Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Karpenkov / Карпенков, Степан - Концепции современного естествознания

.pdf
Скачиваний:
309
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.89 Mб
Скачать

ты) почти одновременно в США и Швеции. Синтез осуществлялся при давлении 50 000 атм и температуре 2000 °С. Такие алмазы стоили в 30 раз дороже природных, но уже к началу 60-х годов XX в. их стоимость существенно снизилась. В последние десятилетия ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, по своим свойствам незначительно отличающихся от природных. Различия между синтетическими и природными алмазами можно определить только с помощью точных физических приборов. Доля искусственных алмазов на мировом рынке превышает 75% от объема всей алмазной продукции.

В недалеком прошлом по производству и потреблению алмазов первое место в мире занимал бывший СССР. Более 8000 предприятий в нашей стране пользовались алмазным инструментом, причем производилось более 2500 видов таких инструментов — от крошечных волочильных устройств до громадных режущих дисков для разрезания крупных каменных блоков.

Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления при наличии различных катализаторов: металлического никеля, сложной смеси железа, никеля и хрома, и др. (рис. 6.9). Кристаллизация алмазов происходит при давлении 50 000 — 60 000 атм и температуре 1400—1600°С.

Обычно в реакторах высокого давления образуются алмазные кристаллы размером не более 1 мм. Такие мелкие камни вполне пригодны для промышленных целей, но из них трудно изготовить украшения. Сравнительно недавно разработана новая технология, позволяющая выращивать кристаллы алмаза размером до 6 мм. Однако синтез алмазов, которые можно было бы превратить в крупные бриллианты, так сложен и до-

16-3290

241

рог, что синтезированные бриллианты не могут конкурировать с природными: кристалл искусственного алмаза массой 50 — 60 г (250 — 300 карат) стоит столько же, сколько 1 т золота.

Искусственные алмазы используются преимущественно для промышленных целей. Алмазные порошки и пасты, режущее и буровое оборудование с алмазными кристаллами оказались незаменимыми во многих отраслях промышленности. Алмазная

технология позволяет повысить производительность труда на 30 — 50, а в некоторых случаях и на 100%. Искусственные алмазы находят применение при изготовлении часов, прецизионных приборов. Ими режут и обрабатывают твердые металлы, керамику, стекло и т.д. С их помощью изготовляют тончайшую проволоку.

Синтезирована особая разновидность черных алмазов, называемая карбонадо, которая тверже алмазов, встречающихся в природе. Синтез карбонадо основан на методе порошковой металлургии (прессование алмазного порошка производится при давлении 30 — 80 тыс. атм, а его спекание — при 1000 °С). Карбонадо позволяет обрабатывать сами алмазы, из него изготавливают сверхтвердые буровые коронки.

По своей структуре алмаз отличается от графита более плотной упаковкой атомов углерода в кристалле (см. рис. 6.9). В 1985 г. были синтезированы фуллерены — новая разновидность многоатомных молекул углерода, состоящая из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода и имеющая сферическую форму (рис. 6.10). Дальнейшие работы привели к созданию не только сферических молекул, но и эллипсоидальных (барелленов), трубчатых (тубеленов) и других конфигураций. Из таких молекул можно создавать материалы невиданной прочности, элементы компьютеров XXI в., молекулярные сита и т.п.

Несмотря на рост производства искусственных алмазов и их широкое применение, обычные твердые материалы в виде различных карбидов металлов не утратили своей практической значимости. Хотя карбиды металлов менее тверды, чем алмазы, зато они более термостойки. Сравнительно недавно из нитрида бора синтезирован материал, который тверже алмаза. При давлении 100 000 атм и температуре 2000 °С нитрид бора превращается в боразон — материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

242

К настоящему времени налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.

6.9. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Синтетические материалы. Из материалов изготавливаются различные изделия: устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и др. Для каждого изделия нужны свои материалы с вполне определенными свойствами, к которым предъявляются высокие требования.

В глубокой древности широко применялся преимущественно один вид материала — камень. История донесла до нас каменные топоры, наконечники для стрел, пещеры для жилья. Несколько тысячелетий назад удалось выплавить железо. Появились железные изделия: оружие, предметы быта, несложные приспособления для обработки земли. Сейчас железо уступает другим материалам и прежде всего полимерам. Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда, ковры из полипропилена, мебель из полистирола, шины из полиизопрена и т.п. — все это производится из полимеров. Многие детали современных самолетов изготавливаются из композиционных полимерных материалов. Один из них — кевлар — по важному показателю прочность/масса превосходит даже самую высокопрочную сталь.

