Прикладная химия - Раушан Ашкеева

Немаловажную роль в повышении качества металлических материалов играет разработка новых, в том числе жаростойких сплавов. Например, если в 50-х годах авиационный газотурбинный двигатель на 20 % изготавливали из алюминиевых сплавов, на 71 % из стали и на 9 % из никелевых сплавов, то спустя четверть века, алюминиевых сплавов осталось лишь 2 %, стали – 4 %, тогда как титановые сплавы составили 28 %, а количество никелевых сплавов, из которых выполняют основные несущие детали двигателя, увеличилось до 66 %.

Особо следует выделить сплавы, созданные на основе бинарной системы Тi–Ni. Интерметаллид Ni-Тi, обладающий памятью формы, имеет структуру CsCI, которая при температуре ниже 1100С подвергается обратимому мартенситовому превращению с образованием ромбоэдрических доменов. Температуру указанного превращения можно регулировать путем допирования сплава (введение Рd повышает Тм, а введение Fе, Сr или избытка Ni – напротив, понижает Тм). Сплав, открытый американскими исследователями в 1963 г., назвали «нитинол»: «ни» и «ти» – символы Ni и Тi, а «нол» – сокращенное название лаборатории, где работали авторы. Нитинолу можно придать любую форму, например, спирали, а затем стабилизировать ее кратковременным нагреванием. Нитинол «запоминает» первоначальную форму, даже если его после этого подвергнуть холодному формованию. При нагревании изделие вновь принимает форму спирали. Широкого применения нитинол пока не нашел. Но предполагают, что он может быть использован в качестве антенн космических кораблей и других устройств для работы в космосе, которые должны принимать заранее заданную форму, когда на них попадает интенсивное солнечное излучение. Уникальное сочетание памяти формы с высокой способностью к деформации и коррозийной устойчивостью открыло путь к использованию нитинола в качестве имплантата в хирургической практике. Эффект сверхупругости и запоминания формы в сплавах был предсказан академиком Г.В. Курдюмовым еще в 1948 г. («эффект Курдюмова»).

МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Все неметаллические материалы делят на две группы – органические и неорганические. В каждой из этих групп выделяют природные и синтетически (искусственные) материалы. В группе органических материалов и те, и другие являются полимерами, т.е. высокомолекулярными соединениями.

Среди природных органических материалов важнейшим является древесина, потребление которой (свыше 1 млрд. т) заметно превосходит потребление стали. Сухая древесина на 40-50 % состоит из линейного полимера – целлюлозы, на 25 % из родственных ей соединений (гемицеллюлозы) и на 25 % из высоковязкой жидкости – лигнина. Каждая молекула целлюлозы содержит до 5000 колец глюкозы, соединенных атомами кислорода. Из молекул целлюлозы образованы и волокна, которые формируют стенки трубчатых клеток. Основной способ переработки дерева – традиционно был связан с изготовлением пиломатериалов. Часть древесины шла на получение технической целлюлозы для бумажной промышленности (80 %) или химических волокон (20 %). Но развитие химии и химической промышленности изменило традиционные способы использования древесины. Например, изготовление древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит стало возможным благодаря широкому применению фенол- и мочевиноформальдегидных смол. Только в мебельной промышленности средний мировой уровень потребления древесно-стружечных плит составляет сейчас почти 50 %. Остальная часть продукции идет в строительство. При обработке аммиаком древесина становится пластичной, из нее можно прессовать различные профили.

К природным материалам органического происхождения помимо древесины можно отнести битумы и смолы, применяемые как антикоррозионные средства. Ферментация целлюлозных компонентов древесины открывает путь к получению глюкозы и многих других химически ценных продуктов и материалов.

Важнейшими видами синтетических полимерных материалов являются пластмассы, эластомеры, химические волокна и полимерные покрытия.

Из 50 видов производимых в настоящее время пластмасс 2/3 являются термопластами (обратимо размягчаются и твердеют с изменением температуры), а остальные реактопластами (не размягчаются при нагревании). Доля термопластов в производстве полимеров непрерывно растет, и ожидается, что в ближайшие годы она достигнет 75 %. Термопласты можно обрабатывать и перерабатывать методами литья под давлением, вакуумной формовкой, профильным прессованием или простой формовкой. К таким пластмассам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и так называемые АБС-сополимеры.Последние являются продуктами сополимеризации акрилонитрила (А), бутадиена (Б) и стирола (С). Первый обусловливает химическую устойчивость продукта, второй сообщает ему сопротивление удару, а третий делает материал твердым и термопластичным. Термическое поведение подобных пластиков можно регулировать введением наполнителей, например полифосфатов. Но наилучших результатов достигают введением специальных мономеров (полифенилсульфиды, ароматические полиэфиры, модифицированные фторполимеры). Со временем будут созданы пластмассы, конкурирующие по термостойкости с алюминием, но вероятность достичь термостойкости стали мала. Пластмассы, применяемые в качестве материалов, как правило, имеют сложный состав и включают, по меньшей мере, три группы веществ:

1. основу или связующий материал (искусственные полимерные смолы);

2. пластификатор, способствующий переходу материала в тестообразное состояние;

3. наполнитель, придающий механическую прочность, твердость и термостойкость (древесная мука, измельченный асбест, стекловолокно, графит).

В отдельных случаях в композицию вводят стабилизаторы, предохраняющие пластмассы от разложения в процессе переработки при световом или тепловом воздействии.

Синтетические высокомолекулярные материалы выгодно отличаются от металлов высокой устойчивостью в агрессивных средах, низкой плотностью, высокой стойкостью к истиранию, хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свойствами, способностью поглощать и гасить вибрацию, простотой изготовления деталей и аппаратов сложной конструкции. Некоторые полимеры характеризуются высокой стойкостью к низким температурам (вплоть до температуры жидкого азота), а другие – исключительными водоотталкивающими свойствами. Недостатком многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции – процессу уменьшения длины цепей и размеров макромолекул. Деструкция может быть инициирована механическими нагрузками, действием света, тепла, воды, ультразвука, особенно кислорода и озона. Большинство конструкционных материалов на органической основе нельзя применять при температурах выше 150-200 °C и в контакте с различными агрессивными средами, например с азотной кислотой. Органические растворители, такие как ацетон, сероуглерод, хлороформ, бензин и некоторые другие, также оказывают разрушающее действие на многие полимерные материалы.

Конец ознакомительного фрагмента.