Шилэн материалыг хүн төрөлхтөн хэдэн мянган жилийн өмнөөс ашиглаж ирсэн байна. Хамгийн эртний шилэн эдлэл МЭӨ 1450 оны үеийнх байдаг бөгөөд эртний Египтэд хоол хүнс, ундаагаа хадгалдаг шилэн савнуудыг ашиглаж байсан байна. Тэгвэл барилгын салбарт Ромын эзэнт гүрний үеээс эхлэн цонхонд хэрэглэж байсан баримтууд олджээ.

Зураг 1. Ромын эзэнт гүрний үеийн цонхны шилний олдворууд

11 дүгээр зууны үед Италийн Венец хот нь шилэн гар урлалын төв болж байжээ.

 Зураг 2. Эртний шилэн эдлэлүүд

Харин аж үйлдвэржилтийн эрин үе буюу 19 дүгээр зууны эхэн үеээс эхлэн шил хэмээх тусгай материалд анхаарлаа хандуулж эхэлсэн байна. Эрт дээр үед хэрэглэж байсан түүхий эдийн найрлагыг өнөө хэр нь ашиглаж байгаа билээ. Түүхий эдийн химийн найрлагыг өөрчлөх, хайлмал шилэнд төрөл бүрийн нэмэлт хийж өнгө, хатуулгийн зэрэг, дулааны болон химийн эсэргүүцэл, түүнчлэн хугарлын индекс эсвэл оптик тунгалаг байдал зэргийг зорилтот байдлаар өөрчилж болно. Зөвхөн оптик хэрэглээний хувьд - камер, нүдний шил, лазер, толин систем эсвэл микроскоп гэх мэт онцлог шинж чанар бүхий хэдэн зуун төрлийн шил байдаг.

Шилийг дотор нь органикба органик бус гэж ангилна. Органик бус шилийг энгийн, галогены, халькогены, оксидын, металлын, сульфатын, карбонатын гэх мэт ангилдаг ба шилийг үүсгэгч оксидоор нь силикатын, боратын, фосфатын гэх мэт нэрлэдэг. Үйлдвэрийн аргаар гаргадаг шилнүүд нь таваас доошгүй тооны компонентыг агуулах ба үйлдвэрт иххэмжээгээр силикатын шилийг гаргаж байна.

Силикатын шилийг гарган авахад элс, шохой, доломит ба шохойн чулуу, сод, пегматит ба хээрийнжонш зэргийг түүхий эдээр ашигладаг байна. Түүхий эдийг тодорхой харьцаагаархолиод хайлуулах ваннанд хийж хайлмаг байдалтай хольцыг 1600°С-ийн температур хүртэл халааж гаргаж авчхэвлээд хөргөж шилэн эдлэлийг үйлдвэрлэдэг.

20 дугаар зуундшил хэвлэх дараах технологиуд зонхилж байсан байна. Үүнд:

-      Шилнийхайлмал массыг сунгаж хэвлэх буюу нэгэн зүгт чиглэсэн татах механизмыннөлөөгөөр хэвлэх;

-      Шилийгэлдэж хэвлэх буюу тусгай зориулалтын булны тусламжтайгаар шилэн массыг шахажхэвлэх;

-      Флоатарга буюу битүү ваннанд улайтгасан металлын гадаргууд шилэн массыг чөлөөтэйгээрурсган хэвлэх;

-      Тусгайметалл хэвэнд хайлмал шилэн массаа хийгээд прессээр шахаж хэвлэх;

-      Шилийгүлээж хэвлэх буюу үлээх хоолойн тусламжтайгаар үлээх эсвэл тусгай хэвэндтааруулан хэвлэх зэрэг орно.

Барилгадашигладаг хавтгай шилийг эхний 3 аргаар хэвлэдэг. Тэгвэл орчин үед мөн 3D аргааршилэн эдлэлийг хэвлэж эхэлсэн байна. Шилэн эдлэлийг 3D аргаар хэвлэснээр янзбүрийн нарийн төвөгтэй хэлбэр дүрс бүхий шилэн эдлэл, бүтээц гарган авах боломжбүрджээ.

Эхэн үедээ 3D аргаар хэвлэхдээ шилийг нунтаг хэлбэрээр эсвэл хайлмагийгхэвлэж байсан боловч эдгээр нь сүвэрхэг бөгөөд тунгалаг бус байсан байна.

АНУ-ын Массачусетсийн технологийн дээд сургуулийн эрдэмтэн Нэри Оксман батүүний хамтран ажиллагсад тунгалаг шилийг хамгийн анх 3D аргаар хэвлэжээ.Гэхдээ мөн шилний хайлмагийг үе үеээр нь давхарлан хэвлэсэн боловч ахуйнхэрэглээний эдлэлийг л гарган авсан байна. 