Пластмассы — это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы содержат наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосферо-, термоили огнестойкие), виду наполнителя (стеклопластики, графитопласты и др.), а также по типу полимера (аминопласты, белковые пластики и т.п.). В зависимости от характера превращений, происходящих в полимере при формовании изделий, пластмассы подразделяются на термопласты (важнейшие из них создаются на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола) и реактопласты (наиболее крупнотоннажный вид из них — фенопласты). Основные методы переработки термопластов — литье под давлением, вакуумформование, пневмоформование и др. Реактопласты формуются прессованием и литьем под давлением.

Прошло более ста лет с момента появления на свет первого органического материала — целлулоида. Сегодня многообразие синтетических веществ настолько велико, что вряд ли возможно их перечислить. Когда 16* 243

идет речь об искусственных материалах, многие имеют в виду прежде всего пластмассы, вещества, созданные в искусственных условиях. В 1980 г. американские ученые впервые обнаружили природную полиэфирную пластмассу в гнездах пчел, живущих в земле.

Массовое производство пластмасс началось во второй половине XX в. В 1900 г. мировое производство пластмасс составило около 20 тыс. т, а в 1970 г. — уже 38 млн. т. В настоящее время объем производства пластмасс сравним с объемом выпуска стали — сотни миллионов

тонн в год. Около 2/3 объема мирового производства полимерных материалов составляют полиэтилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полиэфирные смолы, полиуретан, аминопласты, фенопласты, поликрилаты, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполиме-

ры, силиконы, полиамиды, эпоксидные смолы.

Наиболее перспективны материалы с высокой термостойкостью: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Они выдерживают относительно высокую температуру — 200—450°С и используются в авиационной и ракетной технике.

Полимерные материалы широко применяются в строительной индустрии для изготовления рам, облицовочных плит, кровли и т.д. За более чем столетнюю историю развития автомобилестроения пластмассы постепенно вытесняют металл. Предполагается, что в ближайшем десятилетии на изготовление одного легкового автомобиля потребуется сотни килограммов пластмасс: полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена и др., тогда как в 1965 г. на один легковой автомобиль приходилось лишь 15 кг полимерных материалов. Уже производят легковые автомобили с полностью пластмассовым кузовом и со многими другими деталями, даже с теми, которые несут высокую механическую нагрузку.

Эластомеры — еще одна разновидность полимерных материалов. К ним относится прежде всего каучук, из которого производится широко распространенная резина, обладающая отличительным свойством — эластичностью. Такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один вид эластичного материала — природный каучук. Он до сих пор добывается из каучукового дерева — бразильской гевеи — таким же способом, как и смола в хвойных лесах, — путем подсечки.

Химия завладела каучуком еще в первой половине XIX в. — в 1841 г. американский изобретатель Гудьир предложил способ вулканизации. Хрупкий при низкой температуре и липкий при нагревании сырой каучук при вулканизации переходит в эластичное состояние. При этом его макромолекулярные цепи образуют сетчатую структуру, соединяясь мостиками из атомов серы. В 1932 г. под руководством нашего соотечественника, выдающегося химика академика С.В. Лебедева (1874 — 1934) разра-

244

ботан первый в мире промышленный способ получения синтетического каучука.

Статистика мирового производства каучука начинается с 1850 г., когда его было добыто около 1500 т. В 1900 г. бразильские леса давали уже 53 900 т каучука. В том же году появился каучук из деревьев, выращенных на плантациях. В последние годы большая часть натурального каучука добывается на крупных плантациях Индокитая. В 1970 г. потребление каучука в мире составило 7,8 млн. т, доля натурального каучука в котором составила около 38%.

Натуральный каучук имеет сравнительно невысокие термостойкость и маслостойкость, подвержен старению. Современные технологии позволяют получить синтетический каучук с лучшими свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций. Превосходным качеством отличается силиконовый каучук. Он менее эластичен, чем натуральный, но его свойства в интервале температур от - 55 до 180 °С мало зависят от температуры, к тому же он физиологически безвреден. Гомогенные и ячеистые полиуретановые эластомеры обладают высокой износостойкостью, химической стойкостью и не подвергаются быстрому старению. Сфера применения эластомеров весьма разнообразна — от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает.

