الفولاذ الذي "يشفي" نفسه
في أفلام الخيال العلمي، يُشفى الضرر الذي يلحق بالروبوتات من تلقاء نفسه.
الطلاءات ذاتية الشفاء خاصةالدهانات. في جوهرها كبسولات دقيقة تحتوي على مادة بوليمر خاصة. ومع أي تأثير ميكانيكي، مثل الخدش، يتم تدمير الكبسولات وخروج مادة منها تغطي المنطقة المصابة، وتتكون طبقة بوليمر على السطح. فهو "يشفي" الضرر عن طريق التفاعل مع حواف الطلاء غير التالف ويؤدي إلى شفاء الخدش، بالإضافة إلى عزل المنطقة عن الهواء، مما يمنع تآكل المعدن.
تكمن الصعوبة في إنتاج الفولاذ بمثل هذا الطلاء في إنشاء الطلاء باستخدام كبسولات دقيقة وفي تطبيقه.
الطلاء عبارة عن محلول غرواني للبوليمراتالمعدلات والكبسولات الدقيقة التي يبلغ حجمها عدة ميكرومتر. المعدلات ، أي المواد الرابطة ، ضرورية لضمان وجود البوليمرات داخل الكبسولات الدقيقة في حالة سائلة. يتم تصنيف تركيبة الخليط نفسه ، ولا يشارك في إنتاجه سوى عدد قليل من الشركات حول العالم - التكنولوجيا جديدة ولا تزال في المرحلة التجريبية.
"الطلاءات ذاتية الشفاء هي دهانات خاصة"
يتم تطبيق التركيبة في الحالة السائلة على الفولاذ ، وثم تتم إزالة المواد اللاصقة باستخدام فرن التجفيف ، تاركة طبقة بوليمر متصلة مع كبسولات دقيقة. من المهم أن يتم توزيع الطلاء بالتساوي وعدم تلف الكبسولات نفسها ، وإلا ستختلف خصائص الفولاذ في مناطق مختلفة.
إذا قدر السوق خصائص المادة ، وأصبح إنتاجها أكبر ، وانخفض سعر الوحدة للمنتج ، فيمكن توقع انتشار هذا الفولاذ على نطاق واسع.
فولاذ قاتل للبكتيريا
يتم استخدام الفولاذ المطلي بطلاء مضاد للبكتيريا فيدواء. يتم استخدامه لصنع أدوات الأطباء ، وعناصر من مباني المستشفيات مثل الدرابزين أو الألواح على الجدران ، حيث تتراكم الكائنات الحية الدقيقة الضارة عادة. علاوة على ذلك ، أثناء الوباء ، بدأ العديد من مصنعي المعدات ، وخاصة الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، في إخراج حقائب الأجهزة منها.
هناك العديد من الاختلافات حول كيفية استخدام الفولاذيكتسب خصائص مضادة للجراثيم. في كثير من الأحيان ، يتم تطبيق طلاء بوليمر على سطح المادة ، والذي يتضمن أيونات الفضة والنحاس. هذه المعادن فعالة للغاية في مكافحة الميكروبات: عند ملامستها ، فإنها تدمر قذائفها ، وتقتل 99 ٪ من الكائنات الحية الدقيقة.
ولكن هناك تطورات أخرى.على سبيل المثال، إذا تم غمر الفولاذ في محلول إلكتروليت وتم تطبيق الجهد الكهربي بطريقة خاصة، تتشكل الهياكل النانوية على السطح: حفر مجهرية، ومسامير، وإبر. فهي، مثل أيونات المعادن، تلحق الضرر بأغشية البكتيريا وتقتلها. في الوقت نفسه، لا تختلف العملية التكنولوجية التي يتم خلالها إنتاج هذا الفولاذ عن تلك المستخدمة بالفعل في معالجة المواد - بطريقة مماثلة، يتم صقل المعدن أو إعطاء خصائص مضادة للتآكل.
كلا النهجين آمنان للخلايا الحيوانية والنباتية: حجمها يتجاوز حجم الميكروبات إلى حد كبير ، وليس لدى الشخص ما يخشاه.
مجالات التطبيق الواعدة للصلب مع الطلاءات المضادة للبكتيريا اليوم هي تصنيع ألواح التهوية والكسوة - على سبيل المثال ، الديكور الداخلي في وسائل النقل والمباني.
