Специфика материала как объекта систематических инноваций

1.     Введение

Среди совершенствуемых объектов, определяющих технический прогресс, материалы занимают особое место. Многие технические новации, без которых невозможно представить современную жизнь, были бы невозможными без создания специальных материалов: легких, прочных, устойчивых к действию высоких и низких температур, агрессивных сред, регулируемо изменяющих свои свойства под действием внешних полей, и т.д. Новые материалы составляют значительную долю среди современных патентов на изобретения, по некоторым оценкам, доходящую до 20% от общего числа мировых патентов или даже несколько более.

Как и прочие объекты совершенствования в технике, материалы могут совершенствоваться разными методами, как самым древним – методом проб и ошибок (МПиО), так и систематическими, к числу которых принадлежит и ТРИЗ – теория решения изобретательских задач.

Однако, несмотря на то, что с использованием систематических методов выполнено значительное число проектов по совершенствованию материалов, до сих пор остается не вполне решенным принципиальный вопрос о том, в чем же, собственно, состоит специфика используемых человеком материалов как объектов совершенствования. Мало кто сомневается в том, что такая специфика в принципе имеется, но в чем именно она состоит – это является предметом весьма напряженных дискуссий, в том числе и с участием ведущих специалистов по ТРИЗ. Одна из таких дискуссий совсем недавно развернулась на форуме «Методолога» вокруг статьи С.Логвинова, посвященной определению принципа действия систем [1].

Ниже мы излагаем свой взгляд на данную проблему, основанный на результатах нашего опыта по исследованию и совершенствованию материалов. Основная цель статьи – показать наиболее существенные отличия материалов от других видов объектов совершенствования, то есть устройств и технологий, и описать специфику основных видов задач, которые приходится решать при совершенствовании материалов, используемых в технике. При этом основной акцент будет сделан на существенных различиях между материалом и устройством, поскольку именно здесь, по нашим наблюдениям, наблюдается наибольшая путаница и наибольшие различия во взглядах на проблему.

В конце мы даем развернутое заключение, которое содержит основные тезисы предлагаемой статьи. Туда мы и отсылаем всех тех, кто заинтересовался предметом, но кому неохота или нет возможности тратить свое драгоценное время на подробное знакомство со статьей.

2.     Предмет систематических инноваций в технике

Словосочетание «систематические инновации» в настоящее время используется очень широко для обозначения самых разных усовершенствований человеческой деятельности. Поэтому, прежде чем переходить к описанию предмета, заявленного в названии статьи, представляется необходимым дать определения основным понятиям, которые будут нами использованы.

Слово «инновация» употребляется во многих значениях, наиболее общим из которых можно считать «внедрение нового». Соответственно, техническая инновация – это, в самом широком смысле, внедрение новой техники.

В свою очередь, под словом «техника» обычно понимают некие технические объекты, то есть искусственные объекты, целенаправленно созданные для удовлетворения человеческих потребностей. Эти технические объекты объединяются в технические системы – совокупности объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить вышеуказанные потребности. Например, транспортная система может включать в себя средства передвижения (автомобили, суда, самолеты и т.д.), а также инфраструктуру, необходимую для осуществления перевозок (дороги, терминалы, диспетчерские пункты и т.д.).

Сам по себе технический объект (например, автомобиль), в общем случае, также можно рассматривать и как техническую систему. Однако в этом случае мы, рассматривая нечто как объект либо как систему, фокусируем внимание на разных аспектах: в случае системы – на ее связях и отношениях как внутри себя, так и с внешним миром, а в случае объекта – на его собственных характеристиках, отличающих данный объект от всех прочих. Такими характеристиками могут быть размеры, вес, объем, грузоподъемность и т.д.

К примеру, рассматривая автомобиль как техническую систему, мы фокусируем внимание на том, каким образом он удовлетворяет человеческую потребность в перемещении объектов, т.е. грузов и/или пассажиров. (В этом случае вышеупомянутая транспортная система будет представлять собой его надсистему.) Если же мы рассматриваем автомобиль как технический объект, то фокусируем внимание на тех его характеристиках, которые мы считаем важными для выполнения этой потребности.

Действие, выполняемое технической системой для удовлетворения человеческой потребности, ради которой эта система создана, называется главной функцией системы. В результате выполнения этого действия всегда производится некоторое преобразование либо в самой системе (например, в компьютере изменяются биты хранимой информации), либо в окружающем мире (например, создается новый объект – продукт действия системы). То, каким образом производится это действие, называют принципом действия системы.

Соответственно, технические инновации  – это внедренные в человеческую практику изменения технических систем. Целью таких инноваций является либо удовлетворение новых потребностей, либо улучшение удовлетворения существующих.

Под «улучшением удовлетворения потребностей» обычно понимается снижение издержек, то есть уменьшение ресурсов, необходимых для выполнения системой ее главной функции: снижение энергозатрат, повышение производительности (т.е. снижение затрат времени на выполнение системой ее главной функции) и т.д.

Ресурсы– это все то, что требуется для удовлетворения человеческих потребностей с помощью техники: ресурсы могут быть пространственные, временные, материальные (вещественно-полевые), информационные. Последние от других ресурсов отличаются тем, что они обычно допускают беззатратное или очень малозатратное копирование и использование.

Такое понимание вполне соответствует хорошо известному в ТРИЗ закону повышения идеальности, в соответствии с которым в ходе развития техники увеличивается отношение полезного действия технической системы к «факторам расплаты». Последние можно рассматривать как совокупность всех ресурсов, затрачиваемых на разработку, синтез, эксплуатацию и утилизацию системы и ее продуктов.

Когда мы говорим о систематических инновациях, то обычно имеем в виду те усовершенствования технических систем, которые осуществляются любыми методами, отличными от метода проб и ошибок (МПиО), другими словами, - преднамеренные усовершенствования с заранее определенным полезным результатом.

Для того, чтобы преднамеренно достичь упомянутого результата без использования МПиО, необходимо уметь прогнозировать последствия изменения системы, а именно – вызванные им изменения как полезного результата действия системы, так и ресурсов, затрачиваемых на его достижение. В самом деле, если мы не умеем прогнозировать указанные изменения, то единственным способом достижения результата (т.е. снижения общих издержек на удовлетворение человеческой потребности) являются пробы и ошибки.

Полезный результат– это, в общем случае, удовлетворение человеческой потребности за счет прогнозируемого поведения системы под действием внешних (по отношению к системе) факторов. Указанные факторы могут быть как управляемыми человеком (например, температура обработки, химический состав искусственно созданной среды и др.), так и неуправляемыми (ветер, внешнее атмосферное давление и др.), а полезный результат может заключаться в регулируемом изменении характеристик системы (в ответ на внешнее действие), или же, напротив, в поддержании характеристик системы неизменными: обычно это бывает защита от действия агрессивных воздействий, например, колебаний температуры, действия агрессивных веществ и др.

Разумеется, прогноз изменений как поведения системы, так и затрачиваемых ресурсов не всегда бывает точным. В этом случае, даже действуя в соответствии с заранее выстроенным прогнозом, мы можем совершать ошибки и, соответственно, затрачивать дополнительные ресурсы на их устранение. Но чем точнее и детальнее прогноз, тем меньше дополнительных ресурсов требуется для усовершенствования системы и/или ее дальнейшего использования.

Например, при создании беспилотного многоразового космического корабля «Буран» неумение точно спрогнозировать траекторию его посадки привело, в числе прочего, к необходимости многократного увеличения ширины посадочной полосы по сравнению с пилотируемыми кораблями, что было связано со значительными дополнительными затратами пространственных, временных и вещественно-полевых ресурсов. Понятно, что значительные дополнительные информационные и иные ресурсы были также затрачены на разработку дистанционной системы управления этим кораблем. Нам не известно, были ли все эти затраты оправданными; однако факт прекращения работ по данному проекту задолго до распада СССР и отсутствие видимого интереса к подобным разработкам в других странах наводят на мысль о том, что эти затраты оказались (во всяком случае, на том этапе развития техники) слишком высокими по сравнению с выгодой от этого усовершенствования. Другими словами, прогноз затрачиваемых ресурсов оказался неточным настолько, что усовершенствование системы, несмотря на очевидные преимущества и выгоды от его использования, осталось невостребованным. Вновь созданная система оказалась вполне работоспособной – но инновация по факту так и не состоялась.

Чтобы уменьшить вероятность ошибок в прогнозе последствий изменения техники, в ТРИЗ разработаны специальные процедуры, такие, как, например, диверсионный анализ и диверсионный прогноз [2]. Основная идея этих процедур состоит в том, чтобы заранее предсказать наиболее неблагоприятные сценарии поведения техники: например, диверсионный прогноз при проектировании химического завода может включать ответ на вопрос «Как с наименьшими усилиями сделать так, чтобы этот завод уничтожил соседний город?». Ответ на этот вопрос подскажет дополнительные меры безопасности, которые необходимо задействовать при строительстве и эксплуатации завода.

Другими словами, успех систематической инновации определяется прежде всего качеством прогноза последствий изменения системы, т.е. прогноза изменений полезного результата и ресурсов, необходимых для его достижения. Именно совершенствование этого прогноза и является, по существу, предметом систематических инноваций, какими бы методами они ни осуществлялись, а сами успешные инновации выступают как следствие повышения качества этого прогноза.

В свою очередь, любые прогнозы всегда делаются на основе каких-то (пусть даже и ошибочных) моделей. Чем более адекватно модель отражает реальные особенности поведения моделируемого объекта, тем качественнее прогноз, составленный на основе такой модели.

Это означает, что сущность систематических инноваций в технике состоит в совершенствовании моделей, прогнозирующих изменения полезного результата и ресурсов, необходимых для его достижения, после заданного изменения технической системы.

3.     Материал как объект совершенствования

Перейдем теперь непосредственно к теме настоящей статьи – к совершенствованию материалов как объектов систематических инноваций.

Прежде всего, нам необходимо определить само понятие «материал», поскольку, как и многие другие базовые понятия, оно часто используется в разных значениях и смыслах.

В самом общем виде, применительно к технике, можно сказать, что материал – это то, из чего сделан технический объект. Однако такое определение недостаточно конкретно. Чтобы понять, чем материал как объект совершенствования отличается от устройства, необходимо разделить понятие «материал» со сходными с ним понятиями, прежде всего – с понятиями «вещество» и «изделие». Оба вышеупомянутых термина также используются в разных значениях.

Применительно к термину «изделие», следует учитывать, что общетехническое понимание этого термина отличается от того, что принято в ТРИЗ. В общетехническом понимании, изделием является любой искусственный объект, целенаправленно созданный человеком (непосредственно либо опосредованно, с помощью технических средств) для использования в процессе удовлетворения какой-либо потребности. В ТРИЗ понятие «изделие» определяется как любой объект (природный, искусственный, либо сам человек), характеристики которого целенаправленно изменились в результате выполнения технической системой ее главной функции. Например, изделием транспортной системы может быть пассажир, перемещенный ею из одной точки пространства в другую.

Говоря о материалах и их отличии от изделий, мы будем рассматривать термин «изделие» в его общетехническом смысле – то есть, как искусственный объект (см. выше). В этом случае принципиальным отличием материала от изделия является то, что материал не обладает характеристиками, зависящими от количества вещества и энергии: размерами, формой, массой, потенциальной и кинетической энергией, теплосодержанием и т.д., то есть, тем, что позволяет идентифицировать нечто как материальный (и, в частности, технический) объект. Иными словами, материал сам по себе не является материальным и, соответственно, техническим объектом.

Эта особенность сближает материал с веществом. В свою очередь, термин «вещество» также используется в нескольких значениях.

В общефизическом значении, вещество – это всё, что обладает энергией и имеет массу покоя. Последней характеристикой вещество отличается от поля, которое, обладая энергией, лишено массы покоя. В этом смысле можно говорить, например, о «веществе земной коры», «веществе планет», «веществе межзвездного газа» и т.д.

С другой стороны, понятие «вещество» является основополагающим в химии – науке, наиболее тесно связанной с изучением материалов. Чтобы дифференцировать понятие вещества в химии от одноименного общефизического понятия, в первом случае мы будем использовать термин «химическое вещество». Под ним химики обычно понимают такое вещество, которое состоит из определенных видов атомов (химических элементов), взятых в известных пропорциях (определяемых так называемой брутто-формулой) и связанных друг с другом определенным образом (описываемым структурной формулой). Примерами химических веществ являются вода, серная кислота, оконное стекло, аминокислоты, белки и т.д.

Говоря о различии между понятиями «материал» и «вещество», можно сказать, что понятие «материал» является чем-то промежуточным между общефизическим и химическим понятиями «вещество». С одной стороны, материал является более специфичным, чем вещество в общефизическом смысле: например, нельзя говорить о «материале автомобиля», а можно говорить о сплавах, коже, пластиках, керамике и других материалах, из которых он сделан. С другой стороны, материал не настолько специфичен, как химическое вещество, и, в общем случае, представляет собой некоторую смесь химических веществ. При этом материал может обладать характеристиками, не свойственными химическому веществу: например, гранулометрическим и фазовым составом, пространственной структурой и др.