Производя синтетические каучуки, химическая промышленность восполняет дефицит природного сырья — каучука. Точно так же производство синтетической кожи сохраняет сырье животного происхождения. По своим свойствам и качеству многие разновидности современной синтетической кожи мало отличаются от натуральной кожи высшего качества.

Синтетические ткани появились во второй половине XX в., хотя внедрение химических технологий в текстильную промышленность началось сравнительно давно — около 200 лет назад, когда с помощью соды и хлорной извести удалось существенно улучшить качество стирки и отбеливания. Например, с применением хлорной извести продолжительность отбеливания хлопковой ткани сократилась с трех месяцев (при луговой отбелке) до шести часов. Во второй половине XIX в. широко внедрялись синтетические органические красители тканей. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. Первое чисто синтетическое волокно — нейлон — создано более 60 лет назад, а затем появились акрил, полиамид, полиэфирные волокна. Однако потребители сравнительно быстро оценили как достоинства, так и недостатки синтетических тканей. Немало време-

245

ни прошло, прежде чем удалось понять и преодолеть различия между природными и синтетическими волокнами. Теперь химия легко воспроизводит лучшие свойства льна, хлопка, шерсти, а естественные материалы давно уже стали предметом многократной химической обработки, придающей, например, хлопку упругость или делающей льняную ткань не столь мнущейся.

Новшества сегодняшнего дня затронули и геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нить возможно тоньше. Тончайшие синтетические нити ткани хорошо видны под микроскопом (рис. 6.11).

Излюбленный материал сегодняшних модельеров — эластик — удобен не только в спортивной одежде, но и в 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, например для регулировщиков автотранспортного движения.

Одна из разновидностей синтетического материала — кевлар. Он в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для пошива пуленепробиваемых курток. Весьма 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 (рис. 6.12). Капсулы содержат парафины. При нагревании они плавятся, отбирая тепло, а при охлаждении затвердевают, выделяя тепло.

Производство многообразных синтетических материалов с удивительными свойствами свидетельствует о чрезвычайно высоком уровне современных химических технологий.

Традиционные материалы с новыми свойствами. К традиционным материалам относится древесина. Из нее вырабатывается целлюлоза — один из основных видов сырья для производства бумаги и синтетических материалов. Древесина, кроме того, широко применяется в строительстве и для изготовления мебели.

246

В отличие от ископаемого горючего сырья древесина сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи и с учетом того, что цены на ископаемое органическое сырье постоянно растут, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет базироваться на переработке древесины в промежуточное химическое сырье — этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет важным сырьем для получения разнообразной химической продукции: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и т.д. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена. Древесина — не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы — солому, камыш и т.п. — можно превратить в те же ценные продукты, которые производятся из древесины. Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеивают в монолитную массу.

Одна из важнейших областей применения древесины — целлюлоз- но-бумажная промышленность. В последнее время наметились изменения в технологии производства бумаги, связанные с внедрением заменителя бумаги — синтетического материала. Введение полимеров в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д. При этом повышается качество многоцветной печати, что особенно важно при печатании географических карт, репродукций картин и т.п.

С развитием компьютерной техники бумага перестает быть основным носителем информации. Однако возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т.п.) и рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. За последнее десятилетие, например, в Великобритании потребление бумаги возросло на 65%. Предполагается, что в этой стране за период

247

1905 — 2005 гг. производство бумаги увеличится в два раза. Этот пример показывает, что потребность в бумаге и, следовательно, в древесине — важнейшем природном сырье — постоянно возрастает.

Стекло, как и древесину, принято считать традиционным материалом. Еще в V тысячелетии до н.э. в Древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные вещества. Стеклянная посуда изготавливалась еще в XV в. до н.э. Вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.

