Основы инновационного материаловедения

Москва
ИНФРА-М
2020

ОСНОВЫ 
ОСНОВЫ 

ИННОВАЦИОННОГО 
ИННОВАЦИОННОГО 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Î.Ñ. ÑÈÐÎÒÊÈÍ 
Î.Ñ. ÑÈÐÎÒÊÈÍ 

ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß
ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß

Сироткин О.С. 
Основы инновационного материаловедения : монография / О.С. 
Сироткин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. – 157 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-009755-8 (print)
ISBN 978-5-16-101164-5 (online)
С опорой на четыре фундаментальные базисные инновации изложены 
современные концептуальные и теоретические положения, раскрывающие 
специфику предмета материаловедения как единой естественной науки о металлах и неметаллах.  В результате впервые показано, что ответ на вопрос 
о единстве природы металлических и неметаллических материалов и специфике их отличий в структуре и свойствах  наиболее точно раскрывается через 
универсальные системы базовых понятий и многоуровневой классификации 
их структур, единую модель химической связи элементов тонкой микроструктуры и Систему химических связей и соединений (СХСС). Рассматривается 
новая универсальная методология проектирования структуры материалов 
с комплексом заданных свойств. 
Монография предназначена для ученых и специалистов материаловедов, 
изучающих и практически опирающихся  при конструировании новых типов 
химических веществ и материалов на теоретическую оценку влияния  специфики их многоуровневой структуры на свойства «различных по природе» видов металлов, неметаллов (полимеров и керамик) или смешанных их типов 
с учетом основных рассматриваемых базисных инноваций. Это имеет особое 
значения для создания как новых конструкционных, так и электротехнических 
материалов, отвечающих современным требованиям тепло- и электроэнергетики, а также промышленности в целом.
УДК 669:621.7 
ББК 30.3 

УДК 669:621.7
ББК 30.3
 
С40

© Сироткин О.С., 2011

С40

Подписано в печать 21.10.2019. Формат 6090/16. Печать цифровая.
Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 9,81. 
ППТ12. Заказ № 00000
ТК 152250-1068797-250311
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Рецензенты: 
заведующий кафедрой технологии электрохимических производств Казанского государственного технологического университета, д-р техн. наук, проф. Кайдриков Р.А.;
заместитель начальника службы металлов и сварки ООО «Энергопрогресс», канд. техн. 
наук Гребенщиков П.Т.

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ISBN 978-5-16-009755-8 (print)
ISBN 978-5-16-101164-5 (online)

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение как традиционно прикладная наука и учебная

дисциплина сегодня неминуемо вступает в новый этап своего развития. Он связан со становлением ее индивидуальных особенностей, 
позволяющих рассматривать ее уже не просто как «механический» 
симбиоз достижений химии, физики, механики и технологии, а как
науку, характеризуемую качественно новой совокупностью признаков, отличающих материаловедение (ее объект и предмет исследования) от каждой из вышеперечисленных дисциплин.  

Целью настоящей монографии как раз и является попытка раскры
тия совокупности этих качественно новых признаков материаловедения, отличающих ее от других естественнонаучных и учебных дисциплин. Это является сегодня теоретически и практически важной задачей материаловедения, так как именно решение проблемы вскрытия
фундаментального единства металлических и неметаллических материалов и различий в их структуре и свойствах и позволит создать
универсальную научно-методологическую опору для конструирования их структуры и получения материалов нового поколения [1-54].  

А для этого необходима опора на ряд базисных научных иннова
ций [8-17,37-40], позволяющих раскрыть единство и индивидуальность материаловедения и далее разработать современную научную
методологию прогнозирования структуры и свойств новых материалов.  Сегодня под просто инновацией понимаются продукты творческого труда, имеющие завершенный вид товара, готового к применению и распространению [5,6]. А под базисными инновациями понимаются такие инновации, в основе которых лежат фундаментальные
научные достижения, позволяющие создавать качественно новые системы и продукты (материалы, технологии, учебники и т.д.) следующих поколений.  К таким инновациям следует отнести создание самолета, персонального компьютера, наноструктурированных материалов
и т.д.  По мнению автора, ярким примером базисной инновации для
своего времени может служить Периодическая система атомов Д.И. 
Менделеева, позволившая спрогнозировать наличие в природе и свойства атомов не известных ученым в тот период времени. Кроме того, 
именно она позволила сегодня понять, что Системы, объединяющие
различные виды веществ и полей, должны иметь место и для других
разновидностей вещества (химического, биологического, элементарного физического и т.д.). Таким образом, базисные научные инновации должны лежать и в основе современных монографий, учебников
и т.д. по конкретным естественнонаучным дисциплинам. 