Аналогично тому, как устройства и вещества характеризуются структурной схемой, определяющей пространственное расположение и связи между его частями, материал также характеризуется некоей пространственной структурой, определяющей пространственное расположение и связи между его составляющими. В качестве последних могут выступать молекулы химических веществ, кристаллы, иные частицы. Именно структура материала, наряду с его составом, определяет то, как этот материал будет взаимодействовать с внешними веществами и полями. Однако, в отличие от устройств, структура материалов нам часто бывает не вполне известной (см. ниже). Поэтому использовать структуру в качестве идентификационной характеристики материала, в общем случае, не удается. Чтобы, тем не менее, отличить одни материалы от других, мы, помимо состава, должны определить еще и технологию синтеза. В принципе, комбинация «состав + технология синтеза» однозначно определяет структуру и свойства материала и, следовательно, она достаточна для идентификации самого материала. При этом как состав, так и технология синтеза являются регулируемыми характеристиками, которые могут быть произвольно изменены. Соответственно, именно эту комбинацию удобно использовать на практике для описания конкретных материалов. Таким образом, можно сказать, что материал - это смесь веществ, взятых в определенном составе и обработанных по определенной технологии. Такое «операциональное» определение (через технологию), в случае материала, оказывается более пригодным для практического применения, чем «конституциональное» определение (через внутреннюю структуру), которое использовать не всегда получается из-за недостатка наличных знаний (см. подробнее в следующем разделе).

Однако нас интересуют материалы не сами по себе, а как объекты совершенствования в рамках систематических инноваций. Как мы выяснили, предметом систематических инноваций является прогнозирование изменений полезного результата, обусловленного целенаправленным (заранее известным) изменением совершенствуемой системы, и ресурсов, необходимых для достижения этого результата. Соответственно, нам необходимо определить, что, применительно к совершенствуемому материалу, характеризует полезный результат его применения, и что – затрачиваемые ресурсы.

Как мы указали выше, полезный результат действия технической системы в общем случае заключается в прогнозируемом изменении ее поведения под действием внешних факторов. В случае, если системой является материал, такими внешними факторами, в соответствии с общим физико-химическим подходом, могут быть температура, давление и состав окружающей среды, а также разнообразные поля, взаимодействующие с материалом: электромагнитные, гравитационные и т.д.

Мерой «поведения материалов», т.е. взаимодействия с внешними объектами, являются его свойства. Свойство материала – это качественная или количественная характеристика, зависящая от природы материала и определяющая его взаимодействие с внешними веществами или полями.

Здесь необходимо разграничить понятия «свойство» и «параметр». Последнее понятие обычно используется в ТРИЗ в качестве характеристики взаимодействия технической системы с ее окружением, и часть специалистов по ТРИЗ считают, что это понятие является достаточным, а употребление термина «свойство» - излишним. Однако такое мнение, на наш взгляд, может быть справедливым только в том случае, если рассматриваемая система является устройством. Применительно к материалам, мы полагаем, что такой подход не вполне корректен.

В науке о материалах под словами «параметр материала» принято понимать любую характеристику, свойственную этому материалу. Например, параметром оконного стекла как материала является содержание в нем кремнезема в массовых процентах, а параметрами стекольной шихты, из которой оно варится, помимо содержания химических веществ (включая влагу и другие летучие вещества), являются распределение диаметров частиц и содержание кристаллических фаз. Однако ни один из этих параметров напрямую не характеризует взаимодействие данного материала с окружающими веществами и полями – это внутренние характеристики материала, которые определяют его состав, и, если материал не природный, они могут быть произвольно изменены человеком по своему желанию. Например, человек может смешать вещества в разных пропорциях или измельчить их до разного размера частиц.

В отличие от таких характеристик, свойства материала – это присущие ему от природы характеристики, определяющие его поведение при взаимодействии с внешними объектами. Например, свойство «коэффициент термического расширения» определяет количественное изменение относительного размера или удельного объема материала под воздействием дозированного воздействия теплового поля – изменения температуры на один градус. Мы не можем изменить это свойство материала произвольно: для каждого материала оно задано и определяется его природой, а не желанием человека.

Важно понимать, что понятия «одинаковые материалы» и «разные материалы» не являются целиком объективными и включают также субъективную составляющую. Мы говорим, что «материалы разные», только в том случае, если различия между их свойствами для нас существенны. В противном случае мы рассматриваем их как «одно и то же»: например, мы можем в качестве идентификации материала использовать слова «металл», «легкий сплав», «дюралюминий», а если нужно – то указать и конкретную марку дюралюминия, или даже добавить, где именно он произведен, - это зависит от конкретной задачи. Другими словами, идентификация материала заканчивается там, где начинаются существенные для нас различия между сходными материалами, а существенность или несущественность этих различий определяется конкретной задачей.

Поскольку существенное различие свойств является идентификационной характеристикой материала, это означает, что, изменяя сколько-нибудь существенно свойства материала, мы тем самым изменяем сам материал. Можно в принципе изменить материал так, чтобы та или иная комбинация его свойств осталась прежней, но нельзя изменить свойства материала, не изменив сам материал. Собственно говоря, именно изменение свойств материала в нужном направлении и составляет полезный результат совершенствования этого материала, а предметом систематических инноваций в отношении материалов является прогнозирование изменений их свойств в нужных человеку направлениях, а также прогнозирование ресурсов, затрачиваемых для достижения этих свойств.

Последнее утверждение может звучать несколько непривычно для ТРИЗ-специалистов. В самом деле, в ТРИЗ принято считать, что результатом усовершенствования технической системы в ходе решения изобретательской задачи является некоторое изменение ее структуры и/или принципа действия, за счет чего и улучшаются характеристики системы, а улучшение конкретных параметров – это только лишь следствие, внешнее проявление изменения, произведенного в «самой системе».

Однако такое понимание, на наш взгляд, можно считать практически полезным только в случае устройств или технологий. При совершенствовании материалов, как сказано выше, мы, в общем случае, не знаем, что именно в результате произведенного изменения произошло с «самой системой», а знаем лишь то, каким образом изменились «входные» характеристики (состав и технология – мы сами их задаем) и «выходные» параметры (свойства – мы их измеряем). Другими словами, «сама система» представляет собой, в общем случае, «черный ящик», «внутренность» которого либо неизвестна, либо известна лишь частично. Соответственно, важнейшую «сущностную» характеристику произведенной инновации – изменение структуры материала – приходится полностью или частично игнорировать и решать проблему обходными путями (см. ниже).

Что касается  принципа действия, то это понятие может быть применено только к полной системе, у которой известна главная функция, определяющая само действие. Материал в этом качестве, с очевидностью, выступать не может: он лишь используется в технических объектах, входящих в техническую систему, но сам по себе материал не является технической системой (в определенном выше смысле) и потому никакого самостоятельного «принципа действия» иметь не может. Он может лишь взаимодействовать с внешними объектами – веществами и полями, обеспечивая возможность выполнения технической системой ее функции. Как мы указали, характеристиками таких взаимодействий как раз и являются свойства материала. Именно в такой постановке – добиться желаемой комбинации свойств, по возможности с минимальными затратами, – всегда и ставятся практические задачи на совершенствование материалов, и именно по этому критерию определяется качество решения таких задач.

Итак, если при совершенствовании устройств и технологий мы исходим из причинно-следственной цепочки цепочки «составные части – структура – функции – принцип действия – параметры», то при совершенствовании материалов нам приходится эту цепочку сокращать до триады «состав – технология – свойства». 

Что касается затрачиваемых ресурсов, то совершенствование материалов принципиально мало чем отличается от совершенствования других объектов, таких, как устройства и способы (технологии): во всех случаях ресурсы расходуются на разработку, синтез, использование и утилизацию того, что мы совершенствуем. Существенное различие относится лишь к информационным ресурсам: в отличие устройств, сведения о поведении материалов в целом гораздо хуже изучены и систематизированы и, как результат, намного хуже поддаются моделированию и прогнозированию. Соответственно, имеется различие и в методах их совершенствования. Этот вопрос, в числе других, будет рассмотрен в следующем разделе статьи.

4.     Способы совершенствования материалов

Как мы указали выше, «усовершенствовать материал» - значит изменить его свойства в желаемом направлении за приемлемую цену, т.е. с приемлемым расходом ресурсов.

Отвлечемся пока что от цены и расходуемых ресурсов и сосредоточимся на изменении свойств материала. Для того, чтобы такое изменение стало прогнозируемым (что является условием систематических инноваций), необходимо, как минимум, знать, какие факторы оказывают влияние на свойства материалов.

В самом общем виде, факторов, определяющих свойства материалов, всего три: это внешние параметры (температура, давление, внешние поля, состав окружающей среды), состав и структура (строение) материала. При этом внешние параметры чаще всего заданы заранее (например, предполагается, что материал будет эксплуатироваться на воздухе при температурах 300-400оС в диапазоне давлений от 0 до 100 атмосфер). Таким образом, задача совершенствования материала, как правило, сводится к изменению его состава и/или структуры.

Состав материала

Говоря о составе материала, обычно имеют в виду одну из двух характеристик: качественный или количественный состав.

Качественный состав– это просто список компонентов, из которых состоит материал. В качестве компонентов могут выступать химические вещества (характеризуемые химическими формулами), фазы (характеризуемые, помимо химической формулы, также агрегатным состоянием и, в некоторых случаях, особенностями атомной структуры), частицы (характеризуемые, помимо вышеуказанного, геометрией, гранулометрическими и иными характеристиками) и т.д. Таким образом, в общем случае качественный состав одного и того же материала может быть выражен по-разному в зависимости от того, какие именно свойства этого материала нас интересуют от каких именно характеристик самого материала они зависят в наибольшей мере.

Количественный состав– это комплексная (или, как иногда говорят, векторная) характеристика, в которой каждому из компонентов материала поставлено в соответствие положительное число, определяющее его долю (или содержание) в материале. Например, состав стекла может включать 70 массовых процентов (масс.%) кремнезема, 20 масс.% оксида натрия и 10 масс.% оксида кальция. Помимо массовых процентов или долей, количественный состав может быть выражен в объемных или молекулярных процентах или долях, в виде отношений содержания добавок к содержанию основного компонента (например, таким образом часто выражают состав растворов – в частности, в виде количеств растворенных веществ, приходящихся на 100 г, 1 л или 1 моль растворителя), и т.д. В зависимости от способа выражения количественного состава, цифры, определяющие содержание конкретных компонентов, могут различаться. Однако при фиксированном наборе компонентов и фиксированном способе выражения их долей количественный состав одного и того же материала всегда одинаков, и он всегда может быть преобразован из одного вида в другой с помощью несложных математических процедур (в некоторых случаях для этого требуется знать плотность материала и/или составляющих его компонентов).

Как качественный, так и количественный состав материала, как правило, может быть изменен человеком достаточно произвольно: например, в стекольную шихту или в водный раствор можно добавлять разные компоненты в разных пропорциях, ограничиваемых только возможностью образования стекла или пределами растворимости веществ в воде.

Структура материала

Структура (или строение) материала – это его системная характеристика, определяющая совокупность связей, существующих между его компонентами.

Структура материала, в общем случае, не сводится к сумме структур составляющих его химических веществ и включает также особенности взаимного пространственного расположения разных веществ: например, одно из веществ может выполнять роль связки или арматуры, а другое – роль наполнителя.

Как и состав материала, его структура может быть представлена по-разному. Можно говорить, в частности, об атомно-молекулярной, фазовой, кристаллической структуре и т.д. Каждый из этих видов структуры, в свою очередь, может быть рассмотрен с разным уровнем детальности: например, атомно-молекулярная структура белка подразделяется на первичную, вторичную, третичную и четвертичную, причем каждая из последующих отражает связи между все более крупными структурными единицами, начиная от отдельных атомов и заканчивая огромными макромолекулами-конгломератами. Аналогично, фазовая структура может описываться как в виде особенностей строения конкретных фаз, так и в более общем виде – например, в виде указания на то, какая из фаз образует непрерывную пространственную структуру, а какая располагается в ее порах.

Способ описания структуры материала определяется в первую очередь двумя обстоятельствами:

(1)    какие именно единицы структуры наиболее сильно влияют на рассматриваемые свойства материала (выбор самих этих свойств определяется конкретной задачей, то есть тем, какие именно свойства материала наиболее существенны для достижения той цели, для которой используется материал);

(2)    что нам на данный момент известно о структуре данного вида.

Первое из этих обстоятельств вполне объективно; второе, напротив, является субъективным и определяется не самим материалом и его использованием, а уровнем накопленных человеком знаний. Например, нам может быть известно, что вкусовые качества продуктов питания определяются главным образом атомно-молекулярной структурой их ингредиентов, но сама эта структура нам при этом не известна. В этом случае мы либо не используем сведения о структуре вообще, либо используем ту разновидность структуры, которая, хотя и оказывает на интересующие свойства материала меньшее влияние, но нам известна, - например, фазовая.

