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 розливання 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 застосовують високі тиски, температури й
агресивну дію хімічних речовин. Матеріали, які використовуються, зокрема в
машинобудуванні, 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 матеріали, 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 пов'язане з
переходом на виплавляння сталей в конвертерах і електропечах. Це зменшує
вигар металу і розширює асортимент вироблених сталей. тримуючим фактором
тут може бути дефіцит жаростійких і вогнетривких матеріалів.
Важливим джерелом добування металів є вторинна сировина. 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 заводів, що працюють виключно на металоломі, показало їх
високу ефективність в експлуатації при добуванні нових спеціальних видів
прокату.
Серед різноманітних способів обробки металів особливе місце займає
порошкова металургія. Вона полягає у формуванні виробів з металічного
порошку з наступним їх нагріванням до спікання частинок металу. Це
перспективний ресурсозберігаючий спосіб. У цьому виробництві виключаються
доменний і сталеплавильний процеси, прокатка, обробка металів 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 комплексом 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 робочої
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 подвійної 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 речовини швидко утворюють гомогенну систему. Під дією плазми не
тільки інтенсифікується відновлення заліза, а й скорочується металургійний
цикл: двостадійний процес (домна, конвертер) стає одностадійним (пряме
відновлення), необхідність шихтування й агломерації руди відпадає. Плазмова
металургія дає змогу переробляти руди комплексно, а це спосіб розв'язання
проблеми безвідхідних виробництв у металургії.
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 обробляти. 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 високомолекулярні речовини
Базова роль металів у конструкціях машин зберігається. Але все більше
використовують синтетичні високомолекулярні 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 життя без
синтетичних каучуків, без хімічних волокон, з яких виготовляють не тільки
одяг, а й вироби технічного призначення (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 виробництво 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, сонячного світла, коливань
температури. Він швидко висихає, починає ламатись. Папір руйнують гриби та
мікроорганізми, з'їдають багато видів комах.
Хіміки постійно працюють над удосконаленням паперу, підвищенням його
міцності. Зокрема, в папір вводять синтетичні волокна (лавсан, нітрон,
поліпропілен, вінол). Папір з акрилових волокон не боїться розведених
соляної, азотної і сірчаної кислот. Його можна використовувати як
електроізолятор 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 волокна, 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 працюють 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 природного і штучного походження. Хоча
пружність кераміки обмежена, коефіцієнт її термічного розширення змінюється
в широких 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.
Важливим технічним завданням є створення керамічних газотурбінних,
дизельних двигунів і двигунів внутрішнього згоряння 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
взаємодії. Композиційні матеріали міцні і жаростійкі. Так, ком-позит із 80
% сплаву залізо-нікель-кобальт-хром і 20 % нітрату 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, цирконій, 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 деякі приклади.
Введення мінімальних кількостей сполук Феруму (ІІІ), Плюмбуму, Титану і
Хрому дало змогу добути скло, яке добре пропускає ультрафіолетові промені.
Тому його використовують у будівництві соляріїв, зимових садів, плавальних
басейнів. А скло з підвищеним вмістом сполук металів затримує
ультрафіолетові промені. Так, сполуки Феруму(II) надають склу властивості
затримувати теплові й інфрачервоні промені і тому в приміщеннях з таким
склом завжди прохолодно.
Скло, яке містить підвищену кількість важких металів, непрозоре для
радіації, тому годиться для виготовлення оглядових віконець у «гарячих
зонах» атомних реакторів.
При загартуванні скла вдалося добути дуже міцний матеріал. У нашій
державі його називають сталініт. Він пружний, як стальна пружина, лист
сталініту витримує удар чавунної кульки масою в 1 кг з метрової висоти, яка
відскакує від його поверхні, як від кам'яної плити. Багатошарове скло,
виготовлене з тонких (0,05 мм) листів скла (50 і більше листів) за
допомогою спеціального клею, стійке проти ударів куль, мікрометеоритів,
глибинних та космічних тисків, різних перепадів температур.