ХБНГУ-ын Фрайбургийн их сургуулийн судлаачид маш нарийн нунтагласан шилнийүйрмэгийг шингэн полимер материалтай зуурч тасалгааны температурт 3D аргаархэвлэх боломжтой массыг гарган авчээ. Энэхүү материалыг нийлэг давирхайнадилаар ердийн 3D принтерээр дурын хэлбэр дүрсэнд оруулах боломжтой аж. 

Зураг 3. 3D аргаар хэвлэсэн шилэн эдлэл

Зураг 4. 3D аргаар хэвлэсэн эрэг боолт ба төвөгтэй хэлбэрдүрс бүхий эдлэлүүд

Тус материалыг хэвлэхийн тулд кварц-полимерийн нанокомпозит хольцыг хэтягаан туяагаар үйлчилсэн байна. Ингэхэд хэт ягаан туяаны үйлчилсэн хэсэгтхимийн урвал явагдаж материал бэхжиж эхэлжээ.

Зураг 5. 3D аргаар шилэнэдлэл хэвлэх технологи

Үүний дараа хэвлэжбэхэжсэн эдлэлийг зууханд хийж халаахад 600°С-ийн температурт композит материалын полимер ньзадарч 1300°С-ийн температурт шил үүсжээ.

Үүний үр дүнд маштунгалаг кварцын шилэн эдлэл гарган авсан аж. Түүхий эдийн шинж чанарыгөөрчилснөөр кварцын шилний хайлмагжих температураас хамаагүй нам температуртшил үүсэх процесс нь явагдсан байна.

Энэхүү аргыгашиглан техникийн тусгай шилэн эдлэл гарган авах бүрэн боломжтой. Үүний нэг тоджишээ нь хүний үсний хэмжээний нимгэн шил гарган авсан төдийгүй түүнийг хуйлахболомжтой ажээ.

Зураг 6. Уян налархай шинж чанартай шил

Ингэснээр ухаалаг утасны уян дэлгэц хийх зэрэгт ашиглаж байгаа нь хүн төрөлхтөний хамгийн эртний материалуудын нэгийг 21 дүгээр зууны шинэ материал болгосон байна.

Тэгвэл барилгын салбарт мөн шилэн бүтээц эдлэлийн хэрэглээ мөн өсөн нэмэгдэж байна. 

Шилний шахалтын бат бэх маш өндөр ба гантай харьцуулах боломжтой. Харин уян налархай чанаргүйтул хугаралтын бат бэх багатай. Иймээс шилийг барилгын бүтээц эдлэл болгон ашиглахадямар хэлбэртэй байх вэ гэдэг асуудлыг ХБНГУ-ын Ш тутгартын их сургуулийн архитекторын ангийн оюутнуудад тавьсан байна. Мэдээж нимгэн хавтгай хэлбэртэй шилийг даацын элементээр ашиглах боломжгүй. Иймээс шилэн хоолойг даацын элементээр ашиглах туршилтууд хийгдэж эхэлжээ. 

Зураг 7. Шилэн хоолойгоор хийсэн бүтээц

Үүний тулд Шотт-шилний үйлдвэртэй хамтран ажилласан бөгөөд тус шилний үйлдвэр нь 400мм-ийн диаметртэй, 0.1-20 мм-ийн зузаан ханатай борын силикатан шилэн хоолойнуудыг үйлдвэрлэн ашиглажээ. Туршилтын үр дүнд эдгээр хоолойнууд 400 Н/мм² даралтын хүчийг даах чадвартайг тогтоосон байна. Өөрөөр хэлбэл 200 мм-ийн диаметртэй 9 мм-ийн зузаантай шилэн хоолой (шүргэлцэлийн талбай 5.400 мм²) нь ойролцоогоор 32.5 т ачаа даах чадвартай гэсэн үг юм.

Зураг 8. Лондон хотын Усан цамхаг нэртэй барилгын фассаданд шилэн хоолойг тулгуур болгон ашигласан байдал

Мэдээж хэрэг шилэн тулгуур нь уламжлалт ган, мод эсвэл бетонон тулгуурыг бүрэн орлохгүй. Гэхдээ хуучин материалыг шинэ зорилгоор ашиглах боломжийг архитекторуудад олгож байна.

Г.Саран, ШУТИС-ийн Материал судлалын төвийн захирал, доктор (Ph.D), дэд профессор

Р.Долгоржав, ШУТИС, Хэрэглээний шинжлэх ухааны сургуулийн ХИС-ын багш, МУ-ын мэргэшсэн инженер