В любом случае, структура материала очень редко бывает известна нам в полной мере, и еще реже бывает вполне известен конкретный механизм, определяющий взаимосвязь между структурой и свойствами материала. Вместе с тем, для решения практических задач по совершенствованию материалов нам необходимо учитывать, в числе прочего, и влияние его структуры на свойства.

Таким образом, при моделировании поведения материалов часто возникает противоречие: модель должна учитывать влияние структуры материала на его свойства, чтобы адекватно прогнозировать изменения свойств материала при его совершенствовании, и эта же модель не должна учитывать влияние структуры материала на его свойства, чтобы ее разработка не требовала выхода за пределы наличного знания.

Как же разрешается это противоречие на практике? Проще всего оно разрешается путем исключения из модели структурных характеристик и их замены характеристиками технологическими. В самом деле, единственный способ изменить структуру материала заданного состава заключается в том, чтобы изменить технологию его синтеза (изготовления). С другой стороны, при синтезе материала из одинаковых исходных веществ (или сырьевых материалов) по одинаковой технологии мы в большинстве случаев получаем материал с одинаковыми свойствами и, соответственно, одинаковой структурой. Таким образом, совокупность «состав + технология синтеза», как правило, вполне однозначно определяет свойства материала, а изменения состава и технологии могут рассматриваться как причины изменения свойств материала. Это дает возможность устанавливать причинно-следственные связи между составом, технологией синтеза и свойствами материала эмпирически, не заботясь о том, чтобы должным образом разобраться в реальном механизме влияния указанных факторов на свойства.

Однако такой подход не всегда оказывается продуктивным. Проблемы этого подхода наиболее ярко проявляются в тех случаях, когда одни и те же характеристики состава или параметры технологии могут в разных случаях оказывать разное и даже противоположное влияние на свойства материала. Например, добавка к стеклу оксида бора может, в зависимости от его исходного состава, как увеличивать, так и уменьшать его разнообразные свойства: плотность, коэффициент термического расширения, химическую устойчивость, вязкость и другие. Как теперь хорошо известно [3], это обусловлено тем, что оксид бора может выполнять в стеклах двоякую структурную роль: он либо образует (в том числе совместно с другими компонентами, например, с кремнеземом) трехмерный прочный каркас, либо напротив, образует самостоятельную и достаточно подвижную двумерную структуру, разупрочняющую трехмерный каркас, образованный другими компонентами стекла.

В подобных случаях без привлечения сведений о структуре материала чаще всего бывает не обойтись. В то же время, эта структура, как указывалась выше, часто бывает известна не настолько хорошо, чтобы точно смоделировать как ее зависимость от состава и технологии, так и ее влияние на свойства материала. В этой ситуации часто удовлетворительным решением оказывается частичное описание структуры, которое позволяет моделировать (и, соответственно, прогнозировать) не всю ее, а только лишь те факторы, которые достаточно просто зависят от состава и/или технологии и при этом достаточно существенно влияют на свойства материала. Например, в случае силикатных стекол такими факторами являются степень связности кремнекислородного каркаса и координационные числа некоторых атомов (в том числе атомов бора) [3], а в случае полимеров – вид и содержание так называемых «функциональных групп», участвующих в химических реакциях как единое целое и в значительной мере определяющих свойства полимеров [4, 5]. Таким образом, структура материала не исключается из рассмотрения как таковая, но учитывается лишь в той мере, в которой она известна. При этом ее характеристики и особенности ее влияния на свойства, как и в предыдущем случае, часто моделируются эмпирическими методами – говоря утрированно, методом «черного ящика», «внутренность» которого (структуру системы) исследователь пытается угадать.

Разумеется, по мере накопления фактических сведений о структуре и ее взаимосвязи с составом, технологией и свойствами материала эмпирические модели постепенно уступают место физико-химическим. Это может сопровождаться значительным улучшением качества прогнозирования изменений свойств – но может и не сопровождаться, если физико-химические модели являются недостаточно общими и/или точными. В этом случае возникает задача разработки неких компромиссных моделей, в которых используются как эмпирические, так и физико-химические сведения. Такие модели, при грамотном подходе к их разработке, могут быть достаточно эффективными инструментами совершенствования материалов [5, 6].

Таким образом, задача прогнозирования изменений свойств, обусловленных изменениями структуры материала, может быть решена в том числе и в тех случаях, когда эта структура недостаточно известна. В этом случае структурно-обусловленные факторы либо заменяются технологическими, либо учитываются в той мере, в которой это возможно на данном уровне научного знания. При этом может быть существенно затруднено или даже невозможно использование систематических методов, требующих понимания механизмов изменения поведения системы. В частности, это относится к общепринятому в ТРИЗ методу функционального анализа, который оказывается не всегда применимым к совершенствованию материалов [7].

5.     Общие закономерности эволюции материалов, используемых в технике

Несмотря на все трудности, обусловленные спецификой материалов как объектов совершенствования, материалы все же совершенствуются, и в последние десятилетия этот процесс только ускоряется. При этом можно говорить об общих закономерностях, которым подчиняется эволюция самых разных материалов, будь то броня, стекло, краска, полимер, цемент, пищевой продукт или что-то иное. Подробное рассмотрение этих закономерностей выходит за рамки настоящей статьи и требует отдельной публикации. Тем не менее, исходя из вышеуказанных достаточно общих соображений, можно вывести по крайней мере некоторые общие закономерности эволюции материалов.

Следует отметить, что совершенствование материалов обычно не является самоцелью (исключение составляют материалы, непосредственно потребляемые человеком, например, продукты питания или косметические средства). Как правило, материалы создаются и совершенствуются для того, чтобы усовершенствовать некие технические объекты (детали, конструкции, устройства, сооружения и т.д.), из которых они сделаны. Соответственно, запрос на создание и совершенствование материалов – это обычно запрос на новую или улучшенную комбинацию свойств, позволяющую усовершенствовать изготовленный из них технический объект и/или технологию его изготовления и/или эксплуатации. Например, появление государств обусловило общественный запрос на быстрое и дешевое изготовление одинаковых по своим характеристикам орудий, прежде всего для ведения боевых действий, - этот запрос был удовлетворен путем перехода от каменных орудий к металлическим, свойства которых (пластичность, прочность, ковкость, простота придания изделиям заранее заданной формы) позволили стандартизовать и удешевить как сами орудия, так и технологию их производства.

Итак, целью совершенствования материалов является изменение комбинации их свойств в желаемом направлении, а инструментами такого совершенствования являются изменение состава материала и технологии его синтеза. Механизм изменения свойств, в общем случае, включает изменения структуры материала, однако эти изменения проявляются опосредованно, как следствия изменений состава и технологии синтеза материала.

Выше также было показано, что состав материала во многих случаях может быть изменен достаточно произвольно в довольно широких пределах. При этом довольно часто влияние по меньшей мере части компонентов на свойства материала сравнительно просто моделируется эмпирическими методами: например, известно, как изменяются свойства высокоуглеродистых сталей при добавлении в них небольших количеств хрома или никеля, или как изменяются некоторые свойства силикатных стекол при добавлении в них различных оксидов.

Технологию синтеза материала тоже часто можно менять в достаточно широких пределах. Однако предсказать влияние этих изменений, в целом, труднее, чем влияние изменений состава, поскольку влияние технологических факторов проявляется лишь опосредованно, через изменение структуры материала, которая сама является довольно сложным и «капризным» фактором.

Таким образом, логично предположить, что в процессе совершенствования материалов их состав будет совершенствоваться и оптимизироваться быстрее, чем технология синтеза. И действительно, прослеживая ход эволюции различных материалов (танковая броня, стекла, полимеры, краски и т.д.), мы убеждаемся, что их составы доходят до оптимума намного быстрее, чем технологии их синтеза.

При этом как совершенствование состава, так и совершенствование технологии синтеза материала является сложным многоступенчатым процессом.

Так, рассматривая процесс совершенствования состава материала, можно из самых общих соображений предположить, что вначале человек для удовлетворения своих потребностей попытается использовать природные материалы, и только затем – искусственные. В самом деле, использование природных материалов обычно требует минимальных затрат – только на их извлечение из естественных источников и, в случае необходимости, на придание изделиям из них необходимой формы.

Однако природные материалы обладают и минимальными ресурсами для их совершенствования. Необработанные природные материалы не имеют таковых ресурсов вообще: человек может только использовать их в том виде, в котором они извлечены. В последующем человек обрабатывает материалы с помощью простейших механических средств: так появляются каменный нож, деревянная ручка для топора и другие несложные изделия. В них ресурсами усовершенствования являются свойства не материала, а изделия из него, прежде всего – геометрическая форма и размеры.

Процесс совершенствования материала по существу начинается тогда, когда человек изменяет его свойства путем той или иной обработки, чаще всего – термической или химической. При этом сам исходный (сырой) материал не изменяется, но его свойства улучшаются в результате (не прогнозируемого человеком) изменения структуры. Часто такие улучшения достаточно легко достигаются путем действий по аналогии с другими материалами: например, если человек знает, что термообработка улучшает свойства дерева и стали, то он будет пытаться улучшать аналогичным способом и свойства других материалов, - и в ряде случаев это может действительно привести к нужному результату, например, при обжиге глины или закалке стекла. Таким образом, затраты ресурсов на разработку оказываются минимальными: чтобы попробовать, как будет вести себя тот или иной материал после огненной обработки, достаточно просто положить его в костер. В случае химической обработки, источником необходимой информации о технологии может выступать сама природа: например, человек замечает, что после длительного нахождения в пресной речной [8] или соленой морской [9] воде некоторые породы деревьев становятся более прочными и химически устойчивыми. Ресурсы, необходимые для изготовления материала, также бывают либо даровыми, либо очень недорогими: так, энергия костра является побочным продуктом приготовления пищи, а морская и речная вода имеется в изобилии в природе. Довольно значительной может оказаться затрата временного ресурса, но он в данном случае наименее ценен: погрузив древесину в воду, человек просто выжидает момент приобретения ею нужных свойств. Таким образом, улучшение свойств материала дается даром или почти даром.

После того, как простейшие способы обработки материала испробованы, наступает очередь более сложных, которые используются по мере увеличения необходимых ресурсов. В случае состава материала, обычно проще всего бывает оптимизировать содержание тех компонентов, которые влияют на конкретные полезные свойства материала, не изменяя или слабо изменяя остальные свойства. Эти компоненты могут быть как природными, так и искусственными (но уже известными человеку): например, в натуральную краску может быть добавлен искусственно синтезированный минерал, усиливающий или изменяющий ее цвет и использованный ранее для аналогичного действия по отношению к другой краске.

После того, как простейшие способы совершенствования натуральных материалов исчерпываются, приходит очередь искусственно созданных материалов, используемых по тому же назначению, что и природные. Так были созданы первый искусственный металлический сплав – бронза, используемая в качестве замены натурального камня, и первый синтетический полимер  - паркезин (Паркес, 1862 [10]), используемый в качестве замены натуральной слоновой кости (позднее этот полимер был назван целлулоидом, что привело к путанице с иным полимером, получившим то же название).

Дальнейшее развитие материалов идет обычно по пути модификации состава сырья. Как и в случае натуральных добавок, вначале оптимизируется содержание тех компонентов, которые ответственны за конкретные свойства, способствующие выполнению техническим объектом его основной функции, - например, в случае физиологического раствора наиболее важным из таких компонентов является поваренная соль. После этого модифицируется качественный, а затем и количественный состав материала. При этом технология совершенствуется только в тех случаях, когда этого требует новый состав материала для обеспечения нужных свойств. Например, технология производства оптических стекол (варка в горшках) по существу оставалась неизменной до тех пор, пока новые стекла со специальными свойствами (например, высоким пропусканием света в инфракрасной области) не потребовали новых методов их синтеза, обусловленных спецификой их химического состава.

После того, как состав материала оптимизирован (при этом обычно материал по своему составу разделяется на типы, в зависимости от области его применения), приходит очередь изменения структуры материалов. Структурно однородный материал постепенно превращается в неоднородный композит. В настоящее время переход от однородных материалов к композитным происходит со многими типами материалов: сплавами, стеклами, полимерами, вяжущими материалами и т.д. Этот переход требует изменения как состава, так и технологии. По существу, этот переход сродни хорошо известному в ТРИЗ образованию би- и поли-систем [11], только вместо устройств объединяются материалы с разными свойствами.

Наконец, как мы знаем из ТРИЗ, после перехода к поли-системе должен осуществиться переход к новой моно-системе, в которой сочетаются свойства, ранее обеспечиваемые разными элементами прежней системы. Применительно к материалам, примером такого рода может служить графен – материал, который синтезируется в режиме поатомной сборки (в нем известно положение каждого атома) и, соответственно, свойства которого можно изменять, не меняя исходных компонентов, а только меняя (заранее известным образом) его структуру.

