Роль хімії в створенні нових матеріалів

План

1. Створення нових матерiалiв – необхiднiсть нашого сьогодення.

2. Металургiя:

а. добування металiв з вторинної сировини;

б. порошкова металургія;

в. безперервне роз¬ливання сталі;

г. плазмовоа металургія;

д. особливо чисті метали.

3. Синтетичні високомолекулярні речовини (полімери):

а. штучні волокна;

б. пластмаси;

в. папір.

4. Кераміка.

5. Напівпровідники.

6. Висновок.

Створення нових матерiалiв – необхiднiсть нашого сьогодення.

Створення нових матеріалів — це істотна необхідність нашого сьогодення. У сучасних технологіях часто застосову¬ють високі тиски, температури й агресивну дію хімічних речовин. Матеріали, які використовуються, зокрема в маши¬нобудуванні, недостатньо стійкі і міцні. Тому обладнання передчасно зношується, потребуючи частих замін та ремонтів. Нових матеріалів вимагають і нові галузі техніки: космічна, атомна тощо. Для практичних потреб необхідні такі мате¬ріали, як метали, полімери, кераміка та композити.

Металургія

З металів найнеобхіднішими і надалі будуть сталі. Загальні тенденції виробництва сталі ви вже знаєте, тому розглянемо його перспективи.

Технічне переоснащення металургійної промисловості по¬в'язане з переходом на виплавляння сталей в конвертерах і електропечах. Це зменшує вигар металу і розширює асор¬тимент вироблених сталей. тримуючим фактором тут може бути дефіцит жаростійких і вогнетривких матеріалів.

Важливим джерелом добування металів є вторинна сиро¬вина. Наприклад, при нинішньому рівні рециркуляції міді її вистачить на 100 років, а якщо його довести до 90 % — то на 300 років. До того ж будівництво малих металургійних за¬водів, що працюють виключно на металоломі, показало їх високу ефективність в експлуатації при добуванні нових спе¬ціальних видів прокату.

Серед різноманітних способів обробки металів особливе місце займає порошкова металургія. Вона полягає у форму¬ванні виробів з металічного порошку з наступним їх нагрі¬ванням до спікання частинок металу. Це перспективний ре¬сурсозберігаючий спосіб. У цьому виробництві виключаються доменний і сталеплавильний процеси, прокатка, обробка ме¬талів різанням, тобто складні енергоємні процеси, екологічно брудні, з великими витратами теплоти і металу.

Підвищення якості металів і виробів з них як один із головних напрямів економії матеріалів базується на легуванні сталей, тобто введенні в сталь тугоплавких металів: ніобію, вольфраму, молібдену та інших для добування більш твердих і тугоплавких сталей. Щоб запобігти виникненню дефіциту цих металів, легування ведуть не 1—2 металами, а комплек¬сом доступних чи більш поширених металів — хрому, нікелю і ванадію. Підвищити жаростійкість сплавів вдається, крім загартування, ультразвуковою обробкою розплавів під час кристалізації. Таким способом досягається підвищення робо¬чої температури лопаток турбін із сплаву нікелю з кобальтом від 880 до 1000 °С.

Все більше впроваджують у металургію безперервне розливання сталі, що не тільки скорочує цикл виробництва, а й підвищує якість відливок. При звичайній відливці заготовок верхня частина злитка, що становить майже чверть усієї відливки, виходить пористою, її треба відрізати і повертати на переплавку. Безперервне розливання звільняє від цієї под¬війної роботи, бо сплав утворюється більш однорідний. У перспективі поєднуватиметься безперервне лиття з вакууму-ванням, лиття і кристалізація в магнітному полі, що вже застосовується для сплавів алюмінію.

Велике майбутнє у застосування плазмової металургії. З фізики ви вже знаєте про плазмовий стан речовини, про властивості і застосування плазми. У металургії під впливом плазми відбувається термічна дисоціація руди, реагуючі ре¬човини швидко утворюють гомогенну систему. Під дією плаз¬ми не тільки інтенсифікується відновлення заліза, а й скоро¬чується металургійний цикл: двостадійний процес (домна, конвертер) стає одностадійним (пряме відновлення), необ¬хідність шихтування й агломерації руди відпадає. Плазмова металургія дає змогу переробляти руди комплексно, а це спосіб розв'язання проблеми безвідхідних виробництв у мета¬лургії.

Як самостійний клас нових матеріалів можна розглядати особливо чисті метали. У них вдалося знизити вміст домішок до 1 • 10-6 — 1 • 10-7 %. До 1925 р. увесь титан у світі мав 0,5 — 5 % домішок, його технологічно не можна було оброб¬ляти. Тепер добуто чистий титан, який кується, витягується в дріт, а при прокатуванні утворюються листи й навіть фольга. Саме добування чистих цирконію і танталу дало можливість запровадити їх у машинобудування й атомну енергетику.