Решение поставленной задачи автором проведено через вскрытие

фундаментальной общности металлов и неметаллов на уровне базовой электронно-ядерной (химической) тонкой микроструктуры, а
также причин отсутствия в металлах молекул и различий в нано-, ме

зо-, макроструктурных уровнях. И эта разница в структуре и определяет отличие в свойствах и областях применения современных металлических, неметаллических и смешанных (гибридных) типов материалов (металлы, полимеры, керамика, интерметаллиды, полу- и
сверхпроводники и т.д.). Напомним, что железо в чистом виде сегодня
реально не представляет практического интереса как конструкционный материал. Только в виде сплава с углеродом (стали и чугуны) оно
приобретает ценные эксплутационные характеристики конструкционного материала. Но при этом рост прочности определяется появлением и увеличением доли фазы цементита в сплаве, которая по своей
природе является уже неметаллом, так как ковалентность связи Fe-C в
ней превышает металлическую составляющую [15,16,34]. Что сегодня
заставляет нас рассматривать стали и чугуны как композиционные
системы, на основе металлических (феррит и т.д.) и неметаллических
фаз (цементит и графит) или например, перлит (смесь феррита и цементита) и ледебурит (смесь аустенита и цементита). Причем именно
появление в железе неметаллических фаз (типа, цементита) и определяет, рост прочностных характеристик стали и возможность применения ее в качестве важнейшего конструкционного материала. 

В качестве базисных инноваций, определяющих единство и разли
чие структуры и свойств металлов и неметаллов, автор использовал
четыре научных обобщения, полученные и разработанные им или им
вместе с учениками в период с 1991 по настоящее время [10-14,3742,54-57]. Это универсальные системы базовых (основных и вспомогательных) понятий материаловедения [38] и многоуровневой классификации структур материалов [12-14,42,54], единую модель химической связи элементов их тонкой микроструктуры и Систему химических связей и соединений (СХСС) [8-10,13,55-57]. 

Соавторами 3 (раздел 3.1 и подраздел 3.3.3) и 4 глав данной моно
графии является к.х.н., PhD Р.О. Сироткин, 3 главы (подраздел 3.3.5.) 
– к.т.н. П.Б. Шибаев и (подраздел 3.3.3) – к.т.н, А.М. Трубачева. 

Автор выражает благодарность коллегам по возглавляемой им ка
федре «Материаловедение и технологии материалов» КГЭУ и университету в целом за дискуссии, ценные замечания и всестороннюю помощь (оформление рисунков и т.д.) в создании данной работы. Предложения и замечания по представленной работе прошу высылать автору на адрес КГЭУ (кафедра МВТМ). 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, кафедра МВТМ, тел.: 43-36-81 (р), e-mail: 
Oleg_Sirotkin@front.ru.           

Автор

Глава 1. 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В XXI ВЕКЕ

Хорошо поставить вопрос – значит
наполовину решить его

Д.И. Менделеев

Развитие и становление любой научной дисциплины, вклю
чая материаловедение,  всегда протекает через две основных стадии. 
На первой происходит накопление эмпирических фактов, а на второй – их переход в новое качество, позволяющее раскрыть фундаментальность науки и ее отличия от других дисциплин и ее прогнозирующие способности в своей области. Каково же состояние материаловедения сегодня в 21 веке? Попробуем дать ответ на этот вопрос.

1.1. 
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ
РАЗВИТИЯ

Охарактеризуем вначале современные тенденции в развитии ма
териаловедения, которая, как и любая естественная наука, непрерывно развивается, что требует постоянного совершенствования ее
теоретических и прикладных основ.  