Систематические исследования свойств стекла начались в 20 — 30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, а из них производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком — хрупкостью. Создать стекло нехрупким — одна из труднейших задач даже с учетом возможностей современных технологий. Тем не менее во второй половине XX в. удалось синтезировать стеклокерамический материал ситалл, прозрачный или похожий на фарфор. Он выдерживает высокотемпературный перепад — до 1000°С. Его можно обрабатывать как обычный металл: обтачивать, фрезеровать и т.п. Благодаря совокупности свойств — высокая прочность, твердость, химическая и термическая стойкость, низкий температурный коэффициент расширения — ситаллы применяются в автомобилестроении, электротехнике, химическом машиностроении и т.п.

Обычное стекло имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм2, а термически закаленное стекло — примерно 140 Н/мм2. При дополнительной химической обработке этот показатель увеличивается до 700 — 2000 Н/мм2. Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика и способные заменить металл. Многослойное бронестекло толщиной 20 — 40 мм не пробивается пулей при выстреле из пистолета.

Иногда для облицовки зданий и для окон используются цветные стекла. Они поглощают инфракрасное излучение, благодаря чему поддерживается нормальный микроклимат в помещении: летом задерживаются лучи палящего солнца, а зимой сохраняется тепло. Широко применяются стекловолокнистые материалы для армирования, отделки, изоляции, фильтрации и т.п. Оптическое стекловолокно — весьма перспективное средство для передачи большого объема информации. Хорошо известны изоляционные свойства стекла. В последнее время удалось синтезировать и полупроводниковые стекла. Низкоплавкая эмаль из стекла (570 °С) — надежное покрытие для алюминия, обладающее высокой коррозионной стойкостью, эластичностью и ударопрочностью. Эмали можно придать различные цвета.

248

Область применения разнообразной стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло — традиционный материал, обладающий новыми необычными свойствами.

Силикатные и керамические материалы также относят к традиционным. Развивающаяся строительная индустрия потребляет все больший объем силикатных материалов, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире составляет миллиарды тонн в год. Самая дорогая составляющая бетона — цемент. Прочность на сжатие обычного бетона равна 5 — 60 Н/мм2, а после термической активации цемента — не менее 100 Н/мм2. Освоено производство огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Из смеси извести и кварцевого песка или золы угольных фильтров производится силикатный бетон. Его прочность превышает прочность бетона на основе цемента и достигает 350 Н/мм2. Бетон с внедренным алюминиевым порошком в качестве расширительной добавки легок и поддается обработке.

Налажено производство различных модификаций легкого бетона с внедренными полимерами. Он отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглощением и легко поддается обработке различными способами. При введении асбеста в цементный раствор получается асбестоцемент — строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.

Широкое применение находят керамические материалы. Из них изготавливают более 60 тыс. различных изделий — от миниатюрных ферритовых сердечников для микроэлектронных устройств до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (глины), кварца и полевого шпата. Из керамики производят строительные блоки, пористый и пустотелый кирпич, закаленный кирпич (например, для дымовых труб) и т.п. К керамике относятся и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Для них характерны высокие термическая и коррозийная стойкость и прочность; разрушаются они при температуре около 1600 °С. Высокопрочные керамические материалы выдерживают температуру выше 1200 °С. В тиглях из такого материала можно плавить медь, алюминий и т.д.

Металлокерамические композиционные материалы с высокими твердостью и термостойкостью служат для изготовления камер сгорания для космических ракет, деталей для металлорежущих инструментов и т.п. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl2О3), карбидов, боридов, нитридов или силицидов.

249

В металлокерамике сочетаются свойства керамики и металлов. В начале 90-х годов XX в. синтезирован керамический ртутьсодержащий металлооксидный материал, обладающий удивительным свойством — высокотемпературной сверхпроводимостью (рис. 6.13). При температуре около 170 К он переходит в сверхпроводящее состояние.

Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с ранее неизвестными свойствами.

Средства сохранения материалов

позволяют увеличивать срок их службы. Важно не только произвести высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение. К существенному разрушению металлов, особенно не цветных, приводит их коррозия. При длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т.д. Поэтому для сохранения свойств материа-

лов и изделий из них применяются различные средства защиты. Например, слой краски защищает металлические изделия от коррозии, а изделия из древесины от гниения.

По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% объема мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую, загрязняя окружающую среду. Самая распространенная мера защиты от коррозии — окраска, т.е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Широко применяются краски на основе различных полимеров. Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности — трудоемкая операция, поэтому ведется поиск защитных материалов для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Один из видов таких материалов уже синтезирован в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с

250

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.