Новые материалы в химии и возможности их применения
4. Сверхпрочные и термостойкие материалы
5. Материалы с необычными свойствами
6. Оптические материалы
7. Материалы с электрическими свойствами
8. Высокотемпературные сверхпроводники
9. Материалы диссоциации металлоорганических соединений
10. Тонкопленочные материалы для накопителей информации
Материалы - это вещества, из которых изготавливается различная продукция: изделия и устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и д.р. Для каждого вида продукции нужны свои материалы с вполне определенными характеристиками. К свойствам материалов всегда предъявлялись и предъявляются высокие требования.
Современные технологии позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.
При поиске нового материала с заданными свойствами важно установить его состав и структуру, а также обеспечить условия для управления ими.
В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течением времени их число постоянно возрастает.
Многие конструкционные элементы современных самолетов изготовлены из композиционных полимерных материалов. Одни из таких материалов - кевлар по важному показателю - отношению прочность/масса - превосходит многие материалы, в том числе и самую высококачественную сталь.
1. Полимерные материалы
полимер синтетическая ткань
Пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы могут содержать наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Иногда употребляются другие названия пластмасс - пластики, пластические массы.
Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул - мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариаций и комбинации которых позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами. Основные процессы образования макромолекул - полимеризация и поликонденсация.
Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС - полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрат (А), бутадиен (Б) и стирол (С). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй - сопротивление удару и третий - твердость и легкость термопластической обработки. Основное значение данных полимеров - замена металлов в различных конструкциях.
Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200 - 400 градусов. Главные потребители термостойких пластмасс - авиационная и ракетная техника.
2. Синтетические ткани
С начала ХХ в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из 4 видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров.
Объем производства синтетических материалов для изготовителя одежды определяется потребительским спросом, в котором за последние годы наметилась тенденция к снижению. В связи с этим одна из важнейших задач химиков - приблизить по свойствам и качеству искусственные материалы к естественным.
Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше.
Появились и пустотелые волокна. Они лучше противостоят холоду. Если такое волокно в сечении не круглое, а овальное, то ткань из него легче удаляет с кожи пот.
Одна из разновидностей синтетики - кевлар. Он в 5 раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для изготовления пуленепробиваемых курток. Излюбленный материал модельеров - эластик - удобен не только в спортивной одежде, но и повседневных костюмах. Существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет. Одежда из нее - хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице.
Оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань или пенопласт - массу.
Современные ткани часто состоят из несколько слоев, например, из металлической фольги, пряжи и волокна, удаляющие пот.
Новейшие ткани открыли дорогу современной технологии изготовления одежды.
3. Замена материалов
На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в 2 случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал - заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам - заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы.
Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления. Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: одна тонна пластмасс в машиностроении экономит 5 - 6 тонн металлов. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки, повышается производительность труда на 300-1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс - на 90-95%.
Замена древесины началась в первой половине 20 века. Прежде всего, появилась фанера, а позднее - древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т.п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.
В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.
4. Сверхпрочные и термостойкие материалы
Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. Последнее десятилетие создана естественно - научная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Например, сталь, содержащая 18 % никеля, 8% кобальта и 3 - 5% молибдена, отличается высокой прочностью - отношение прочности к плотности для нее в несколько раз больше, чем для некоторых алюминиевых и титановых сплавов. Преимущественная область ее применения - авиационная и ракетная техника.
Продолжается поиск новых высокопрочных алюминиевых сплавов. Плотность их сравнительно не велика и применяются они при относительно не высоких температурах - примерно до 320 градусов. Для высокотемпературных условий подходят титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью.
Идет дальнейшее развитие порошковой металлургии. Прессование металлических и других порошков - один из перспективных способов повышения прочности и улучшения других свойств прессуемых материалов.
В последние десятилетие большое внимание уделяется разработке композиционных материалов, т.е. материалов, состоящих из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа, в которой распределены усиливающие элементы: волокна, частицы и т.п. Композиты могут включать стекло, металл, дерево, искусственные вещества, в том числе и пластмассы. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получить разнообразные композиционные материалы.
При комбинировании поли - и монокристаллических нитей с полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают, стали, но легче ее в 4 - 5 раз.
Материалом будущего станет такой, который будет не только сверхпрочным, но и стойким при длительном воздействии агрессивной среды.
Создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий.
К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов. К ним относятся: имплантация ионов, на какой - либо поверхности; плазменный синтез; плавление и кристаллизация в отсутствии гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и др.
С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния и силицид вольфрама - термостойкие материала для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходным электроизолирующим свойствами даже при небольшой толщине слоя-менее 0,2мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Данные материалы в виде тонкой пленки напыляются на элементы интегральных схем. Напыление производится методом плазменного осаждения на менее термостойкую подложку без заметного изменения ее свойств.
Представляет практический интерес способ получения новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Данный способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму заданной конфигурации с последующим нагреванием, при котором полимер превращается в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния.
Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.
5. Материалы с необычными свойствами
Нитинол представляет собой никель - титановый сплав, обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом, или металлом, обладающим памятью. Нитинол способен сохранять первоначальную форму даже после холодного формирования и термической обработки. Для него характерны сверх - и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.
Поначалу нитиноловые изделия служили преимуществом для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен.
Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалость собрать лет шесть назад в космосе. Монтаж сравнительно длинной мачты для крепления двигателя традиционными методами потребовал бы длительного пребывания космонавтов в космосе, что могло подвергнуть его чрезмерному космическому облучению. Нитиловые муфты позволили быстро и легко собрать 14-метровую мачту.
Наибольшую пользу, может принести применение нитиноловых муфт не для решения разовых космических и узко направленных военных задач, а для народнохозяйственных целей. Это газопроводы, нефтепроводы, бензопроводы, водопроводы. Газо-, нефте - и бензопроводы, заполненные легковоспламеняющимися соответственно газом, нефтью и бензином, представляют повышенную пожароопасность, в связи, с чем при ремонте нельзя применять их сварку, и все восстановительные работы приходится выполнять с помощью резьбовых соединений и крепежного материала. Данная задача гораздо упрощается с применением коррозионностойких нитиноловых муфт, которые срабатывают при пропускании через них относительно небольшого тока, при этом не требуется открытого огня.
Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные части костей. Благодаря памяти формы нитиловая 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.
Вне всякого сомнения, нитинол - перспективный материал, и в ближайшем будущем станут, известны многие другие примеры успешного его применения.
Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств, связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидкого кристалла от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т.п.). Сегодня на мировом рынке дисплейных технологий жидкокристаллические устройства уступают разве что кинескопам, а по экономичности потребления энергии в дисплеях с относительно небольшой площадью экрана они не имеют конкурентов.
Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественной упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Такое вещество обладает текучестью как жидкость, и кристаллическая упорядоченность молекул подтверждается его оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические.
Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - реализации данных структур при синтезе полимеров. Молекулярная упорядоченность, характерная для нематических жидких кристаллов. Именно такой принцип лежит в основе производства искусственных волокон с исключительно высоким пределом прочности на растяжение, которые могут заменить материалы для изготовления фюзеляжей самолетов, бронежилетов и т.п.
6. Оптические материалы
На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.
Совершенствование технологий изготовление кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. В отличие от обычных стекол, состоящих из смеси оксидов металлов, фторидные стекла - это смесь фторидов металлов.
Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи большого объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение и т.п. с успехом пользуются волоконно-оптической связью.
Современная химическая технология сыграла важную роль не только в разработке новых оптических материалов - оптических волокон, но и в создании материалов для оптических устройств для переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия.
Экспериментальные исследования показывают, что органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойства, чем ниобат лития и является весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.
7. Материалы с электрическими свойствами
В начале такими материалами служили преимущественно монокристаллы кремния и германия с содержанием в них относительно небольшой концентрации примесей. Через некоторое время в центре внимания разработчиков оказались монокристаллы арсенида гелия, выращенные на подложках из монокристаллического фосфида индия. Современная технология позволяет получить несколько слоев арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Из арсенид - галлиевых материалов изготавливают рабочие узлы лазеров и лазерных дисплейных устройств, применяемых в длинноволновых оптических линиях связи.
В процессе разработке новых полупроводниковых материалов были неожиданно открыты полупроводниковые свойства аморфного (некристаллического) кремния.
К настоящему времени открыты совершенно новые группы материалов, обладающих электрической проводимостью. Физические свойства их в значительной степени зависят от локальной структуры и молекулярной связей. Некоторые из таких материалов относятся к неорганическим, другие - к органическим соединениям.