Традиционно металлы рассматриваются в этой науке как основ
ной и важнейший тип материалов, что, несомненно, имеет соответствующую историческую и практическую опору [18-22,28]. Однако
требования к набору необходимых сегодня свойств, предъявляемых
современной промышленностью к материалам постоянно растет. 
Причем по ряду этих физико-химических свойств металлы уже
практически достигли своего потолка, а некоторые не могут обеспечить их в принципе (например, эластичность и высокоэластичность, 
соответствующую жаростойкость и жаропрочность, способность
материала к длительной эксплуатации в окислительной среде и при
воздействии механических нагрузок и температур выше 1000 градусов и т.д.). С начала XX века наука предоставила для материаловедов в качестве объекта исследования и применения качественно новый вид материалов – органические синтетические полимеры (типа
полибутадиена, фенолоформальдегидных смол и т.д.) и композиционные системы на их основе. Причем с середины 50 годов прошлого
века объем производства органических полимерных материалов
превысил производство алюминия. На рубеже XXI века мировое
производство органических (углеродных) полимерных материалов
достигло 200 млн. т. в год [7]. При этом понятно, что ввиду низкой
плотности (удельного веса) органических полимеров по сравнению с

металлами, практическое применение первых по объему становится
соизмеримым, с металлическими. Особенно, если дополнительно
учесть материалы на основе неорганических (или точнее безуглеродных) полимеров (типа керамик, неорганических оксидных стекол, связующих, графитовых, асбестовых, слюдяных и др. материалов), построенных на основе полинеорганоэлементооксановых и
других макромолекул [8].  Их производство в конце прошлого века
приблизительно в 100 раз превышало производство органических
полимеров [23]. Причем динамика роста производства только органических (углеродных) полимерных материалов характеризуется
тем, что практически каждое десятилетие в течение последних 30 
лет имеет место удвоение объема выпуска этих полимеров. Одновременно по данным академиков В.А. Легасова, Ю.Д. Третьякова и
других сейчас наступает эра не только полимерных, но и керамических материалов. Основанием справедливости подобного утверждения служат данные свидетельствующие, что при сегодняшнем производстве стали около 1 млрд. т. год запасы железных руд должны
истощиться через 50 лет. Уже сейчас для производства железа используются руды с пониженным содержанием железа в сырой руде
(35-50%) [9,13,58]. Учитывая же практически неисчерпаемую сырьевую базу для получения керамических материалов (Земная кора с ее
огромным многообразием минералов на основе высокомолекулярных соединений со связями Э-О), меньшую энергоемкость и большую экологичность их производства, уникальный диапазон их
свойств (от жаростойких и сверхтвердых до эластичных, от диэлектрических до электро- и сверхпроводящих) и широту областей практического применения этих материалов, трудно не согласиться с выводом о перспективности и необходимости развития керамического
материаловедения. 

Поэтому сегодня целесообразно говорить о комплексном исполь
зовании различных материалов без их противопоставления друг другу. Это утверждение имеет серьезную опору, так как каждый из них
(металл, полимер, керамика и т.д.) имеет свои традиционные области применения (и соответствующие материаловедческие «ниши»). 
Тем более, что новые достижения материаловедческой науки, привели к созданию таких материалов нового поколения (композиционных и наноматериалов, керамических и полимерных проводников и
сверхпроводников, металлических стекол и т.д.), которые обладают
свойствами или их комплексом не присущим традиционным материалам. Чего только стоят керамические материалы, которые можно
ковать или формовать из них изделия литьем или аморфные металлы
и наноматериалы! Ведь по существу это гибридные материалы, сочетающие свойства двух или даже трех традиционных видов материалов (металлов и стекол или керамик, полимеров и металлов). 

Значительный вклад в создание научных основ металловедения

внесли: П.П. Аносов (1799-1851г.г.), установивший зависимость между строением стали и ее свойствами; Д.К. Чернов (1839-1921г.г.), 
открывший полиморфизм и заложивший совместно с С.С. Штейнбергом (1872-1940г.г.) научные основы термической обработки сталей; Н.С. Курнаков (1860-1941г.г.), разработавший методы физикохимического анализа металлов и классификации сложных фаз в металлических сплавах (включая разделение их и химических соединений в целом на дальтониды и бертоллиды); Н.В. Агеев (19031983г.г.), показавший специфику химической природы металлической связи в металлических сплавах и ее влияние на их структуру и
свойства и другие [1,2,4,11,18-20,28]. 