Таким образом, общие закономерности эволюции материалов в целом согласуются с известными в ТРИЗ закономерностями развития технических систем.

Однако имеется и специфика, связанная, как уже указывалось, с тем, что влияние состава и, в особенности, технологии на свойства материалов в целом намного труднее прогнозируемо, чем влияние конструкции устройств на особенности их работы. В результате значительный объем сведений о совершенствуемых материалах приходится собирать и обобщать эмпирически, без использования сущностных моделей, объясняющих механизм изучаемых эффектов, а ограничиваясь лишь изучением наблюдаемых причинно-следственных связей. В настоящее время подобные задачи решаются обычно общенаучными методами, что часто сопряжено со значительными затратами, как минимум, времени, необходимого для проведения полноценных научных исследований. Мы полагаем, что разработка более совершенного инструментария для решения таких задач, в том числе и с привлечением идей и методов ТРИЗ, является одной из насущных задач, стоящих сегодня перед наукой о материалах.

6.     Специфика задач, решаемых при совершенствовании материалов

В процессе постепенного движения по вышеописанному сценарию приходится решать разные типы задач, ставящих целью совершенствование материалов, то есть управляемое изменение их свойств. Можно выделить два типа таких задач:

Изменение состава материала, т.е. добавление и замена компонентов;

Изменение технологии синтеза материала, т.е. способа обработки сырья, приводящего к получению материала с заданными свойствами.

При этом изменение состава можно разделить на изменение качественного и количественного состава, а изменение технологии – на изменение физического и химического воздействия на материал (можно, конечно, делить и по другим основаниям). На практике эти задачи могут решаться как по отдельности, так и в сочетании. Рассмотрим их по очереди. Начнем с технологии.

Изменение химической технологии

Обычному инженеру (не химику), как правило, известны основные технологические операции, используемые при обработке материалов, такие, как резание, помол, склеивание, сварка и т.д. Часть этих операций используются и при синтезе материалов (например, разнообразные виды измельчения). Мы же рассмотрим особый тип технологий – химические технологии, то есть технологии, в которых изменяется химический и/или фазовый состав вещества, т.е., другими словами, процессы, при которых из одних химических веществ и/или фаз (кристаллов, аморфных веществ, жидкостей, газов, плазмы) образуются другие. Именно здесь проявляется специфика процесса совершенствования материалов.

В химии процессы взаимодействия веществ описываются с помощью уравнений химических реакций или фазовых переходов.

Химическая реакция– это процесс взаимодействия химических веществ, в результате которого эти вещества исчезают и из них образуются другие химические вещества. Аналогично, фазовый переход – это процесс, в результате которого одни фазы превращаются в другие. (Отметим, что самоочевидное для химика понимание химической реакции как процесса потребовало [1] специального пояснения для инженеров-нехимиков.) В качестве примеров укажем химическую реакцию образования метана из углерода и водорода C+ 2 H2-> CH4и фазовый переход кварца в кристобалит SiO2(кварц) -> SiO2(кристобалит); стрелки показывают направление (единственное или преимущественное) протекания процессов.

В процессе дискуссии с ТРИЗ-специалистами [1] также выяснилось, что многие из них не вполне понимают, что же можно совершенствовать в таких процессах. В самом деле, если мы помещаем определенные химические вещества в определенные внешние условия, то между ними протекает определенная химическая реакция. Но ее ход диктуется не нашими пожеланиями, а законами природы, которые сами по себе никакому «совершенствованию» не поддаются. В самом деле, реакцию образования воды из кислорода и водорода нельзя «изменить» - можно лишь изменить условия ее протекания таким образом, чтобы (в соответствии с теми же законами природы), например, ускорить процесс или избежать взрыва, или можно заменить ее другой реакцией (например, с образованием перекиси водорода H2O2), также подчиняющейся законам природы.

Однако реальные химические технологии редко сводятся к одной безальтернативной химической реакции. Чаще всего существует множество разных реакций, с помощью которой можно получить нужное человеку вещество. К примеру, ацетилен C2H2можно получить путем «прямой» реакции углерода с водородом в электрической дуге (реакция Бертелло, 1860): 2 C+ H2-> C2H2. Но можно и по другим схемам, например:

2 C+ 4 H2->2 CH4; 2 CH4-> C2H2+ 3 H2.

Преимуществом такой схемы являются более простые условия протекания составляющих ее реакций синтеза и разложения (крекинга) метана. Такая схема вполне могла бы быть наиболее рациональной, не будь на Земле запасов метана CH4, которые позволяют обойтись только второй половинкой этой схемы. Кроме того, можно синтезировать ацетилен и из других доступных веществ – например, из углерода, оксида кальция (негашеной извести) и воды:

CaO + 3C -> CaC2 + CO;

CaC2 + 2 H2O -> C2H2 + Ca(OH)2;

Ca(OH) -> CaO+ H2O.

Каждая из таких схем имеет свои особенности, которые могут использоваться человеком. Выбор наилучшей схемы получения нужного вещества из доступных (ресурсных) веществ – это не слепое подчинение законам природы, а целенаправленный акт, совершаемый человеком. В этом смысле можно рассматривать изменение пути химической реакции как предмет инновации. Заметим, что путь химической реакции, приводящей к синтезу нужных человеку веществ, является предметом патентования в качестве изобретения.

Разумеется, вместо химического описания процесса можно воспользоваться и технологическим: например, реакцию «C+ 2 H2-> CH4» можно заменить описанием «взять 12 килограммов графита и пропустить через него 44800 литров водорода при атмосферном давлении и температуре 500 градусов в присутствии порошкообразного никеля». Практический результат будет тем же самым: мы получим метан. Однако такое описание не допускает возможности целенаправленного совершенствования процесса, а может быть использовано только для воспроизведения уже существующей технологии. В самом деле, как понять, что случится, если взять иные пропорции исходных веществ или произвести операцию при другой температуре или давлении? Из вышеприведенного текстового описания ответы на эти вопросы не следуют.

Химическое описание процесса (через уравнение химической реакции или последовательности реакций) как раз и позволяет, с помощью законов химии, получить ответы на эти и иные практические вопросы.

Таким образом, химия выступает не просто удобным (для химиков) средством сокращенного описания механизма процесса, но и незаменимым (во всяком случае, сейчас) средством поиска путей совершенствования химической технологии, превращающей одни вещества в другие.

Однако не всегда, к сожалению, точно известно, какие конкретные реакции протекают в ходе синтеза материалов и даже из каких конкретных химических веществ эти материалы состоят. Например, при обжиге смеси глины с песком и доломитом могут образовываться разнообразные кристаллические и стеклообразные фазы, точный состав которых человеку не известен, но зато известно, что при определенных пропорциях между исходными компонентами и определенной технологии их обработки из них образуется керамика, обладающая нужным набором свойств. Если о химических веществах, входящих в ее состав, ничего не известно, то в этом случае сам процесс совершенствования может осуществляться только методом проб и ошибок. Если же какие-то сведения все же известны – например, список химических веществ или фаз, составляющих керамику, то эта информация может использоваться вполне направленно: например, знание температур плавления этих веществ может подсказать, при какой температуре лучше проводить обжиг; при этом время обжига будет определяться с помощью МПиО.

Кроме того, особенностью химических реакций является то, что среди взаимодействующих веществ, строго говоря, невозможно определить «носитель» и «объект» изменения: это не парное действие одного объекта на второй и второго на первый, как принято рассматривать взаимодействия в ТРИЗ, а единый процесс, в котором взаимодействующие вещества (их может быть в химической реакции и более двух) совместно исчезают и вместо них образуются новые. Это создает трудности при использовании некоторых методов ТРИЗ, таких, как функциональный анализ. Однако другие методы, например, причинно-следственный анализ, вполне могут быть использованы для описания таких взаимодействий.

Таким образом, в общем случае, изменение химической технологии – это частично прогнозируемый процесс, в котором часть результатов может быть определена заранее, а другая часть – только в результате проведения специальных опытов. Предметом систематических инноваций здесь может быть как усовершенствование технологии на основе известных знаний, так и сокращение числа эмпирических проб путем использования известных (пусть очень частичных или приближенных) сведений. Полное химическое описание процесса позволяет целенаправленно и прогнозируемо изменять его на основе законов химии; если такое описание получить не удается, то приходится в той или иной мере привлекать МПиО. В качестве методов систематических инноваций в этом случае можно использовать некоторые (но не все) методы ТРИЗ.

Изменение качественного состава сырья

Изменение качественного состава сырья, то есть списка используемых компонентов, часто является наиболее просто описываемым вариантом совершенствования материалов. Например, в стекло добавляют оксид церия, выполняющий роль осветлителя (он химически взаимодействует с сильно окрашенным оксидом железа FeO, переводя его в почти бесцветный Fe2O3), или в молочный продукт добавляют ароматизатор для придания ему нужного запаха.

Такие задачи, часто даже без оптимизации доли добавляемого компонента, обычно ставятся на этапе перехода от однокомпонентного (натурального или искусственного) материала к материалу, модифицированному введением добавок. При этом каждая добавка «отвечает» за свое свойство: например, в пищевые продукты могут, помимо ароматизаторов, добавляться антиоксиданты – вещества, препятствующие окислению, подсластители – вещества, изменяющие вкус, и т.д. Лишь в сравнительно редких случаях добавляемый в материал новый компонент выполняет несколько функций сразу; однако многофункциональность не является чем-то необычным для ТРИЗ.

Решение таких задач известными методами может вызвать проблемы только в том случае, если высняется, что сами добавки неучтенным образом взаимодействуют друг с другом или с основным веществом. В результате из них образуются новые вещества с иными, часто вредными свойствами. Соответственно, возникает задача борьбы с нежелательными взаимодействиями и их продуктами. В принципе, ход решения таких задач мало отличается от обычных «тризовских»: изучаются вышеуказанные взаимодействия, составляются  компонентная, структурная и функциональная схемы и используются обычные для ТРИЗ методы решения.

Чаще всего, наряду с изменением качественного состава, ставится также задача оптимизации количественного состава, т.е. содержания введенных добавок. Эта задача также мало чем отличается от обычных тризовских задач на изменение параметров системы.

Таким образом, в данном случае, несмотря на специфику объекта совершенствования, к нему обычно вполне применимы стандартные методы ТРИЗ, а общий подход в целом аналогичен совершенствованию устройств.

Изменение количественного состава сырья и/или готового материала

Этот тип задач формально является частью предыдущего. Однако, по нашему мнению, в нем есть специфический подтип, который наиболее сильно выделяется среди всех прочих типов задач по своей специфике.  Этот подтип – совершенствование основного состава материала, то есть пропорций между его основными компонентами. Как мы указали выше, через этот этап проходят в своем развитии очень многие, а может быть, и все виды материалов (тем, которые его не прошли, возможно, еще предстоит его пройти). На этом этапе ряд общих положений, приемов и методов, успешно применяемых как в ТРИЗ, так и за ее пределами, оказывается либо очень ограниченно применимым, либо не применимым вообще. Насколько нам известно, задачи подобного рода до сих пор в рамках ТРИЗ не решались.

Очень ярким практическим примером осуществления этого этапа является совершенствование химических составов промышленных стекол. Задача совершенствования основного химического состава стекла состоит, как сказано выше, в определении оптимальных пропорций между содержанием его основных компонентов, составляющих в совокупности обычно от 90 до 100% массы стекла (остальное – добавки, используемые для приданию стеклу специальных свойств, например, окраски). Такая задача возникает тогда, когда стекло, обладающее в принципе удовлетворительными свойствами, уже синтезировано, но хочется улучшить эти свойства и/или снизить затраты на производство этого стекла.

Как и в случае других макроскопически однородных материалов (например, сплавов или растворов), основным способом улучшения свойств является изменение состава. В случае стекол, это химический состав, то есть пропорции между химическими веществами (главным образом, оксидами), применяемыми для их производства. Других факторов, значимо влияющих на большинство важных для практики свойств стекол, нет: при заданном химическом составе, свойства стекла практически не зависят от технологии его получения. В случае других однородных материалов, технология их синтеза может влиять на свойства более заметно, но обычно все же ее влияние меньше, чем влияние состава.

Главной особенностью задачи совершенствования основного состава является то, что изменение содержания каждого компонента может достаточно заметно влиять одновременно на все или многие свойства материала. Например, в случае промышленных оксидных стекол (к числу которых относится, в частности, всё то, что обыватель называет обобщенным термином «стекло») влияние всех основных компонентов на большинство важных для практики свойств (механические, упругие, термические и др.) обычно сравнимо по порядку величины. Это означает, что из числа основных компонентов невозможно выделить те, которые ответственны за конкретные свойства материала, скажем, за плотность, коэффициент термического расширения или показатель преломления [3, 6]: за них «ответственен» сразу весь состав стекла, обычно исключая микродобавки, вводимые для достижения специальных свойств (таких, как цвет), и/или природные микропримеси, влиянием которых на большинство свойств можно пренебречь в силу их малого содержания.