В полимерных проводниках большие плоские молекулы служат элементами проводящего столбика и образуют металломакроциклы, соединяющиеся друг с другом посредством ковалентно связанных атомов кислорода. Такая химическая сконструированная молекула обладает электрической проводимостью, и это - настоящая сенсация. Атомы металла и окружающей его в плоском макроцикле группы можно заменить и модифицировать различными способами. В результате можно получит полимер с заданными электропроводящими свойствами.
Технология изготовления полимерных проводников уже освоена, и число разновидностей таких проводников становится все больше. Под воздействием определенных регентов полипарафенилен, парафениленсульфид, полипиррол и другие полимеры приобретают электропроводящие свойства.
В некоторых твердых материалах с ионной подвижной структурой подвижность ионов сравнивается с подвижностью ионов в жидкости. Подобные материалы используются в устройствах памяти, дисплеях, датчиках, а также в качестве электролитов и электродов в батареях.
При создании современной микроэлектронной технике и высокочувствительной аппаратуры используются разнообразные материалы с анизотропными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Такими свойствами обладают ионные кристаллы, органические молекулярные кристаллы, полупроводниковые и многие другие материалы.
Современная технология позволяет получить материал в виде стекла, но не с диэлектрическими свойствами, а с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Такая технология основана на быстром замораживании жидкости, конденсации газовой фазы на очень холодную поверхность или имплантации ионов на поверхность твердого вещества.
Таким образом, с применением современных технологий можно получит новые материалы с необычным комплексом свойств.
8. Высокотемпературные сверхпроводники
Сверхпроводники - это вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической.
Сверхпроводящим свойством обладают многие вещества: около половины металлов (например, никель-титановый сплав с критической температурой 9,8 К), несколько сотен сплавов и интерметаллические соединения.
Сверхпроводимость обнаружена ив полимерных веществах. Все это свидетельствует о том, что сверхпроводящим свойством обладают многие минералы, но их критическая температура долгое время оставалась сравнительно низкой.
В конце 1986г. было сделано важное открытие: обнаружено, что некоторые твердые соединения на основе меди и кислорода переходят в сверхпроводимое состояние при температуре выше 90К. Данное явление называется высокотемпературной сверхпроводимостью.
Применение хладагенов, даже таких, как жидкий ксенон, неизбежно приводит к усложнению конструкций, включающих сверхпроводящие материалы. В этом заключается одна из причин сдерживания широкого внедрения высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
Высокотемпературная проводимость, открытая свыше десяти лет назад, обещала массу заманчивых перспектив как в области фундаментальной науке, так и в решении чисто технических задач. Усилия ведущих исследователей мира были направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Исследования продолжаются, ни одно из них пока не смогло решить проблему сверхпроводимости в целом, но каждое помогает понять ее. Обнаружено немало важного и интересного в кристаллической структуре вещества.
9. Материалы диссоциации металлоорганических соединений
Результаты экспериментальных исследований последнего времени показали, что при термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К таким металлоорганическим соединениям относятся:
- карбонилы - W(СО). Мо(СО). Fe(СО). Ni (CO) ,
Данным соединениям в газообразном состоянии присуще высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100-150С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.
Высоко дисперсные порошки состоят из частиц малых размеров - до 1 - 3 мкм и используются для производства металлокерамики - композиции металла с оксидами, нитридами, боридами, получаемых методом порошковой металлургии.
Металлические викселя представляют собой нитевидные кристаллы диаметром 0,5 - 2,0мкм и длиной 5 - 50 мкм. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.
Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света данный материал приближается к серебру.
Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлоорганических соединений в поры любого материала. Таким способом формируется ячеистая металлическая структура.
10. Тонкопленочные материалы для накопителей информации
Любая электронно - вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации.
Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствовании технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз.
Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала.
Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукции насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например, пермаллоя.
Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации.
1. С.Х. Карпенков. Концепции современного естествознания. Москва. 2001г.
2. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - Высшая школа, 1985. - 357 с.
3. Фурмер И.Э. Общая химическая технология. - М. Высшая школа, 1987. - 334 с.
4. Лахтин Ю.М. Леонтьева В.П. Материаловедение. -- М. Машиностроение, 1990
Размещено на Allbest.ru
Больше информации по теме: http://knowledge.allbest.ru