"يبحث علماء المعادن عن طرق لإنشاء فولاذ قوي وخفيف الوزن لصنع أجزاء خفيفة"
الصلب شديد التحمل - للآلات الثقيلة
يبحث علماء المعادن عن طرق للإنشاء في وقت واحدفولاذ قوي وخفيف لصنع أجزاء خفيفة. في إنتاج السيارات ، سيؤدي ذلك إلى زيادة سرعتها وسلامة السائق. وفي إنتاج المعدات الخاصة ، ستعمل الهياكل المتينة وخفيفة الوزن على تقليل استهلاك الوقود.
لتحقيق المعايير المرغوبة ، يقوم علماء المعادن بتشكيل هيكل معدني بمزيج من المراحل المختلفة ، والتي يوفر بعضها زيادة في القوة ، بينما يكون البعض الآخر مسؤولاً عن الحفاظ على الليونة.
في المجموع ، تتميز عدة مراحل من الفولاذ في علم المعادن:الفريت ، يليه البيرلايت ، السوربيت ، التروستيت ، البينيت والمارتينسيت. يتميز الفريت بقوته المنخفضة ، في حين أنه مطيل وسهل التمدد. كلما كانت المرحلة أبعد من الفريت ، زادت قوتها وانخفضت الليونة.
إذا قمت بإضافة إلى مصفوفة الفريت البلاستيكيةتتخللها مراحل أقوى (على سبيل المثال، مارتنسيت)، سوف تحصل على "فطيرة" ستكون بلاستيكية وقوية في نفس الوقت - بسبب خصائص كل مرحلة. وفي الوقت نفسه، يكون من الصعب الحصول على فولاذ يتكون من مجموعة من المراحل المختلفة إذا كانت بعيدة عن بعضها البعض.
تعلم الفولاذ الفريت واللؤلؤي أن يحصل منذ وقت طويل ،اليوم هي واحدة من المهام القياسية لعلم المعادن. يصعب الحصول على الفريت-تروستيت والفريت-باينيت ، لكن الشركات المعدنية الكبيرة أتقنت ذلك. لكن مارتينسيت الفريت القوي هو بالفعل نتيجة لعملية تكنولوجية معقدة تتطلب معدات خاصة ومستوى معينًا من التطوير التكنولوجي.
الصلب "قلوب" من الأجهزة الكهربائية
أحد مجالات تطبيق الفولاذ هوالمواد الكهرومغناطيسية - إنتاج النوى للمحولات والمولدات والمحركات الكهربائية. الحديد مادة فريدة قادرة على خلق مجال مغناطيسي خاص بها. ويرجع ذلك إلى تركيبها الذري.
تحتوي ذرة الحديد على أربعة هياكل مفتوحة في بنيتها.غلاف ثلاثي الأبعاد وبدلاً من عشرة إلكترونات يوجد ستة إلكترونات فقط. في حالة بعض العناصر (بالإضافة إلى الحديد، على سبيل المثال، النيكل والكوبالت)، يصبح ملء إلكترونين في الغلاف 4s، وهو الأبعد عن النواة، أكثر ملاءمة من الناحية النشطة من ملء الغلاف ثلاثي الأبعاد. وهذا يترك عددًا قليلًا من الإلكترونات التي لا يتم تعويض عزومها المغناطيسية المدارية والدورانية، فتدور في مدار حول النواة وتخلق مجالًا مغناطيسيًا خاصًا بها.
تحتوي بعض المعادن (الذهب والألومنيوم) على إلكتروناتعلى الأصداف تعوض بعضها البعض ، بسبب عدم إنشاء المواد مجالًا مغناطيسيًا. هناك العديد من المعادن الأخرى التي تحتوي على قذائف D غير مكتملة يمكن مغنطتها ، ولكن فقط الحديد والنيكل والكوبالت هي التي تظهر هذه الخصائص في درجة حرارة الغرفة ، وليس فقط عند تبريدها.
يجب أن يكون الفولاذ ممغنطًا جيدًا في الإلكترونياتفي مجال مغناطيسي خارجي وإعادة المغناطيسية بسرعة عند تغيير اتجاهها. بالنسبة لمعظم الشبكات الصناعية والسكنية ، يحدث هذا 50 مرة في الثانية. المطلب الرئيسي في هذه العملية هو على وجه التحديد سهولة عكس المغنطة ، والذي سيضمن الحد الأدنى من استهلاك الطاقة أثناء تشغيل المنتج النهائي.
الحديد كمادة بلوريهيكل توجد فيه الذرات في أعلى الحواف وفي وسط المكعبات. تقريبا مثل في Lego. اتضح أن الحقول المغناطيسية الفردية لكل ذرة تضيف ما يصل إلى مجال مشترك - ونتيجة لذلك ، يمكن إعادة مغناطيسية الأجزاء المصنوعة من الحديد ، أو تنجذب إلى المغناطيس ، أو تؤدي دورها بنفسها.