В некоторых случаях, тем не менее, подобные задачи решаются довольно просто: это происходит, если основные компоненты материала не взаимодействуют между собой, либо их взаимодействия слабо изменяют нужные человеку свойства материала, либо эти свойства находятся в простой (например, линейной) зависимости от содержания компонентов в материале. В этом случае влияние каждого компонента на свойства материала легко предсказуемо, и оказывается возможной разработка достаточно простых (обычно эмпирических) моделей, предсказывающих (по крайней мере приближенно) изменения свойств материала в результате изменения его состава. В случае стекол, такая ситуация наблюдается, например, для оконного стекла: большинство его свойств, важных для практики (за исключением разве что температуры начала кристаллизации), практически линейно зависит от химического состава. Соответственно, не составляет слишком большого труда построить эмпирическую количественную модель, описывающую влияние компонентов оконных стекол на их свойства (таких компонентов, по большому счету, всего шесть: это оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и калия), и с помощью этой модели подобрать оптимальный состав стекла, обладающий наилучшей комбинацией свойств и наиболее доступный по цене. На практике такая задача была успешно решена в начале прошлого века.

Однако бывают и такие ситуации, в которых влияние основных компонентов материала на его свойства является сложным и нелинейным: небольшая добавка одного и того же компонента, в зависимости от исходного состава, может как увеличивать, так и уменьшать значения свойств материала. В случае промышленных стекол такая ситуация характерна, например, для стекол, используемых для производства жидкокристаллических и плазменных дисплеев (эти стекла разные, но принадлежат к одному и тому же типу по своей химической природе). В этом случае разработка даже приближенных «полуколичественных» эмпирических моделей становится довольно сложной задачей. Сложности, как и в других вышеописанных случаях, чаще всего связаны с изменением структуры материала: в данном случае, это изменение структурной роли компонентов стекла при изменении его химического состава. Как указывалось выше, одним из таких компонентов является оксид бора.

Чтобы в такой ситуации все-таки решить задачу совершенствования материала, пока что приходится либо проводить очень большое число проб, либо совершенствовать сами модели, связывающие состав материала с его свойствами, что тоже сопряжено со значительными затратами, в том числе и на приготовление и исследование многочисленных «лабораторных» образцов материала. Вместе с тем, вполне вероятно, что такая задача может быть решена иными методами, в том числе и методами ТРИЗ. В самом деле, большинство методов современной ТРИЗ являются сугубо качественными (в них не используются или очень ограниченно используются численные характеристики). Это означает, что если та или иная модель позволяет предсказать структурные изменения в материале даже на качественном уровне, «с точностью до знака», то можно рассчитывать на то, что хотя бы какие-то из методов ТРИЗ окажутся полезными для нахождения приемлемого решения.

Трудность решения связана, в числе прочего, с крайней ограниченностью ресурсов, имеющихся в такого рода задачах: требуется изменить лишь пропорции между основными компонентами, и только в отдельных случаях может стоять вопрос об исключении каких-то отдельных (например, токсичных или очень дорогих) компонентов и замену их новыми (более безопасными и/или дешевыми) компонентами. Таким образом, мы имеем ситуацию, когда «всё влияет на всё», причем это лияние не очень хорошо предсказуемо из-за недостаточно изученных структурных эффектов, а иных ресурсов в задаче нет.

Многие ТРИЗ-специалисты, с которыми мы общались на эту тему, призывали нас в этом случае заменить саму задачу и попробовать решить эту новую задачу (например, задачу перехода от однородного материала к неоднородному) известными методами ТРИЗ. Тем не менее, многолетняя (и даже многовековая) практика показывает, что решение именно вышеуказанной задачи на определенном этапе эволюции материалов является наиболее выигрышным, а часто и единственно приемлемым. Таким образом, мы полагаем, что нельзя просто сбрасывать такую задачу со счетов, – напротив, необходимо разрабатывать новые инструменты, позволяющие решать в том числе и такие задачи систематическими методами.

7.     Заключение

Исходя из общих принципов, положенных в основу систематических инноваций, нами определены и уточнены основные понятия и категории, связанные с совершенствованием такого специфического класса объектов, как материалы.

Мы полагаем, что в общем случае целью совершенствования материалов является улучшение, то есть изменение в желательном направлении, некоторой комбинации свойств, характеризующих взаимодействие данного материала с внешними объектами – веществами и полями. Эти изменения могут быть достигнуты изменением состава материала и/или его структуры. При этом изменения состава материала обычно могут быть осуществлены непосредственно и достаточно произвольно по желанию человека, а изменения структуры могут быть чаще всего осуществлены лишь опосредованно – через изменение состава и/или технологии синтеза материала.

В случае использования методов систематических инноваций, в том числе и ТРИЗ, изменения свойств материала в процессе его совершенствования должны быть прогнозируемыми. Это накладывает дополнительные, часто достаточно серьезные ограничения на процесс их совершенствования. Ограничения, как правило, связаны с тем, что и сама структура материала, и ее зависимость от его состава и технологии синтеза, и ее влияние на свойства материала бывают изучены в недостаточной мере. Таким образом, знание самого по себе факта чрезвычайной значимости учета структурных факторов может ничего не дать для практического совершенствования конкретных материалов. Возникает противоречивая ситуация, когда для решения практических задач необходимо и в то же время невозможно учитывать действие структурных факторов.

В связи с этим, в отличие от устройств, при совершенствовании материалов часто используется модель, не содержащая структурных характеристик. В самом общем виде эту модель можно представить триадой «состав – технология синтеза – свойства». При этом структурные факторы заменяются технологическими. Возможны также компромиссные модели, приближенно учитывающие отдельные структурные факторы и их взаимосвязь с составом, технологией синтеза и свойствами материалов. Мы полагаем, однако, что методы и технологии систематического решения таких задач пока что недостаточно совершенны и нуждаются в дальнейшем развитии.

Исходя из общих представлений об эволюции техники, нами показан (в очень обобщенном виде) типовой общий сценарий эволюции материалов, объединяющий известные в ТРИЗ закономерности развития технических систем с учетом специфики материала как объекта совершенствования. Этот сценарий включает переход от природного необработанного материала вначале к термически или химически обработанному, затем к природному материалу с целенаправленно модифицированным составом, затем к синтетическому материалу взамен природного, затем целенаправленное изменение состава и технологии синтеза материала (причем изменение состава обычно происходит быстрее, чем изменение технологии синтеза), затем переход от однородного материала к неоднородному (композитному) и, наконец, возврат к однородному материалу, в котором свойства регулируются путем целенаправленного (и заранее предсказуемого) изменения его структуры.

В процессе развития по этому сценарию разработчикам материалов приходится решать задачи, направленные на изменение качественного состава, количественного состава и технологии синтеза материалов. Эти задачи могут ставиться как по отдельности, так и в комбинации друг с другом. Каждый из этих видов задач имеет свою специфику, отличающую совершенствование материалов от совершенствования устройств и обычных (не химических) технологий.

Наименьшей спецификой, по нашему мнению, отличаются задачи на изменение качественного состава материалов, т.е. списка входящих в материал компонентов. Чаще всего новые компоненты добавляются в материал для придания ему специфических свойств (окраски, вкуса, запаха и т.д.), что определяет функции этих компонентов. Такие задачи часто могут быть решены стандартными методами ТРИЗ, традиционно использующимися для совершенствования устройств, включая компонентный, структурный, функциональный, ресурсный и иные виды анализа.

Задачи на изменение технологии имеют специфику в том случае, если результатом усовершенствования является изменение химического и/или фазового состава материала, - такие технологии называют химическими. Прогноз результатов таких изменений возможен, в общем, только тогда, когда сам процесс можно записать через уравнения химических реакций и/или фазовых переходов: это дает возможность построения моделей на основе законов химии и, соответственно, использования этих моделей для нахождения наилучшего способа изменения системы. Специфика химических взаимодействий, однако, не дает возможности воспользоваться всем инструментарием ТРИЗ; в частности, проблематично использование функционального анализа, требующего определить носитель и объект функции, что при описании химических взаимодействий сделать невозможно, поскольку эти взаимодействия нельзя рассматривать как однонаправленные воздействия одних объектов на другие. Однако другие инструменты, такие, как причинно-следственный анализ, вполне могут быть использованы для решения таких задач.

Наиболее сложной для решения систематическими методами является, по нашему мнению, задача на изменение количественного состава материала, в случае, если требуется изменить только численные пропорции между его основными компонентами, не меняя самих компонентов, и при этом результат такого изменения находится в сложной зависимости от концентраций конкретных компонентов. Такие задачи трудны из-за того, что в них резко ограничен набор используемых ресурсов: это те самые концентрации основных компонентов. Известные методы ТРИЗ для решения таких задач практически не приспособлены. Тем не менее, это не отменяет необходимости их решения, поскольку именно такие задачи возникают на соответствующем этапе вышеупомянутого типового сценария развития материалов, и именно такие решения оказываются, несмотря на все трудности разработки, наиболее выигрышными по достигаемому результату. Таким образом, мы констатируем необходимость разработки новых инструментов и методов, в том числе и на основе ТРИЗ, которые будут специально приспособлены для решения таких задач.

Список литературы

1. Обсуждение статьи: Логвинов С.А. Алгоритм выявления принципа действия ТС на основе функционального и потокового анализа, http://www.metodolog.ru/node/1044

2. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Решение исследовательских задач. – Кишинёв: МНТЦ «Прогресс», Картя Молдовеняскэ, 1991.

3. Аппен А.А. Химия стекла. Ленинград: Химия, 1970.

4. Van Krevelen D.W. Properties of polymers. – Amsterdam – Lausanne – New York – Oxford – Shannon – Tokyo: Elsevier, 1990.  – 874 p.

5. Аскадский А.А., Кондращенко В.И. Компьютерное материаловедение полимеров. Атомно-молекулярный уровень. М.: Научный мир. 1999. Т. 1. 544 с.

6. Priven A.I. General method for calculating the properties of oxide glasses and glass forming melts from their composition and temperature // Glass Technol., 2004, 45 (6), 244–54.

7. Ксенофонтова М.М. Выявление ключевых недостатков в технических системах, http://www.metodolog.ru/00828/00828.html

8. Что такое мореный дуб? http://www.bogoak.biz/

9. Соль земли, http://vokrugsveta.com/S4/proshloe/velichka.htm

10. Parkesine. INTERNATIONAL EXHIBITION, 1862. CLASS IV. OFFICIAL CATALOGUE, NO 1112. http://www.plastiquarian.com/index.php?id=13&subid=146

11. Петров В.М. Основы теории решения изобретательских задач, http://www.triz.natm.ru/articles/petrov/3.4.2.htm

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Изображение пользователя GIP.

Quote:

Однако, несмотря на то, что с использованием систематических методов выполнено значительное число проектов по совершенствованию материалов, до сих пор остается не вполне решенным принципиальный вопрос о том, в чем же, собственно, состоит специфика используемых человеком материалов как объектов совершенствования.


Здесь не вполне понятно, к чему относится вопрос о специфике - то ли к использованию материалам, то ли к совершенствованию материалов.

Quote:
Основная цель статьи – показать наиболее существенные отличия материалов от других видов объектов совершенствования, то есть устройств и технологий, и описать специфику основных видов задач, которые приходится решать при совершенствовании материалов, используемых в технике.

Что такое - объект совершенствования? Или это просто фигуральное название?

Quote:

При этом основной акцент будет сделан на существенных различиях между материалом и устройством, поскольку именно здесь, по нашим наблюдениям, наблюдается наибольшая путаница и наибольшие различия во взглядах на проблему.

Существенные различия - это отсутствие структуры?

На самом деле материал некорректно сравнивать с устройством, ибо оно всегда выступают техническим средством осуществления какого-либо способа. И если допустить, что подобным образом и материал связан со способом, то именно и только способ должен являться единой основой для сравнения материала и устройства. С позиций которой носителем видимого различия между ними должна выступать какая-либо базовая характеристика действия. Например, его длительность.

Quote:

2. .... Слово «инновация» употребляется во многих значениях, наиболее общим из которых можно считать «внедрение нового». Соответственно, техническая инновация – это, в самом широком смысле, внедрение новой техники.

В свою очередь, под словом «техника» обычно понимают некие технические объекты, то есть искусственные объекты, целенаправленно созданные для удовлетворения человеческих потребностей.

А что тогда искусственные объекты? А также - что такое объект?

Quote:
Эти технические объекты объединяются в технические системы – совокупности объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить вышеуказанные потребности.

Зафиксируем это определение:

технические системы - это совокупности (технических) объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить человеческие потребности.

Хм... Но ведь выше технические объекты были определены только как искусственные объекты. Откуда в определении появился природный объект? И какие его качества позволяют его отнести к технике, если она выше определена лишь как множество искусственных объектов?

Quote:
Например, транспортная система может включать в себя средства передвижения (автомобили, суда, самолеты и т.д.), а также инфраструктуру, необходимую для осуществления перевозок (дороги, терминалы, диспетчерские пункты и т.д.).

