособив её для решения новых задач, можно за считанные часы. Энергия лазерного луча должен быть подобрана с таким расчётом, чтобы температура в пограничном слое не превышала 400-т градусов, иначе древесина начинает обугливаться. Однако столь высокие температуры и не нужны, поскольку большинство полимеров – от оргстекла до поливинилхлорида – плавятся уже при 90 градусах. Расплав затекает в поры древесины, благодаря чему и образуется прочное соединение. Штефан Барчиковски говорит:
Сейчас ситуация такова: при испытании наших образцов на разрыв, то есть когда мы пытаемся снова отделить пластмассу от древесины, образец всегда рвётся не в зоне соединения, а в толще материала. Для нас это очень хороший признак: значит, полученное нами сварное соединение прочнее, чем сами соединяемые материалы.
Правда, пока не очень ясно, можно ли тут говорить о сварке в полном смысле этого слова. Штефан Барчиковски поясняет:
Это очень интересный вопрос с материаловедческой точки зрения. Дело в том, что в древесине содержится лигнин. Этот природный биополимер является термопластом, то есть способен размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, а значит, в принципе его можно соединять с любыми другими полимерами методом сварки. Строго научных данных о том, что всё именно так и происходит, у нас пока нет, поскольку нас интересуют не столько теоретические основы, сколько прикладные аспекты технологии. То, что сама по себе технология функционирует, уже ясно, и теперь свою главную задачу мы видим в том, чтобы повысить скорость процесса и продемонстрировать – совместно с нашими многочисленными партнёрами – различные сферы применения этой технологии, чтобы уверенно выйти на рынок.
Сегодня опытная установка ганноверских инженеров обеспечивает довольно скромную скорость сварки – 1 метр в минуту. Авторы разработки намерены значительно повысить мощность лазера, которая пока составляет всего 100 ватт, и довести скорость сварки до 80-ти метров в минуту. Учёные надеются, что уже через год смогут представить действующий прототип промышленной установки.
Между тем, древесину начинают применять при производстве керамики. До сих пор исходным материалом для неё служили минеральные порошки – например, тонко молотый карбид кремния помещался в форму и спекался. Но измельчение и спекание – весьма энергоёмкие процессы, а потому американские инженеры разработали более экологичную технологию производства керамики: она не только требует меньше энергии, но и использует в качестве исходного материала возобновляемое сырьё – древесину. Мритианджей Сингх (Mrityunjay Singh), научный сотрудник отдела НАСА по разработке новых керамических материалов в Кливленде, штат Огайо, говорит:
Мы можем использовать даже опилки, утилизация которых является для лесопильных предприятий серьёзной проблемой. К опилкам добавляются вяжущие, затем полученной массе придаётся форма будущей детали, после чего эта заготовка подвергается пиролизу.
Упомянутый Сингхом пиролиз – это ни что иное как разложение под действием высоких температур в бескислородной среде. Именно этот процесс позволяет превращать древесину в древесный уголь, который – с химической точки зрения – представляет собой чистый углерод. А затем в печь добавляется кремний – второй компонент будущей карборундовой керамики:
Можно использовать кремниевый расплав, в обращении с которым во всём мире накоплен многолетний опыт. Но для реакции превращения углерода в керамику годится и газообразный кремний, и моноксид кремния. Того же результата можно добиться и с помощью кремнийсодержащих полимеров.
Кроме соединений кремния, могут быть использованы и расплавы некоторых солей, что позволяет производить широкий ассортимент современных керамик. Особенность предложенной технологии состоит в том, что на протяжении всего процесса сохраняется микроструктура древесины, и керамика как бы перенимает некоторые свойства исходного материала.
Если вы посмотрите на кость или на раковину моллюска, то обнаружите, что они образованы за счёт соединения отдельных компонентов при минимальном расходе энергии и обладают множеством весьма ценных свойств. Прекрасный пример – древесина: высокая прочность на растяжение и на изгиб сочетается здесь с высокой пористостью. Для керамики с такими свойствами найдётся немало новых сфер применения.