Научные основы высокомолекулярных соединений и полимер
ных материалов на их основе начали закладываться в теории химического строения вещества А.М. Бутлерова (1828-1886 г.г.) и базируются на представлениях о специфике природы полимеров и теории цепного строения макромолекул Г. Штаудингера (1881-1965 г.г), 
в работах по полимерам В.А. Каргина (1907-1969 г.г), В.В. Коршака
(1909-1988 г.г) и многих других ученых [8-10,25,53], включая, элементоорганические (смешанные) [25] и неорганические (безуглеродные) [8,23] полимеры. 

Не смотря на то, что керамика является наиболее древним искус
ственным материалом, полученным человеком (известен более
14000 лет), формирование современных начал теории керамического
материаловедения следует отнести к середине XX века. Именно тогда с помощью рентгеноструктурного анализа удалось показать, что
силикаты не являются ионными кристаллами, а преимущественно
ковалентными соединениями (то есть моно- и макромолекулярными
веществами). Отметим важный вклад кристаллохимической школы
академика Н.В. Белова (1891-1982 г.г) [8,27], показавшего «приспособляемость» силоксановых цепочек к катионам – модификаторам в
структуре силикатов (а по существу их гибкость) и многими другими отечественными и зарубежными учеными. При этом нужно понимать, что химическая природа большинства керамических материалов (на основе оксидов, нитридов, карбидов и других соединений) и неорганических стекол родственна (по природе преимущественно ковалентной связи цепеобразующих элементов) органическим
(углеродным) полимерным материалам. Это связано с тем, что в основе структуры тех и других лежат высокомолекулярные соединения или полимерные трехмерные тела, элементы которых, объеденены в цепи связями со степенями ковалентности более 50%, но с определенной разницей в элементном составе цепей макромолекул
[8]. В органических (углеродных) макромолекулах это, прежде всего, 
гомоядерный состав (карбоцепные и т.д.), а в неорганических (безуглеродных), которые составляют основу многих керамик, неоргани

чических стекол и связующих - обычно гетероядерный состав (полисилоксаны, полифосфороксаны и т.д.). А далее появляется и специфика связей элементов в цепях макромолекул (метало - ковалентная или метало – ионно-ковалентная) и межмолекулярного взаимодействия (прежде всего, ван-дер-ваальсовое и водородное в первых, 
и ионное и водородное во вторых) и их свойств [8,10].  

Таким образом, современные тенденции в развитии материалове
дения характеризуются, прежде всего, накоплением значительного
объема количественной информации о структуре и свойствах, как
традиционных металлических материалов, так и за счет расширения
номенклатуры новых, полученных в последнее время наукой и промышленностью материалов. И, прежде всего, за счет органических и
неорганических полимерных материалов, керамик и композиционных материалов на их основе. И здесь возникает первая проблема – 
отсутствие теоретической базы объединяющей все это многообразие
на единой фундаментальной научной основе. 

Второй проблемой и особенностью, характеризующей сегодняш
ний уровень развития материаловедения, является традиционное
признание факта, что теоретическую основу этой науки составляют
соответствующие разделы физики и химии, хотя при этом до сих пор
утверждается, что «наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем» [18]. Поэтому, следует признать, что сегодня, материаловедение еще не достигло уровня строгой фундаментальной естественной науки, так как в ней отсутствуют два основных признака (критерия) этого: единая теория строения основного
материального объекта ее исследования (в данном случае материала) 
и система, объединяющая на научной основе различные виды металлических и неметаллических материалов. В результате, конкретизация и упорядочение изложения единых теоретических основ материаловедения представляется крайне важной и актуальной задачей
этой учебной дисциплины на современном историческом этапе, позволяющей раскрыть индивидуальность этой важнейшей учебной и
научной дисциплины, показать единство и специфику структуры и
свойств внешне казалось бы, таких различных материалов как металлы, полимеры керамика и т. д. 

