Исследования химии в 20-21 веках

Материал будущего должен быть не только сверхпрочным, но и стойким при длительном воздействии агрессивной среды.

6.2 Материалы, содержащие редкие металлы

Названия «редкие металлы», «редкие элементы», «редкоземельные элементы» не совсем удачны - их содержание в земной коре в среднем сопоставимо или даже выше, чем содержание большинства широко используемых металлов. Таких редких ме

таллов, как скандий, церий, лантан, литий, иттрий, ниобий, галлий, в земной коре содержится примерно столько же, сколько хрома, цинка, никеля, меди и свинца, а стронция, циркония, рубидия - гораздо больше. Редкие металлы находятся на вершине пирамиды распространенности химических элементов в поверхностном слое земной коры. Долгое время не находившие широкого применения они сегодня оказались на острие передовых технологий производства современных перспективных материалов. С их применением связаны новые области промышленности, науки и техники: гелиоэнергетика, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, компьютеры и т. п.

Приведем примеры практического применения материалов, содержащих редкие металлы. Низколегированные стали, в состав которых входит всего 0,03 - 0,07 % ниобия и 0,01 - 0,1 % ванадия, позволяют на 30 - 40 % снизить массу металлических конструкций мостов и многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, бурильного оборудования и т.п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2 - 3 раза. Сверхпроводящие материалы на основе ниобия используются в поездах на воздушной подушке, развивающих скорость 577 км/ч. В современном легковом автомобиле многие детали выполнены из стали с ниобием и ванадием, медно-берилловых сплавов и сплавов с цирконием и иттрием, что позволило уменьшить массу автомобиля примерно в 1,5 раза. Разрабатываются электромобили с литиевыми аккумуляторами, на водородном топливе с нитридом лантана и др. Производятся топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, с КПД до 65%. С применением осветительных ламп с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий, расход электроэнергии на освещение снижается в 2 - 3 раза. Арсенид галлия используется в производстве фотоэлементов, интегральных схем и т.п. Применение редкоземельных материалов при крекинге нефти позволяет снизить потребление дорогостоящей платины и увеличить на 15% выход высокооктанового бензина. Иттрий способен резко увеличить электропроводность алюминиевого провода и прочность новых керамических конструкционных материалов. Совсем недавно обнаружилось необычное свойство редкоземельных металлов - при их внесении в почву на 5 - 10% повышается урожай сельскохозяйственных культур: риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, хлопка, фруктов и др. Потребление редких металлов быстро растет. Например, в Японии за период 1960-1985 гг. оно возросло в 10 - 25 раз.

Результаты исследований показывают, что ископаемое углеводородное сырье содержит промышленно ценные количества иттрия, лантанидов, ванадия и других редких металлов, стоимость которых соизмерима со стоимостью самого сырья. Например, в татарской нефти содержится до 700 г/т ванадия, который является ценным, но и весьма токсичным веществом. При извлечении его из нефти решаются одновременно две задачи: добывается нужный для многих целей металл и предотвращается загрязнение окружающей среды.

Некоторые специалисты убеждены: редкие металлы - будущее новой техники. На пороге тысячелетий современная цивилизация переходит из железного века в новый - век легких и надежных материалов, содержащих редкие металлы.

6.3 Термостойкие материалы

Повышение скорости химических процессов и эффективности работы многих аппаратов, двигателей и т.п. достигается при высокой температуре, поэтому создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий и машиностроения.

К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов: имплантация ионов, плазменный синтез, плавление и кристаллизация в отсутствие гравитации, напыление на поликристаллические и аморфные поверхности и др. Для изменения локальных химических и физических свойств материалов применяется лазерная технология. Сфокусированный луч мощного импульсного лазера способен кратковременно создавать чрезвычайно высокую локальную температуру - вплоть до 10000 К. В точке фокусировки лазерного луча изменяются физические и химические свойства поверхностного слоя.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния Si3N4 и силицид вольфрама WSi2 - термостойкие материалы для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходными электроизолирующими свойствами даже при небольшой толщине слоя - менее 0,2 мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Из этих материалов напыляются тонкопленочные элементы интегральных схем.

Представляет практический интерес способ синтеза новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Этот способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму с последующим превращением его в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния. Современные графитоволокнистые материалы способны выдерживать температуру до 2000 °С. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.[5]

6.3.1 Нитинол

Нитинол представляет собой никель - титановый сплав (55% Ti, 45% Ni), обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом. Такое свойство нитинола сохраняется даже после его холодного формования и термической обработки. Для него характерны сверх- и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Вначале нитиноловые изделия служили преимущественно для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен. Соединение производилось муфтой, свободно надевавшейся на концы соединяемых трубок. После пропускания электрического тока муфту нагревали примерно на 30 °С, после чего она, охлаждаясь, принимала первоначальную форму с меньшим диаметром, плотно прилегая к концам трубок. Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалось собрать в космосе при корректировке орбиты станции «Мир».

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные кости. Благодаря памяти формы нитиноловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека. При внедрении нитиноловых деталей происходит более эффективное заживление ран - ведь помимо замечательных механических свойств нитинол еще и биологически инертен.

Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо-, нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.

 Скачать реферат