В частности, – полагает Сингх, – она может быть использована для фильтрации питьевой воды. Учёные университета в Эрлангене испытывают керамические материалы на основе сосновой древесины в качестве катализаторов для химической промышленности. А НАСА полагает, что новый класс материалов как нельзя лучше подходит для термозащиты космических аппаратов:
Наш интерес сосредоточен на астронавтике. Мы намерены разработать ряд облегчённых конструкционных элементов для космических аппаратов, поскольку такая керамика способна выдерживать большие механические нагрузки даже при очень высоких температурах, несмотря на то, что половина её объёма – это поры. А объясняется это свойство структурой исходного материала – древесины.
По мнению Сингха, первые изделия из керамики на основе древесины могут появиться на рынке уже через год-два. Но каков промышленный потенциал этого нового класса материалов – пока неясно.
Автомобильная рубрика
Осенью у больших американских внедорожников появится японский конкурент – восьмиместный «Nissan Pathfinder Armada». Автомобиль будет построен на шасси нового пикапа «Nissan Titan» с популярной в США кабиной «King Cab» (с двумя рядами сидений). «Armada» поражает своими огромными размерами, а также необычным дизайном кузова. Ключевыми элементами стали мощные кузовные панели, массивная хромированная решётка радиатора, огромный бампер со встроенными в него противотуманными фарами, выпуклый капот, а также крупные фары головного света. Всё это придаёт внедорожнику довольно агрессивный вид. В то же время дизайн задней части выполнен намного проще и спокойнее: отвесная «стенка» с расположенными по краям фонарями и обычным бампером. Визуально эти две части соединяет воедино сложная ступенчатая конфигурация крыши, которая к тому же придаёт автомобилю несколько спортивный облик.
Внутри салона очень просторно даже для восьмерых пассажиров с их багажом. Кроме того, продумано большое количество вариаций с третьим рядом сидений, который можно сложить в пол для увеличения багажного отсека. Для удобства посадки двери распахиваются почти на 180 градусов.
Безопасность всех пассажиров будут обеспечивать фронтальные и боковые подушки, ABS и трэкшн-контроль. А задняя двойная независимая подвеска на двойных рычагах и система динамического контроля сделают поездку не только безопасной, но и комфортабельной.
К услугам пассажиров – всевозможные багажные ёмкости, подстаканники по всему салону, а также подогреваемые сиденья, климат-контроль и DVD-система с двумя парами беспроводных наушников и дистанционным управлением. Звуковая система «Bose» с 10 динамиками оснащена радиоприёмником и CD-плейером, причём предусмотрена возможность одновременного прослушивания и того и другого, просто что-то одно (например, радио) будет звучать через колонки, а другое – через наушники.
Под капотом у «Pathfinder Armada» будет стоять, скорее всего, тот же мотор, что и у пикапа «Titan», т.е. V8 объёмом 5,6 литра, развивающий мощность свыше 300 л.с. Почти 90 процентов мощности двигателя доступны уже ниже 2500 оборотов в минуту, что необходимо при перевозке или буксировке грузов, а также при тихоходном движении по бездорожью. Однако в паре с двигателем будет работать пятиступенчатая автоматическая трансмиссия, что ограничивает внедорожные возможности автомобиля. Отнюдь не расширяют их также большая масса и слишком крупные габариты машины.
«Nissan Armada», так же как и «Titan», будут представлены на рынке не только в полноприводном варианте, но и с обычным задним приводом, причём для внедорожной (полноприводной) версии предусмотрены 17-дюймовые колёса размером 285/70, а для обычной – 18-дюймовые 265/70. Благодаря мощному двигателю автомобиль сможет тащить за собой прицеп массой до 4-х тонн 270-ти килограммов – например, яхту или трейлер с лошадьми. По предварительной информации, производство внедорожника «Nissan Pathfinder Armada» начнётся уже летом текущего года на новом заводе «Nissan» в Миссури, США. Новинка, созданная специально для североамериканского рынка, будет предлагаться в шести версиях и должна появиться в продаже ближайшей осенью, вслед за «Nissan Titan». По предварительным данным, цена на новинку составит от 60-ти до 70-ти тысяч долларов.