И поэтому, материаловедение как традиционно прикладная тех
ническая наука сегодня неминуемо вступает в новый этап своего
развития. Он связан со становлением ее индивидуальных особенностей, позволяющих рассматривать ее уже не просто как «механический» симбиоз достижений химии, физики, механики и технологии, 
а как
науку, характеризуемую качественно новой совокупностью

признаков, отличающих материаловедение (ее объект и предмет исследования) от каждой из вышеперечисленных дисциплин [9-17].  

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что к

началу XXI века имеет место необходимость конкретизации

содержания предмета материаловедения и его основных разделов. Это связано, прежде всего, с соответствующим накоплением
количественной информации в материаловедении и расширением
номенклатуры известных материалов (в первую очередь, за счет органических (углеродных), элементоорганических (смешанных) и
неорганических (безуглеродных) полимеров и материалов на их основе: пластмасс, эластомеров, керамик и т.д.). Кроме того, имеет
место развитие и определенное фундаментальное становление материаловедения как научной и учебной дисциплины, заключающееся в
большей конкретизации его основного объекта (материала) и предмета, а также попытки подведения единых теоретических основ под
металлические и неметаллические материалы. 

Необходимо учитывать и тот факт, что объемы производства по
лимерных и керамических материалов становятся соизмеримыми с
объемами производства традиционных металлических материалов. 
Причем первые находят все большее применение не только в качестве функциональных, но и конструкционных материалов, завоевывая при этом все больше областей практического использования. А
если учесть и широкую гамму материалов нового поколения (типа
композиционных материалов (КМ) на основе всех основных важнейших материалов (металлов, полимеров и керамик), гибридных
материалов и т.д., а также комплекс их эксплуатационных свойств, 
не присущих классическим материалам, то исследование специфики
их структуры и свойств с единых научных позиций становится чрезвычайно важным. Строго говоря «чистые» металлические (например, железо) и неметаллические материалы (например, алмаз или
графит) чаще всего не могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, так как не обладают комплексом соответствующих эксплутационных свойств. Именно поэтому железо в чистом виде не представляет практического интереса как конструкционный материал. Только в виде сплава с углеродом (стали и чугуны) 
оно приобретает ценные эксплутационные характеристики конструкционного материала. Но при этом рост прочности определяется, 
прежде всего, появлением и увеличением доли фазы цементита в
сплаве, которая по своей природе является уже неметаллом, так как
ковалентность связи Fe-C в ней превышает металличность[15,16].  

Опора современного материаловедения на три основных ти
па конструкционных и функциональных материалов (металлы, 
керамика и полимеры) и их симбиоз в виде композиционных
материалов (КМ) или промежуточных между ними соответствующих гибридных соединений и материалов на их основе (типа металлических стекол или аморфных металлов, полупроводников, ситаллов, интерметаллидов и т.д.) может быть в общем
виде представлен (рис.1.) следующим образом: 

Полимеры
Керамика

Рис.1. Основные виды применяемых материалов в единой системе

материаловедения

Из вышерассмотренного следует, что современное материалове
дение, опираясь на ряд основных типов материалов {металлы, органические или неорганические полимеры, керамика и композиционные материалы (композиты) на основе трех перечисленных}, представляет собой комплексную (междисциплинарную) науку и учебную дисциплину. Она основана на симбиозе как минимум четырех
наук: химии, физики, механики и технологии (или производную
дисциплину от этих четырех наук). Вклад каждой из них различен
[13,31]:  

химия это, прежде всего, вклад в теоретическое и практическое

изучение специфики химической структуры (тонкого электронноядерного микроструктурного уровня и т.д.) и свойств конкретных
химических веществ и материалов на их основе; 

физика это - методы исследования структуры в целом и свойств

материалов, моделирование и теоретические обобщения; 

механика это, прежде всего, методы испытаний механических и

деформационных свойств, их оценка и интерпретация; 

технология это - методы изменения – модификации (легирования) 

структуры и свойств уже готовых материалов, а также способы и технологии их переработки в конечные изделия. 

1.2. 
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА
РАЗВИТИЯ

Таким образом, учитывая современные тенденции в развитии ма
териаловедения, основной его целью сегодня является выработка единых универсальных подходов к научному прогнозированию и конструированию структуры и свойств материалов любой природы (ме