Если выше было определено, что в технических системах есть только (технические) объекты, то откуда взялись средства (передвижения)?

Quote:

Сам по себе технический объект (например, автомобиль), в общем случае, также можно рассматривать и как техническую систему.

Как это? Ведь выше было определено, что
технические системы - это совокупности (технических) объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить человеческие потребности.

И с позиции этого определения представлять некий технический объект технической системой, которую он сам же в числе других технических объектов образует - значит творить либо неясности, либо логические ошибки.

Quote:
Однако в этом случае мы, рассматривая нечто как объект либо как систему, фокусируем внимание на разных аспектах: в случае системы – на ее связях и отношениях как внутри себя, так и с внешним миром,

Хм... Выше объект был определен технической системой (это один смысл), а теперь он определен как (просто) система (это иной смысл).

Quote:
а в случае объекта – на его собственных характеристиках, отличающих данный объект от всех прочих. Такими характеристиками могут быть размеры, вес, объем, грузоподъемность и т.д.

Различение величиной признаков - это не прерогатива понимания некоторого технического средства объектом, на мой взгляд, ибо эти признаки - есть результат оценки, полученной в системе определенных отношений.

Quote:

К примеру, рассматривая автомобиль как техническую систему, мы фокусируем внимание на том, каким образом он удовлетворяет человеческую потребность в перемещении объектов, т.е. грузов и/или пассажиров. (В этом случае вышеупомянутая транспортная система будет представлять собой его надсистему.)
Если же мы рассматриваем автомобиль как технический объект, то фокусируем внимание на тех его характеристиках, которые мы считаем важными для выполнения этой потребности.

Этот пример говорит о том, что разделение видения идет на основе определений, данных выше. А там написано так:

--> технические объекты - это искусственные объекты, целенаправленно созданные для удовлетворения человеческих потребностей

--> технические системы - это совокупности (технических) объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить человеческие потребности.

Quote:
Действие, выполняемое технической системой для удовлетворения человеческой потребности, ради которой эта система создана, называется главной функцией системы.

Хм... А из каких соображений с одной технической системой связывается одна человеческая потребность? Просто от множественного числа перешли к единичному числу?

Quote:
В результате выполнения этого действия всегда производится некоторое преобразование либо в самой системе (например, в компьютере изменяются биты хранимой информации), либо в окружающем мире (например, создается новый объект – продукт действия системы). То, каким образом производится это действие, называют принципом действия системы.

А что такое - "каким образом"? Или это просто некая общая характеристика?

К слову, о действии.
Если устанавливается принцип целого одного действия, то не составляет труда понять, что оно - достаточно сложное образование, состоящее из нескольких не только последующих, но и параллельно сопутствующих действий. А как они увязаны с одной человеческой потребностью? Тот же автомобиль, например. Ведь не только доставка грузов важна, но и доставка их в целости. Поэтому вполне логично надо корректно определить и само понятие этой самой "человеческой потребности". Вполне вероятно, что и с ней надо соотносить определенный принцип.

Осознание

==ИИ-->

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Геннадий Иванович, спасибо за развернутые комментарии. Будем думать и уточнять там, где это надо. Пока что хочется прокомментировать следующее.

1. Объект совершенствования - это то, что мы совершенствуем (улучшаем), т.е. то, что раньше было хуже, а теперь стало лучше. Если мы улучшили материал (т.е. взамен старого материала создали новый, который лучше), то, значит, он и есть объект совершенствования. Если Вам что-то здесь непонятно - то что именно?

2. Мы можем рассматривать что-то как систему, а ее части - как подсистемы. А можем спуститься на уровень ниже и рассматривать сами эти части как системы, и тогда то, что раньше было системой, станет надсистемой. Что именно Вас здесь смущает?

3. В природе нет систем и нет объектов - есть только сама природа. Системы и объекты в ней выделяем мы, люди. Мы говорим о "системе", если рассматриваем нечто как совокупность взаимосвязанных частей и интересуемся связями и отношениями между ними друг с другом и с внешним миром. Мы говорим о "материальном объекте", если рассматриваем нечто как целое, которое определенным образом воздействует на окружающий мир. Во внешнем мире эти понятия - "система" и "объект" - могут соответствовать одной и той же сущности, которой нет дела до того, как именно мы ее рассматриваем.

4. "Средство" - это снова наша абстракция, обозначающая то, что позволяет достигать цели. Почему Вы полагаете, что объект не может быть средством?

5. Таки да, техническая система может включать и природные объекты, используемые человеком без изменения. Более того, техническая система может вообще не включать искусственных объектов! Например, плывущее по реке бревно может использоваться человеком для передвижения по поверхности воды. При этом можно также использовать, например, палку - чтобы отталкиваться от попадающихся на пути предметов. Совокупность объектов, используемых человеком для передвижения, образует техническую систему. Никаких искусственных объектов там нет: только натуральное бревно и натуральная же палка. А потребность, тем не менее, удовлетворяется.

Разумеется, Вы вправе полагать, что такая система не является технической. Но тогда каким образом Вы можете объяснить появление технической системы под названием "плот"?

В нашем понимании все просто: плот как техническая система является продолжением развития предыдущей технической системы - бревна с палкой, просто в этой технической системе природный объект (бревно) заменяется искусственным (техническим) - связкой бревен. Совершенно то же самое происходит и с материалами: вначале человек использует природные материалы, а затем постепенно заменяет их искусственными. Другими словами, замена чего-то природного чем-то искусственным - это совершенно естественный (простите за каламбур) этап развития техники.

А иначе это самое развитие повисает где-то в воздухе: совершенно непонятно, каким образом, откуда и зачем в системе появляются искусственные объекты. В нашем понимании - они просто приходят на замену природным, способствуя лучшему выполнению технической системой ее функции. А Вы как полагаете?

Буду благодарен за дальнейшие комментарии.

С уважением,

Александр.

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

цитата
"Мы же рассмотрим особый тип технологий – химические технологии, то есть технологии, в которых изменяется химический и/или фазовый состав вещества, т.е., другими словами, процессы, при которых из одних химических веществ и/или фаз (кристаллов, аморфных веществ, жидкостей, газов, плазмы) образуются другие."
Не вполне ясно, особенно в части фазового состава:
- если испарять жидкость, нагревая её - это химическая технология?
- если производить термическую или термомеханическую обработку металлического сплава, сопровождающуюся образованием новых фаз - это химическая технология?
- если сжимать графит, используя механическую энергию взрыва, до образования искусственного алмаза - это химическая технология?
То есть критерий отнесения к химическим технологиям - результат, но не средства его достижения?

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

inohod wrote:
цитата
"Мы же рассмотрим особый тип технологий – химические технологии, то есть технологии, в которых изменяется химический и/или фазовый состав вещества, т.е., другими словами, процессы, при которых из одних химических веществ и/или фаз (кристаллов, аморфных веществ, жидкостей, газов, плазмы) образуются другие."
Не вполне ясно, особенно в части фазового состава:
- если испарять жидкость, нагревая её - это химическая технология?
- если производить термическую или термомеханическую обработку металлического сплава, сопровождающуюся образованием новых фаз - это химическая технология?
- если сжимать графит, используя механическую энергию взрыва, до образования искусственного алмаза - это химическая технология?
То есть критерий отнесения к химическим технологиям - результат, но не средства его достижения?

Очень хороший вопрос! Спасибо.

В самом деле, многие технологии сопровождаются изменениями как фазового, так и химического состава, хотя мы об этом не подозреваем. Например, в месте сварки много чего и "фазового", и "химического" происходит... Но в данной статье речь идет о совершенствовании материалов - так что вернемся к Вашим примерам и рассмотрим их именно с этой точки зрения.

1. Мы испаряем жидкость, нагревая ее.

1а. В данном процессе образуется новая фаза - газовая, более того - образуется новый материал (тот самый газ ведь не остается в жидкости, так?). Итак, рассматриваем газ. Используем ли мы образовавшийся газ как материал? Если нет - значит, к совершенствованию материалов это не имеет отношения. Если да - то это химическая технология (не хотелось бы вводить еще и термин "физико-химическая технология" - всех запутаем!) получения данного газа.

1б. Теперь возвращаемся к жидкости. В принципе, есл и только это не индивидуальное химическое вещество, в ходе испарения меняется ее химсостав и, соответственно, какие-то свойства. В этом случае задаем контрольные вопросы:

Знаем ли мы, что в ходе такой обработки изменяются свойства материала? Если да - то является ли это изменение свойств желаемым для нас результатом? Если хотя бы одно "нет" - значит, к предмету нашего рассмотрения это отношения не имеет. Если два "да" - то это химическая технология получения жидкости с нужными (или улучшенными) свойствами.

2. Мы если производим термическую или термомеханическую обработку металлического сплава, сопровождающуюся образованием новых фаз.

Знаем ли мы, что в ходе такой обработки изменяются свойства материала? Если да - то является ли это изменение свойств желаемым для нас результатом? Если хотя бы одно "нет" - значит, к предмету нашего рассмотрения это отношения не имеет. Если два "да" - то это химическая технология получения сплава с нужными (или улучшенными) свойствами.

3. Мы сжимаем графит, используя механическую энергию взрыва, до образования искусственного алмаза.

Знаем ли мы, что в ходе такой обработки изменяются свойства материала (графита)? Если да - то является ли это изменение свойств желаемым для нас результатом? Если хотя бы одно "нет" - значит, к предмету нашего рассмотрения это отношения не имеет. Если два "да" - то это химическая технология получения материала с нужными (или улучшенными) свойствами. В данном случае, по-моему, ответ вполне очевиден.

С уважением,

Александр.

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Таким образом, чтобы воспользоваться этим определением, нужно задать ещё несколько вопросов. И в зависимости от ответов принять решение? Определение ли это? Или нужен алгоритм для определения? Почему бы его не привести, раз определения недостаточно даже для простых случаев?

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Изображение пользователя AlexZ.

Kynin-Priven wrote:

вт, 20/09/2011 - 14:02
Основная цель статьи – показать наиболее существенные отличия материалов от других видов объектов совершенствования, то есть устройств и технологий, и описать специфику основных видов задач, которые приходится решать при совершенствовании материалов, используемых в технике.
... основной акцент будет сделан на существенных различиях между материалом и устройством, поскольку именно здесь, по нашим наблюдениям, наблюдается наибольшая путаница и наибольшие различия во взглядах на проблему.

А показано больше сходства материалов с устройствами, а отнюдь не существенные различия.
Kynin-Priven wrote:

Слово «инновация» употребляется во многих значениях, наиболее общим из которых можно считать «внедрение нового». Соответственно, техническая инновация – это, в самом широком смысле, внедрение новой техники.

Инновация – это не внедрение, т.е. процесс, что-то делающий с техникой, а уже внедренная новая техника, т.е. уже купленная и используемая потребителем.
Kynin-Priven wrote:

... под словом «техника» обычно понимают некие технические объекты, то есть искусственные объекты, целенаправленно созданные для удовлетворения человеческих потребностей. Эти технические объекты объединяются в технические системы – совокупности объектов (как искусственных, так и природных), позволяющие удовлетворить вышеуказанные потребности.

Сначала сказано, что технические объекты (ТО) целенаправленно создаются для удовлетворения человеческих потребностей. Ниже, что и технические системы (ТС) позволяют удовлетворить потребности.
Получается, что, с точки зрения удовлетворения человеческих потребностей, разницы между ТО и ТС нет. Тогда зачем их делить по этому критерию?
И куда отнести корову и яблоню? Или генномодифицированные растения, которые точно относятся к инновационным, но не являются искусственными объектами?
Kynin-Priven wrote:

Сам по себе технический объект (например, автомобиль), в общем случае, также можно рассматривать и как техническую систему. Однако в этом случае мы, рассматривая нечто как как (1) систему, либо как (2) объект, фокусируем внимание на разных аспектах:
(1) в случае системы – на ее связях и отношениях как внутри себя, так и с внешним миром, а
(2) в случае объекта – на его собственных характеристиках, отличающих данный объект от всех прочих. Такими характеристиками могут быть размеры, вес, объем, грузоподъемность и т.д.

У системы «автомобиль» нет характеристик размеры, вес, объем, грузоподъемность и т.д.? А у объекта «автомобиль» нет связей и отношений? Зачем лишняя сущность?
Kynin-Priven wrote:

К примеру, рассматривая автомобиль как техническую систему, мы фокусируем внимание на том, каким образом он удовлетворяет человеческую потребность в перемещении объектов, т.е. грузов и/или пассажиров. В этом случае вышеупомянутая транспортная система будет представлять собой его надсистему.
Если же мы рассматриваем автомобиль как технический объект, то фокусируем внимание на тех его характеристиках, которые мы считаем важными для выполнения этой потребности.

