Роль хімії в створенні нових матеріалів

План.

1. Створення нових матерiалiв — необхiднiсть нашого сьогодення.

2. Металургiя:

а. добування металiв із вторинної сировини;

б. порошкова металургія;

в. безперервне розливання сталі;

р. плазмовоа металургія;

буд. 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 лещата, температури і агресивну дію хімічних речовин. Матеріали, котрі використовуються, зокрема в машинобудуванні, недостатньо стійкі й міцні. Тому обладнання передчасно зношується, потребуючи частих замін та ремонтів. Нових матеріалів вимагають й нові галузі техніки: космічна, атомна тощо. Для практичних потреб необхідні такі матеріали, як метали, полімери, кераміка та композити.

Металургія.

З металів найнеобхіднішими й надалі будуть сталі. Загальні тенденції виробництва сталі ві уже знаєте, тому розглянемо його перспективи.

Технічне переоснащення металургійної промисловості заговорили українською у «язане із переходом на виплавляння сталей в конвертерах й електропечах. Це зменшує вигар металу й розширює асортимент вироблених сталей. тримуючим чинником тут може бути дефіцит жаростійких й 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. Доти ж будівництво малих металургійних заводів, що працюють виключно на металоломі, показало їхні 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 із металічного порошку із наступним їхнього нагріванням до спікання частинок металу. Це перспективний ресурсозберігаючий спосіб. У цьому виробництві виключаються доменний й сталеплавильний процеси, прокатка, обробка металів різанням, тобто складні енергоємні процеси, екологічно брудні, із великими витратами теплоти й металу.

Підвищення якості металів й виробів із них як один з головних напрямів економії матеріалів базується на легуванні сталей, тобто введенні в сталь тугоплавких металів: ніобію, вольфрамові, молібдену та інших для добування более твердих й тугоплавких сталей. Щоб запобігти виникненню дефіциту цих металів, легування ведуть не 1—2 металами, а комплексом доступних чи более поширених металів — хрому, нікелю й ванадію. Підвищити жаростійкість сплавів вдається, крім загартування, ультразвуковою обробкою розплавів под годину кристалізації. У такий спосіб досягається підвищення робочої температури лопаток турбін з сплаву нікелю із кобальтом від 880 до 1000 °C.

Усі понад впроваджують у металургію безперервне розливання сталі, що не лише скорочує цикл виробництва, а і підвищує якість відливок. При звичайній відливці заготовок верхня частина злитка, що становить майже чверть усієї відливки, виходить пористою, її треба відрізати й повертати на переплавляння. Безперервне розливання звільняє від цієї подвійної роботи, бо сплав утворюється более однорідний. У перспективі поєднуватиметься безперервне лиття із вакууму-ванням, лиття й кристалізація в магнітному полі, що уже застосовується для сплавів алюмінію.

Велике майбутнє у застосування плазмової металургії. З фізики ві уже знаєте про плазмовий стан речовини, про властивості й застосування плазми. У металургії под впливом плазми відбувається термічна дисоціація рудій, реагуючі речовини швидко утворюють гомогенну систему. Під дією плазми не лише інтенсифікується відновлення заліза, а і скорочується металургійний цикл: двостадійний процес (домна, конвертер) стає одностадійним (пряме відновлення), необхідність шихтування і агломерації рудій відпадає. Плазмова металургія дає змогу переробляти рудій комплексно, а це спосіб розв «язання проблеми безвідхідних виробництв у металургії.

як самостійний клас нових матеріалів можна розглядати особливо чисті метали. Але вони вдалося знизити вміст домішок до 1 • 10−6 — 1 • 10−7%. До 1925 р. завісься титан у світі мав 0,5 — 5% домішок, його технологічно не можна було б обробляти. Тепер добуто чистий титан, який кується, витягується в дріт, а при прокатуванні утворюються листи і навіть фольга. Саме добування чистих цирконію й танталу дало можливість запровадити їхнього у машинобудування і атомну енергетику.

Синтетичні високомолекулярні речовини.

Базова роль металів у конструкціях машин зберігається. Алі все понад використовують синтетичні високомолекулярні речовини (полімери). Поряд з добро відомими їхніми властивостями: низька густина, стійкість проти агресивного середовища, добрі діелектричні й теплофізичні показники, стійкість проти стирання — за останні рокта добуто полімерні матеріали із іншими важливими якостями. Деякі із них мають велику міцність на розрив — до 2000 кг/мм2 й термостійкість до 1000 °З. Головною проблемою полімерів є їхнього ще явно недостатня довговічність.

Неможливо нині уявити собі економіку й повсякденне життя без синтетичних каучуків, без хімічних волокон, із які виготовляють не лише одяг, а і вироби технічного призначення (капронові деталі, риболовецькі сітки тощо).

Усі понад використовуються пластмаси. Це лінолеум для підлоги і плівкові матеріали для стін, санітарно-технічні вироби й теплота звукоізоляційні матеріали. А синтетичні смоли і відходи деревообробки впроваджуються у виробництво деревинно-стружкових й деревинно-волокнистих плит, котрі використовують для оздоблення приміщень.

Дуже поширеним матеріалом є папір — продукт переробки целюлози. Алі такий папір малостійкий проти вологи, сонячного світла, коливань температури. Він швидко висихає, починає ламатись. Папір руйнують гриби та мікроорганізми, із «їдають багато видів комах.

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

Єдиний недолік паперу з синтетичних волокон, як й інших видів нецелюлозного паперу, — висока його вартість.