Синтетичні високомолеку¬лярні речовини

Базова роль металів у конструкціях машин зберігається. Але все більше використовують синтетичні високомолеку¬лярні речовини (полімери). Поряд із добре відомими їхніми властивостями: низька густина, стійкість проти агресивного середовища, добрі діелектричні і теплофізичні показники, стійкість проти стирання — за останні роки добуто полімерні матеріали з іншими важливими якостями. Деякі з них мають велику міцність на розрив — до 2000 кг/мм2 і термостійкість до 1000 °С. Головною проблемою полімерів є їх ще явно недостатня довговічність.

Неможливо нині уявити собі економіку і повсякденне жит¬тя без синтетичних каучуків, без хімічних волокон, з яких виготовляють не тільки одяг, а й вироби технічного призна¬чення (капронові деталі, риболовецькі сітки тощо).

Все більше використовуються пластмаси. Це лінолеум для підлоги й плівкові матеріали для стін, санітарно-технічні вироби і тепло- та звукоізоляційні матеріали. А синтетичні смоли й відходи деревообробки впроваджуються у вироб¬ництво деревинно-стружкових і деревинно-волокнистих плит, які використовують для оздоблення приміщень.

Дуже поширеним матеріалом є папір — продукт переробки целюлози. Але такий папір малостійкий проти вологи, соняч¬ного світла, коливань температури. Він швидко висихає, почи¬нає ламатись. Папір руйнують гриби та мікроорганізми, з'їда¬ють багато видів комах.

Хіміки постійно працюють над удосконаленням паперу, підвищенням його міцності. Зокрема, в папір вводять син¬тетичні волокна (лавсан, нітрон, поліпропілен, вінол). Папір з акрилових волокон не боїться розведених соляної, азотної і сірчаної кислот. Його можна використовувати як електро¬ізолятор в агресивних середовищах до температури 130 °С. Папір на основі фторопласту (тефлону) не чутливий до дії кислот і лугів. Дуже міцний і хімічно стійкий папір із нейлонових і поліефірних волокон, з нього виготовляють фільтри для агресивних рідин.

Єдиний недолік паперу із синтетичних волокон, як і інших видів нецелюлозного паперу,— висока його вартість.

Целюлозний папір, що містить 20—30 % графітового во¬локна, проводить електричний струм і в той же час має великий опір. Папір із чистого вуглецю відзначається високою хімічною стійкістю і малою теплопровідністю. Він є основою шаруватих пластиків для виготовлення апаратів, що працю¬ють під високим тиском і при високих температурах, і як упаковка при транспортуванні радіоактивних ізотопів.

Кераміка

Після металів та полімерів третім за значенням матеріалом останнім часом називають кераміку. Це дуже різноманітна група матеріалів, які добувають спіканням порошків природ¬ного і штучного походження. Хоча пружність кераміки обме¬жена, коефіцієнт її термічного розширення змінюється в ши¬роких інтервалах. Серед керамічних матеріалів є ізолятори і надпровідники. Порівняно з металами й полімерами керамічні матеріали стійкіші проти зносу, корозії і радіації. Головним є те, що кераміка доступна й має невичерпні джерела сировини. До керамічних матеріалів відносять карбіди і нітриди силіцію, оксиди алюмінію та магнію тощо. З них виготовляють форми для литва, сопла ракет, турбін, футерують печі тощо. Важ¬ливим технічним завданням є створення керамічних газо¬турбінних, дизельних двигунів і двигунів внутрішнього зго¬ряння різного призначення.

Новими й перспективними матеріалами стають композити. Це неоднорідні (гетерогенні) системи, що мають матрицю (метал, сплав, полімер, кераміка) і наповнювач (порошок, стружка, волокно), які перебувають у фізико-хімічній взає¬модії. Композиційні матеріали міцні і жаростійкі. Так, ком-позит із 80 % сплаву залізо-нікель-кобальт-хром і 20 % нітра¬ту силіцію використовують у теплообмінних апаратах, газових турбінах, ракетних двигунах, бо він жаростійкий (до 1100 °С).

Напівпровідники

Велике майбутнє у напівпровідників, які виготовляють з речовин високої чистоти. Матеріали для радіоелектроніки (силіцій, германій тощо) та атомної енергетики (уран, цир¬коній, берилій, графіт) не повинні містити домішок більше як 1 • 10-4— 1 • 10-5 %.

Величезні споруди, деталі космічних і підводних кораблів, найточніші оптичні прилади неможливо створити без скла. Звичайне, або віконне, скло має чимало вад: легко б'ється, тріскається від незначного перепаду температур. Це не може задовольнити потреби науки, техніки і навіть побуту. Сучасна хімічна технологія створила цілу низку матеріалів зі скла з найрізноманітнішими сферами використання. Розглянемо де¬які приклади.

Введення мінімальних кількостей сполук Феруму (ІІІ), Плюмбуму, Титану і Хрому дало змогу добути скло, яке добре пропускає ультрафіолетові промені.