Тут еще одно направление деятельности для авторов идеи открывается: ведь используемые сегодня законы развития надо будет как-то делить на (а) законы развития технических систем и (б) законы развития технических объектов.
Еще просится введение иерархии "подобъект - объект - надобъект". Такой подход, умножающий сущности, предлагаю назвать «грабли Оккама»...
Kynin-Priven wrote:

Действие, выполняемое технической системой для удовлетворения человеческой потребности, ради которой эта система создана, называется главной функцией системы. То, каким образом производится это действие, называют принципом действия системы.

Так каким образом? Что лежит в основе действия? И сказанное выше претендует на роль определения!?
Только представьте, в проекте надо выяснить – как работает ТС, как производится действие. Задаем вопрос эксперту: как работает ТС, как производится действие, каким образом? И ответит эксперт: «Таким образом!»
Или все же эксперт будет рассказывать, на основе каких природных эффектов ТС работает?
Так почему указание на использование природных эффектов сразу не внести в определение!? Всегда в основе действия (ГПФ) системы лежат природные эффекты (физические, химические, биологические и пр.). Конкретный эффект, используемый для действия (ГПФ) системы, называется принципом действия системы.
Kynin-Priven wrote:

Целью ... инноваций является либо удовлетворение новых потребностей, либо улучшение удовлетворения существующих.

Вернемся к определению: инновация – внедренная новая техника. Зачем говорить именно о новых потребностях? Просто, целью инноваций является удовлетворение потребностей новым способом. Главное – удовлетворение потребности новым средством, ибо инновация. А новая потребность или существующая – не суть важно.
Kynin-Priven wrote:

Под «улучшением удовлетворения потребностей» обычно понимается снижение издержек, то есть уменьшение ресурсов, необходимых для выполнения системой ее главной функции: снижение энергозатрат, повышение производительности (т.е. снижение затрат времени на выполнение системой ее главной функции) и т.д.

А где же повышение полезности системы? Числитель в выражении "польза/затраты" уже не учитывается?
Kynin-Priven wrote:

Ресурсы – это все то, что требуется для удовлетворения человеческих потребностей с помощью техники: ресурсы могут быть пространственные, временные, материальные (вещественно-полевые), информационные.

Опять – где корова и яблоня?
Kynin-Priven wrote:

Чтобы понять, чем материал, как объект совершенствования, отличается от устройства, необходимо разделить понятие «материал» со сходными с ним понятиями, прежде всего – с понятиями «вещество» и «изделие».

Есть примеры смешения понятий «материал» и «изделие»?
Kynin-Priven wrote:

... термин «изделие»...
Общетехническое понимание этого термина отличается от того, что принято в ТРИЗ.
В общетехническом понимании «изделием» является любой искусственный объект, целенаправленно созданный человеком (непосредственно либо опосредованно, с помощью технических средств) для использования в процессе удовлетворения какой-либо потребности.

Продукты питания природного происхождения – мясо, молоко, хлеб и т.д. – могут быть изделиями? Судя по определению выше – нет. А как же тогда хлебо-булочные изделия? Изделия молочные и мясные?
И еще, когда говорится об изделии, ни о каком удовлетворении потребности и речи нет. Главный признак – что это сделано, т.е. является результатом процесса изготовления. А будет изделие удовлетворять потребность или нет, еще большой вопрос. Вон в СССР сколько было изделий...
Kynin-Priven wrote:

В ТРИЗ понятие «изделие» определяется как любой объект (природный, искусственный, либо сам человек), характеристики которого целенаправленно изменились в результате выполнения технической системой ее главной функции.

Использование функции для определения – отрадный факт! Функция – модель процесса изготовления. Поэтому надо и для техники этот же самый критерий использовать: изделие – это то, что сделано (создано заново или преобразовано из того, что уже было) с помощью функции. И тогда нет никакой разницы для общетехнического или ТРИЗовского понимания.
Kynin-Priven wrote:

... материал не обладает характеристиками, зависящими от количества вещества и энергии: размерами, формой, массой, потенциальной и кинетической энергией, теплосодержанием и т.д., то есть, тем, что позволяет идентифицировать нечто как материальный (и, в частности, технический) объект. Иными словами, материал сам по себе не является материальным и, соответственно, техническим объектом.

«Материал сам по себе не является материальным...» - чеканная фраза! Надо отлить в граните. Ну, и для полноты следующую: «Материал не является ... техническим объектом».
А как же в ТРИЗ используется понятие идеального вещества (материала) – конечного результата эволюции ТС, у которой все элементы: ИЭ-Дв-Т-РО-СУ - свернулись в одно «умное» вещество. Расхожий пример – металлы (и не только) с эффектом памяти формы. Это вещество (материал) выполняет какую-либо функцию, т.е. является техническим объектом, но(!), согласно предложенному определению, вещество (материал) не является техническим объектом. Где же правда?
Kynin-Priven wrote:

Соответственно, запрос на создание и совершенствование материалов – это обычно запрос на новую или улучшенную комбинацию свойств, позволяющую усовершенствовать изготовленный из них технический объект и/или технологию его изготовления и/или эксплуатации.

Обычно это запрос на улучшенную новую комбинацию свойств или улучшенную существующую комбинацию свойств...
Kynin-Priven wrote:

... известно, как изменяются свойства высокоуглеродистых сталей при добавлении в них небольших количеств хрома или никеля

Если имеются в виду нержавеющие стали, то:
- нержавеющие стали не являются высокоуглеродистыми (и в них стараются снижать содержание углерода);
- добавляемые количества хрома и никеля большие. Так, в стали 0Х18Н10Т углерода около 0.1%, хрома - 18%, никеля – 10% и титана около 1%.
Kynin-Priven wrote:

... логично предположить, что в процессе совершенствования материалов их состав будет совершенствоваться и оптимизироваться быстрее, чем технология синтеза. И действительно, прослеживая ход эволюции различных материалов (танковая броня, стекла, полимеры, краски и т.д.), мы убеждаемся, что их составы доходят до оптимума намного быстрее, чем технологии их синтеза.

Очень разноплановые объекты – состав и технология. По-моему, скорости их совершенствования просто нельзя сравнивать.
Kynin-Priven wrote:

... рассматривая процесс совершенствования состава материала, можно из самых общих соображений предположить, что вначале человек для удовлетворения своих потребностей попытается использовать природные материалы...

А чего тут предполагать-то? Это же очевидно!
Kynin-Priven wrote:

Процесс совершенствования материала по существу начинается тогда, когда человек изменяет его свойства путем той или иной обработки, чаще всего – термической (Терм) или химической (Хим).

А когда к древку (палке) прикрепляется более твердая кость, чтобы получить стрелу или копье с наконечником - это совершенствование материала? Похоже, да – меняется (как объект в целом) стрела или копье - об этом судят по результату применения. Но к термической или химической обработке это вряд ли относится, а?
Или совершенствование материала наклепом – это явно механический процесс.
Kynin-Priven wrote:

Как и в случае натуральных добавок, вначале оптимизируется содержание тех компонентов, которые ответственны за конкретные свойства, способствующие выполнению техническим объектом его основной функции, - например, в случае физиологического раствора наиболее важным из таких компонентов является поваренная соль. После этого модифицируется качественный, а затем и количественный состав материала.

??? Оптимизация содержания компонентов – это и есть модификация, по крайней мере, количественного состава материала.
Kynin-Priven wrote:

В настоящее время переход от однородных материалов к композитным происходит со многими типами материалов: сплавами, стеклами, полимерами, вяжущими материалами и т.д. Этот переход требует изменения как состава, так и технологии. По существу, этот переход сродни хорошо известному в ТРИЗ образованию би- и поли-систем, только вместо устройств объединяются материалы с разными свойствами.

Хотя в начале статьи и говорится о том, что материал - это не устройство, но отмечено, что присущий им переход сродни известному образованию би- и поли-систем. Т.е. материал можно рассматривать как устройство.
Kynin-Priven wrote:

... общие закономерности эволюции материалов в целом согласуются с известными в ТРИЗ закономерностями развития технических систем.

Значит какой из этого вывод-то следует?
Kynin-Priven wrote:

Полное химическое описание процесса позволяет целенаправленно и прогнозируемо изменять его на основе законов химии; если такое описание получить не удается, то приходится в той или иной мере привлекать МПиО. В качестве методов систематических инноваций в этом случае можно использовать некоторые (но не все) методы ТРИЗ.

Если уйти от противопоставления МПиО и ТРИЗ, а перейти к эволюции описаний химического процесса, то некоторые стадии этого процесса, еще неизученные или плохо изученные, реализуются эмпирически (здесь спрятан МПиО), другие – достаточно изученые, реализуются с использованием законов (здесь спрятана ТРИЗ).
Kynin-Priven wrote:

... в сравнительно редких случаях добавляемый в материал новый компонент выполняет несколько функций сразу; однако многофункциональность не является чем-то необычным для ТРИЗ.
... возникает задача борьбы с нежелательными взаимодействиями и их продуктами. В принципе, ход решения таких задач мало отличается от обычных «тризовских»: изучаются вышеуказанные взаимодействия, составляются компонентная, структурная и функциональная схемы и используются обычные для ТРИЗ методы решения.
... ставится также задача оптимизации количественного состава, т.е. содержания введенных добавок. Эта задача также мало чем отличается от обычных тризовских задач на изменение параметров системы.
... несмотря на специфику объекта совершенствования, к нему обычно вполне применимы стандартные методы ТРИЗ, а общий подход в целом аналогичен совершенствованию устройств.

Вот они - важные замечания: материал совершенствуется закономерно, т.е. по законам эволюции, и не отличается от устройств. Что осталось от исходной посылки?
Kynin-Priven wrote:

... совершенствование основного состава материала, то есть пропорций между его основными компонентами.
На этом этапе ряд общих положений, приемов и методов, успешно применяемых как в ТРИЗ, так и за ее пределами, оказывается либо очень ограниченно применимым, либо неприменимым вообще. Насколько нам известно, задачи подобного рода до сих пор в рамках ТРИЗ не решались.

Ничего удивительного: требуется изучение эволюции поведения (свойств) материала от состава, чаще всего – многокомпонентного. Машины (макроструктуры) - наше повседневное окружение, легко разбираются на части, намного легче подаются изучению. Отсюда и более успешное изучение законов их развития.
А вот для микроструктур нужны исследования, которые стали возможны только с совершенствованием методов анализа материалов. Поэтому этап изучения (процесс набора информации) еще продолжается.
Kynin-Priven wrote:

... сама структура материала, и ее зависимость от его состава и технологии синтеза, и ее влияние на свойства материала бывают изучены в недостаточной мере.

Еще раз, идет нормальный этап накопления статистики о свойствах сложных материалов. Законы обязательно появятся при достаточном количестве информации. См. "USPEX Артема Оганова", http://www.scientific.ru/trv/2008/004/oganov_uspex.html
Хочу заострить внимание на подходе А.Оганова: "Наш метод основан на эволюционном алгоритме, специально разработанном для решения проблемы предсказания стабильных структур".
Что-то слышится родное... Поэтому, IMHO, нужно не на несовершенство ТРИЗ для изучения структур ссылаться, а перейти от ТРИЗ к эволюционному методу.
Kynin-Priven wrote:

... нами показан (в очень обобщенном виде) типовой общий сценарий эволюции материалов, объединяющий известные в ТРИЗ закономерности развития технических систем с учетом специфики материала как объекта совершенствования.
Этот сценарий включает переходы:
- от природного необработанного материала вначале к термически или химически обработанному, затем
- к природному материалу с целенаправленно модифицированным составом, затем
- к синтетическому материалу взамен природного, затем
- целенаправленное изменение состава и технологии синтеза материала (причем изменение состава обычно происходит быстрее, чем изменение технологии синтеза), затем
- переход от однородного материала к неоднородному (композитному) и, наконец, возврат
- к однородному материалу, в котором свойства регулируются путем целенаправленного (и заранее предсказуемого) изменения его структуры.

И снова: "... показан общий сценарий эволюции материалов, объединяющий известные в ТРИЗ закономерности развития технических систем..."
Так нарисуйте же этот сценарий, черт побери!
Спасибо,
AlexZ

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

inohod wrote:
Таким образом, чтобы воспользоваться этим определением, нужно задать ещё несколько вопросов. И в зависимости от ответов принять решение? Определение ли это? Или нужен алгоритм для определения? Почему бы его не привести, раз определения недостаточно даже для простых случаев?

Увы, Вы задали свой вопрос позже, чем мы написали статью. Будь наоборот - обязательно привели бы сей несложный алгоритм и пару примеров его использования, выразив Вам благодарность. Впрочем, последнее с радостью делаю сейчас.

Что касается алгоритма как такового, то, на мой взгляд, любое определение подразумевает некий алгоритм его использования: иначе, не задавая вопросов, как понять, подходит нечто под это определение или нет? Другое дело, что сами вопросы, по идее, должны автоматически следовать из определения, и если это не так, то, значит, определение либо недостаточное, либо не очень удачное.

Наше определение, как я понимаю, оказалось недостаточным. Лучше было бы, наверное, сказать так:

Химическая технология - это технология, включающая процесс изменения химического и/или фазового состава вещества, в результате которого свойства исходного материала улучшаются, или же образуется новый материал с нужными свойствами.