Целюлозний папір, що містить 20—30% графітового волокна, проводити електричний струм й у тій годину має великий опір. Папір з чистого вуглецю відзначається високою хімічною стійкістю й малою теплопровідністю. Він є основою шаруватих пластиків для виготовлення апаратів, що працюють под високим тиском й при високих температурах, й як упаковка при транспортуванні радіоактивних ізотопів.

Кераміка.

Після металів та полімерів третім за значенням матеріалом останнім годиною називають кераміку. Це дуже різноманітна група матеріалів, котрі добувають спіканням порошків природного й штучного походження. Хоча пружність кераміки обмежена, коефіцієнт її термічного розширення змінюється в широких інтервалах. Серед керамічних матеріалів є ізолятори й надпровідники. Порівняно із металами і полімерами керамічні матеріали стійкіші проти зносу, корозії й радіації. Головним є ті, що кераміка доступна і має невичерпні джерела сировини. До керамічних матеріалів відносять карбіди й 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 й двигунів внутрішнього згоряння різного призначення.

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

Напівпровідники.

Велике майбутнє у напівпровідників, котрі виготовляють із речовин високої чистоти. Матеріали для радіоелектроніки (силіцій, германій тощо) та атомної енергетики (уран, цирконій, берилій, графіт) не повинні містити домішок понад як 1 • 10−4— 1 • 10−5%.

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

Введення мінімальних кількостей сполук Феруму (ІІІ), Плюмбуму, Титану й Хрому дало змогу добути скло, яку добро пропускає ультрафіолетові промені. Тому його використовують у будівництві соляріїв, зимових садів, плавальних басейнів. А скло із підвищеним вмістом сполук металів затримує ультрафіолетові промені. Так, сполуки Феруму (II) надають склу властивості затримувати теплові і інфрачервоні промені й тому в приміщеннях із таким склом завжди прохолодно.

Скло, яку містить підвищену кількість важких металів, непрозоре для радіації, тому годити 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 один кг із метрової висоти, котра відскакує від його поверхні, як від кам «яної плити. Багатошарове скло, виготовлене із тонких (0,05 мм) листів скла (50 й понад листів) за допомогою спеціального клею, стійке проти ударів лантух, мікрометеоритів, глибинних та космічних тисків, різних перепадів температур.

Особливої уваги заслуговують склокристалічні матеріали, добуті введенням у розплавлене скло каталізаторів, головним чином ТіО2, котрі викликають утворення центрів кристалізації. Такі частково закристалізовані скла назвали ситалами. Деякі види ситалів добувають на основі металургійних чи паливних шлаків (шлакоситали). Це міцні, хімічно й термічно стійкі матеріали із малим тепловим розширенням, добрі діелектрики, деякі їхні кращі зразки міцніші високовуглецевої сталі. Нині властивості таких матеріалів інтенсивно вивчають ся, смердоті мають великі перспективи використання в будівництві, хімічній промисловості, оптиці й навіть у авіації.

Порівняно новими матеріалами є склопластики, котрі добувають з скломаси й смол. Цей моноліт в 3—4 рази міцніший за звичайну сталь, на чотири рази що ліг за неї, не піддається корозії. З нього виготовляють вагони, корпуси кораблів й навiть ракети.

Висновок.

Для здійснення шкірного хіміко-технологічного процесу потрібна апаратура, виготовлена із таких матеріалів, котрі здатні опиратися різним агресивним впливам, у тім числі хімічним, механічним, термічним, електричним, годиною й радіаційним та біологічним.

Хімія робить суттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів: металічних й неметалічних. Серед металічних матеріалів найчастіше використовуються сплави на основі заліза — чавун й сталь, на основі міді — латунь й 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 й спікання із них виробів. Сучасна порошкова металургія займається, по-перше, створенням матеріалів й виробів із такими характеристиками (склад, структура, властивості), які досі неможливо досягти відомими методами плавки; по-друге, виготовленням традиційних матеріалів й виробів, але й 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 (й в колишньому СРСР) завод порошкової металургії ставши до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р.

Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основі фенолформальдегідних смол, полівінілхлориду, поліетилену й фторопластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, виявляють високу стійкість до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкість до стирання, добрі діелектричні і теплоізоляційні властивості. Окрім цого, важливе значення мають каучуки та різні матеріали на їхні основі — бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.

До групи неметалічних матеріалів належати й такі традиційні матеріали, як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, котрі знаходять дедалі нове й нове використання.

Останнім годиною вимоги до матеріалів неухильно зростають. Це пояснюється тім, що значно ширше застосовуються тепер екстремальні впливи — надвисокі і наднизькі лещата та температури, ударні і 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) й піни (газонаповнені матеріали).

як основу (матрицю) використовують метали й сплави, полімери, кераміку. Наповнювачі, що застосовуються, особливо для композитів на основі пластмас, значно різноманітніші. Від них залежить міцність й жорсткість композитів.

У 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 із металу і силіцію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів силіціємтощо. Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в «язкістю, міцністю від стоми тощо — композити значно перевищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби суспільства у яких й взагалі у нових матеріалах безперервно зростають. На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим пояснюється тієї факт, що головними споживачами композитів поки що є авіаційна й космічна промисловості.

як бачимо, роль хiмiї у створеннi рiзноманiтних матерiалiв, із які ми розглянули лише деякi, дуже велика.

Список використаної літератури:

1. М. М. Чайченко. Основи загальної Хімії. Київ. «Освіта» 1998.

2. М. М. Буринська. Хімія. Київ. «Ірпінь» 2000.

3. Велика ілюстрована енциклопидія школяра. Київ. «Махаон Україна».