Особливої уваги заслуговують склокристалічні матеріали, добуті
введенням у розплавлене скло каталізаторів, головним чином ТіО2, які
викликають утворення центрів кристалізації. Такі частково закристалізовані
стекла назвали ситалами. Деякі види ситалів добувають на основі
металургійних або паливних шлаків (шлакоситали). Це міцні, хімічно і
термічно стійкі матеріали з малим тепловим розширенням, добрі діелектрики,
деякі їхні кращі зразки міцніші високовуглецевої сталі. Нині властивості
таких матеріалів інтенсивно вивчають ся, вони мають великі перспективи
використання в будівництві, хімічній промисловості, оптиці і навіть у
авіації.
Порівняно новими матеріалами є склопластики, які добувають із скломаси
і смол. Цей моноліт в 3—4 рази міцніший за звичайну сталь, в 4 рази легший
за неї, не піддається корозії. З нього виготовляють вагони, корпуси
кораблів і навiть ракети.
Висновок
Для здійснення кожного хіміко-технологічного процесу потрібна
апаратура, виготовлена з таких матеріалів, які здатні опиратися різним
агресивним впливам, у тім числі хімічним, механічним, термічним,
електричним, часом і радіаційним та біологічним.
Хімія робить суттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів:
металічних і неметалічних. Серед металічних матеріалів найчастіше
використовуються сплави на основі заліза — чавун і сталь, на основі міді —
латунь і бронза, на основі алюмінію, магнію, нікелю, ніобію,
титану,танталу, цирконію та інших металів. З металічних сплавів
виготовляються теплообмінники, ємкості, мішалки, трубопроводи, контактні
апарати, колони та інші апарати.
Для поліпшення якості металічних матеріалів використовують порошкову
металургію. Вона включає процеси виробництва металічних порошків і спікання
з них виробів. Сучасна порошкова металургія займається, по-перше,
створенням матеріалів і виробів з такими характеристиками (склад,
структура, властивості), яких досі неможливо досягти відомими методами
плавки; по-друге, виготовленням традиційних матеріалів і виробів, але за
вигідніших техніко-економічних показників виробництва.
У розробці теоретичних основ найважливіших процесів порошкової
металургії провідне місце посідає Інститут проблем матеріалознавства НАН
України. Перший в Україні (і в колишньому СРСР) завод порошкової металургії
став до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р.
Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на
основі фенолформальдегідних смол, полівінілхлориду, поліетилену і
фторопластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, виявляють високу
стійкість до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкість
до стирання, добрі діелектричні й теплоізоляційні властивості. Окрім цього,
важливе значення мають каучуки та різні матеріали на їх основі —
бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.
До групи неметалічних матеріалів належать і такі традиційні матеріали,
як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, які знаходять
дедалі нове і нове використання.
Останнім часом вимоги до матеріалів неухильно зростають. Це пояснюється
тим, що значно ширше застосовуються тепер екстремальні впливи — надвисокі й
наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі
випромінювання, ферменти. З огляду на це зростає також роль хімії у
створенні нових матеріалів, здатних опиратися цим впливам.Особливе місце
серед нових матеріалів посідають композити.
Композиційні матеріали, що складаються зпластичної основи (матриці) та
наповнювача,називаються композитами.
Серед композитів виділяють кермети (кераміко-металічні матеріали),
норпласти (наповнені органічні полімери) і піни (газонаповнені матеріали).
Як основу (матрицю) використовують метали і сплави, полімери, кераміку.
Наповнювачі, що застосовуються, особливо для композитів на основі пластмас,
значно різноманітніші. Від них залежить міцність і жорсткість композитів.
В Україні започатковані принципово нові методи добування композитів,
наприклад на основі боридів металів (відновлення оксидів металів бором у
вакуумі та карбідом бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу
й силіцію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів силіціємтощо.
Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в'язкістю, міцністю від
утоми тощо — композити значно перевищують традиційні матеріали, завдяки
чому потреби суспільства в них і взагалі у нових матеріалах безперервно
зростають. На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим
пояснюється той факт, що головними споживачами композитів поки що є
авіаційна і космічна промисловості.
Як бачимо, роль хiмiї у створеннi рiзноманiтних матерiалiв, з яких ми
розглянули лише деякi, дуже велика.
Список використаної літератури:
1. Н.Н. Чайченко. Основи загальної Хімії. Київ. “Освіта” 1998.
2. Н.М. Буринська. Хімія. Київ. “Ірпінь” 2000.
3. Велика ілюстрована енциклопидія школяра. Київ. “Махаон Україна”. |