Теперь согласны?

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Изображение пользователя AlexZ.

Priven wrote:

чт, 22/09/2011 - 15:21.
Химическая технология - это технология, включающая процесс изменения химического и/или фазового состава вещества, в результате которого свойства исходного материала улучшаются, или же образуется новый материал с нужными свойствами.
Теперь согласны?

Теперь я несогласен...
Почему бы не воспользоваться тем, что уже наработано?
1. В самом общем виде: технология – используемые методы и их применение для достижения какого-либо результата.
2. Главное, IMHO, отметить, что методы химической технологии работают на химическом (атомно-молекулярном) уровне организации материи.
3. Фазовый состав? Сомнительно.
4. В результате свойства исходного материала улучшаются - разве так можно писать в определении?
5. Почему образуется именно новый материал?

С учетом сказанного, получается такое определение:
Химическая технология – методы обработки, создания и/или разрушения материалов (веществ), использующие химический (атомно-молекулярный) уровень организации материи, с целью получения материалов (веществ) с нужными свойствами.
Спасибо,
AlexZ

общепринятое определение

AlexZ, в результате у Вас получилось определение близкое тому, что приведено в Химической энциклопедии:

AlexZ wrote:

Химическая технология – методы обработки, создания и/или разрушения материалов (веществ), использующие химический (атомно-молекулярный) уровень организации материи, с целью получения материалов (веществ) с нужными свойствами.
Спасибо,
AlexZ

Хим. энцикл: "Химическая технология - наука о процессах, методах и средствах массовой химической переработки сырья и промежуточных продуктов". Отличия в том, что
1) не только методы, но и процессы и средства
2) не просто обработка, а "массовая химическая переработка"
Правда в энциклопедическом определении нет "с целью" (но, возможно, массовая переработка предполагает такую цель?)
Лично я - поскольку не химик, то не буду выбирать между определениями и обсуждениями. Но вопрос в другом: как Вам кажется насколько важна добавка "процессы и средства" и "массовая"? Ну и почему сразу ни авторы статьи, ни Вы не стали отталкиваться от уже существующего определения? Кстати, наверняка в самих учебниках по хим технологии обсуждаются разные определения.
С уважением, Александр
ПС: у меня правда еще остался вопрос насколько для осуществления целей статьи нужно давать все эти определения и их обсуждать

Re: общепринятое определение

Quote:
Химическая технология - это технология, включающая процесс изменения химического и/или фазового состава вещества, в результате которого свойства исходного материала улучшаются, или же образуется новый материал с нужными свойствами.

Как-то незаметно авторы ушли от выделенной ранее в кровавом поту группы задач и вернулись в привычное - химические технологии. В приведенном определении есть непонятка с фазовым составом - явно "физическая" епархия. Хотя, дело хозяйское, но кипячение воды химической реакцией обычно не считается. Хотя, если убрать из определения фазовый переход, получится совсем уж "масло маслянное". Может быть просто взять стандартное определение хим технологии?
Ромащук Александр wrote:
ПС: у меня правда еще остался вопрос насколько для осуществления целей статьи нужно давать все эти определения и их обсуждать
Вообще-то мне лично не очень понятна основная идея статьи. Пожалуйста, не обижайтесь, но идею не вычленил. Собрать вместе и повторить то, что было известно? Если предложено что-то новое в технологиях работы с веществом, прошу прощения, не углядел.

Re: Общепринятое определение

Изображение пользователя AlexZ.

Ромащук Александр wrote:

чт, 22/09/2011 - 20:27
AlexZ wrote:

Химическая технология – методы обработки, создания и/или разрушения материалов (веществ), использующие химический (атомно-молекулярный) уровень организации материи, с целью получения материалов (веществ) с нужными свойствами.

Хим. энцикл: "Химическая технология - наука о процессах, методах и средствах массовой химической переработки сырья и промежуточных продуктов". Отличия в том, что
1) не только методы, но и процессы и средства
2) не просто обработка, а "массовая химическая переработка"
Правда в энциклопедическом определении нет "с целью" (но, возможно, массовая переработка предполагает такую цель?)
Но вопрос в другом: как Вам кажется насколько важна добавка "процессы и средства" и "массовая"? Ну, и почему сразу ни авторы статьи, ни Вы не стали отталкиваться от уже существующего определения?

1. Я за основу взял определение из Википедии.
2. Главными в технологии мне видятся методы. По сути, это способы (воз)действия, функции. Именно под (воз)действием метода, функции и идут процессы, т.е. изменения материалов (веществ). Если есть метод, то пойдет процесс...
3. Средство - это что-то очень размытое, неопределенное, а мне хотелось сделать упор именно на определении химической технологии. Поэтому см. п. 4.
4. Указан уровень организации материи, на котором идет изменение материалов (веществ) - химический (атомно-молекулярный). Исходил из того, что "... химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами. Предмет химии — химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции".
Не упомянуть при описании химической технологии методы воздействия на материалы (вещества) на атомно-молекулярном уровне было бы странно.
5. Массовая переработка... А что, когда в лаборатории химическими методами воздействуют на материалы (вещества), взятые даже в микрокопических количествах, это не химическая технология?
Спасибо, хорошие вопросы! Надеюсь, ответил,
AlexZ

Re: Общепринятое определение

AlexZ, спасибо за подробный ответ, но лично мне это все объяснять бесполезно - я все равно не смогу оценить, что верно, а что нет! Может быть тут есть химики - тогда они смогут поддержать обсуждение
Единственное могу поделиться своим воспоминанием одного разговора (даже не помню с кем разговаривал), в котором мне объясняли, что технология это когда производство, а не изучение, т.е. обязательно массовость. В том смысле, что есть даже отдельная специальность технолог - и она только на производстве, а не в лаборатории. Но опять же я в этом не специалист
С уважением, Александр

Re: Общепринятое определение

Изображение пользователя GIP.

Ромащук Александр wrote:
.... почему сразу ни авторы статьи, ни Вы не стали отталкиваться от уже существующего определения? Кстати, наверняка в самих учебниках по хим технологии обсуждаются разные определения.

ПС: у меня правда еще остался вопрос насколько для осуществления целей статьи нужно давать все эти определения и их обсуждать

Александр, на Ваш взгляд,
для чего вообще даются определения чего-либо?

Мне лично представляется, что таким образом автор определения выделяет признаки, на основе качеств которых он в дальнейшем будет строить свою канву видения ситуации, где используется это понятие.

AlexZ wrote:
3. Средство - это что-то очень размытое, неопределенное, а мне хотелось сделать упор именно на определении химической технологии. Поэтому см. п. 4.
4. Указан уровень организации материи, на котором идет изменение материалов (веществ) - химический (атомно-молекулярный). Исходил из того, что "... химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами. Предмет химии - химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции".

С терминами в ТРИЗ сложилась довольно перепутанная ситуация. Которую все больше запутывает привлечение терминов со стороны. В первую очередь, наблюдается сужение понимания.

Например, имеет ли смысл заменять достаточно общее понятие «способ» узкоспециальным понятием «химическая технология»?

На мой взгляд, решателю ИЗ это мало что дает, ибо из поля внимания ускользают иные носители иных форм движения материи. А также – обобщающее понятие «технические средства» (" или средства техники под которым понимаются средства, основанные на одной из форм движения материи), которое, ИМХО, более отвечает области всей техники, потому что является техническим воплощением «реализатора» цели в причинно-следственном отношении «цель-средство».

И не потеряется преемственность понимания у решателя изобретательских задач, если понятие «химическая технология» специально определить как вид технического средства, использующего конкретный носитель (химической формы движения материи).

Ибо только таким образом можно сложить цепочку взаимных переходов
разных видов действий, составляющих в обобщенном своем виде основу ТП и ФП,
а также технических средств их устранения.

Осознание

==ИИ-->

Re: Специфика материала как объекта систематических инноваций

Спасибо всем за комментарии.

Некоторые из них, как и можно было ожидать, к теме прямого отношения не имеют либо содержат явные ошибки, но это не страшно. Например, не хочу комментировать "таблицу 25", приведенную в предыдущем посте, - слишком уж много в ней очевидных нестыковок, видимых даже школьнику. Не в этом суть.

Два комментария, на ммой взгляд, заслуживают достаточно подробного ответа.

1. В чем цель статьи?

Как сказано во введении - в том, чтобы показать принципиальную разницу между совершенствованием устройств и совершенствованием материалов.

Разница эта, на мой взгляд, состоит прежде всего в том, вновь созданное устройство состоит из тех же самых компонентов, из которых оно было произведено, а новый материал - из других компонентов, которые образовались в процессе его производства в результате химических или фазовых (физико-химических) превращений. Если таких превращений произведено не было - значит, и о новом материале говорить нельзя.

А уже факт таких превращений - не всегда и не вполне контролируемых человеком - обуславливает остальные следствия, как-то недостаток сведений о структуре нового материала.

В этой свяязи, понятие "химическая технология" можно определить очень просто - как процесс создания нового полезного материала, сопровождаемый химическими или физико-химическими превращениями. Но для того, чтобы им воспользоваться, придется-таки ответить на вопросы, были при этом осуществлены соответствующие превращения или нет, и создан ли при этом новый полезный материал или нет.

2. Почему фазовые переходы объединены с химическими реакциями?

Потому что и те, и другие являются предметоми изучения науки под названием "физическая химия", которая и является основой прикладной дисциплины под названием "процессы и аппараты химической технологии". Именно физхимия определяет те самые законы, по которым протекают как химические превращения, так и фазовые переходы. Причем законы эти совершенно одинаковые.

Более того, жесткой границы между химической реакцией и фазовым переходом и нет. Например, с точки зрения химии реакция изомеризации (например, CH3-CO-CH3 -> CH3-CH2-CH2OH) ничем не отличается от фазового перехода SiO2 (кварц) -> SiO2 (кристобалит). В обоих случаях из одного вещества образуется другое и при этом изменяются связи между атомами, с сохранением общей формулы ("брутто-формулы") вещества. Просто в одном случае мы называем то, что слева, и то, что справа, "разнымии веществами", а в другом - "разными фазами". Но это условно: и для обычного человека, и для специалиста-геохимика или кристаллографа кварц и кристобалит - как минимум, не менее "разные вещества", чем спирт и ацетон. А для химика-органика последние - вообще-то разные изомеры, которые то ли являются "разными веществами", то ли нет - как посмотреть.

Таким образом, сбъединение химических реакций и фазовых переходов не создает проблему, а, напротив, ее снимает, поскольку, повторяю, с точки зрения химии принципиальной разницы между теми и другими нет, а граница между ними условна.

Наверное, поэтому в курсе тех самых "процессов и аппаратов химической технологии" изучаются в том числе и такие процессы, как испарение, кристаллизация, плавление, и, соответственно, изучаются те аппараты, в которых сии процессы происходят, - например, испарители.

Возможно, это для обычного инженера - "высокие материи". Но что поделать - все-таки, согласитесь, химические процессы лучше рассматривать с точки зрения химика, а не, скажем, радиоинженера. Поэтому мы и попытались рассказать, как ситуация выглядит именно с точки зрения химика, и какие различия химику видны между процессами совершенствования материалов и устройств.

Заранее спасибо за новые комментарии.

Maxine

У вас в 5-ом абзаце небольшая ошибка, посмотрите пожалуйста

Re: Maxine

Изображение пользователя Андрей Трошин.

Довольно странно, что статья мэтров химии и докторов наук содержит просторечье и вульгаризмы (см 5 абзац Введения
)Или это так по-лиговски по-пацански?
Заголовок статьи радует - чтоб хоть прилагательное какое к материалам как-то
-конструкционные материалы
-электро радио матриалы
-текстильные материалы
-нано материалы
-декоративные материалы (обои)
и т. д.

Re: Maxine

Андрей Трошин wrote:
Довольно странно, что статья мэтров химии и докторов наук содержит просторечье и вульгаризмы (см 5 абзац Введения
)Или это так по-лиговски по-пацански?

Чем именно Вас не устроил пятый абзац введения? Вы, надеюсь, понимаете разницу между журналом Королевского академического общества и сайтом для всех желающих.

Quote:
Заголовок статьи радует - чтоб хоть прилагательное какое к материалам как-то
-конструкционные материалы
-электро радио матриалы
-текстильные материалы
-нано материалы
-декоративные материалы (обои)
и т. д.

Андрей, а почему Вы считаете обязательным указывать назначение материала? Что оно в данном случае меняет? На что влияет? Нельзя ли указать на паре конкретных примеров, как изменятся выводы по статье от конкретизации назначения материала?

Заранее благодарен.

Re: Maxine

Изображение пользователя Андрей Трошин.

1 .см выше чем не устроил абзац.
Можно еше и матерка добавить по запросам сайта желающих

2. Никак. Эти выводы можно читать отдельно от статьи - суть не меняется

Subscribe to Comments for "Специфика материала как объекта систематических инноваций"