Реферат: Роль хімії в створенні нових матеріалів

Реферат: Роль хімії в створенні нових матеріалів

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”.