"الحديد مادة فريدة يمكنها إنشاء مجال مغناطيسي خاص بها"
الفولاذ الفريد للمحولات
الصلب المحولات هو أحد الأنواع الفرعيةفولاذ كهربائي. إنه ذو هيكل خاص ، حيث يتم توجيه الشبكة البلورية لكل قسم من الفولاذ بالتساوي في الفضاء ، مما يجعل من الممكن تحقيق الحد الأدنى من فقد الطاقة أثناء تشغيل الجهاز الكهربائي.
والآن بكلمات بسيطة.الأحجام الكبيرة من الفولاذ غير متجانسة - فهي تتكون من "حبيبات" معدنية صغيرة تشكل فيها الذرات شبكة بلورية مكعبة. في الوقت نفسه ، في الفولاذ العادي ، يمكن توجيه "حبيبات" مختلفة بشكل مختلف بالنسبة لبعضها البعض - مجالاتها المغناطيسية ، على التوالي ، لها اتجاهات مختلفة أيضًا.
في صناعة الصلب المحولات ، ينجح علماء المعادنلتحقيق انحراف بين شبكات "الحبوب" المختلفة بمقدار درجتين فقط. نتيجة لهذا الاتجاه ، يتم الحصول على مادة تميل في التركيب إلى بلورة واحدة ، كما لو كانت جميع ذرات المادة متضمنة في شبكة واحدة ، وليس "حبيبات" فردية. مثل هذا الهيكل للمعدن من وجهة نظر النظرية الكلاسيكية للمغناطيسية الحديدية هو الأكثر فائدة من حيث الطاقة ، لأن المجال المغناطيسي يمر عبر جميع "الحبيبات" في اتجاه واحد ويوفر انعكاسًا سريعًا للمغناطيسية في قلب الوحدة الكهربائية مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.
دورة الإنتاج التكنولوجييعتبر الفولاذ المحول هو الأكثر تعقيدًا في جميع المعادن الحديدية. يتم صهر الفولاذ باستخدام تركيبة كيميائية معينة: على سبيل المثال، يضاف إليه السيليكون، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الكهربائية وعدم إزعاج التيارات السطحية للمجال المغناطيسي. بعد ذلك يأتي الدرفلة على الساخن، والتخليل، والدرفلة على البارد، وإزالة الكربنة، والتليين، والدرفلة الثانية على البارد، وتطبيق طبقة واقية، والتليين بدرجة حرارة عالية، وتطبيق طلاء عازل كهربائي، وفي بعض الحالات، معالجة السطح بالليزر.
في كل مرحلة تكنولوجية ، يتم اتخاذ القراراتعدة مهام ، تبدأ بالحصول على الشكل الهندسي للشريط المطلوب وتنتهي بتشكيل الوصلات في الطبقات السطحية للمعدن أو على طول مقطع الشريط بأكمله.
فولاذ ذو بنية نانوية يشبه المطاط
تسمى البنية النانوية الهيكليةالصلب ، حيث يتم اختيار التركيب الكيميائي - يضاف المنغنيز والكربون والكروم - وتشكل معلمات المعالجة بنية فريدة. يوفر قوة عالية وليونة.
في السابق ، للحصول على مثل هذه المواد ، صهرواصلب بهيكل غير مستقر ، بسببه ، أثناء التشوه ، تنتقل مراحل مختلفة من المعدن من واحدة إلى أخرى ، وتغير خصائصها. بمعنى آخر ، أصبح الفولاذ أقوى تحت الضغط الميكانيكي.
والصلب ذو البنية النانوية مادة ، فيحيث يكون لكل "حبة" توأم موجه في الاتجاه المعاكس. اتضح أن مادة لا تنهار أثناء التشوه ، ولكنها تمتد - من حيث الخصائص ، فهي أشبه بالمطاط. يمكن أن يطول الفولاذ ذو البنية النانوية حتى 50٪ من طوله الأصلي دون أن ينكسر ولا يزال يتحمل أحمالًا تصل إلى 10 أطنان لكل سنتيمتر مربع. للمقارنة ، الفولاذ العادي أقل قوة بمقدار 2.5 مرة ويمكن أن يطول بنسبة 20-25٪ فقط.
هذه المادة ، على الرغم من حقيقة أنه حتى الآنيتم إنتاجه فقط في وضع الاختبار وبأحجام صغيرة ، وله آفاق كبيرة في صناعة السيارات والهندسة الميكانيكية: يمكن استخدام الفولاذ النانوي للحصول على أجزاء قوية ذات شكل معقد. ولكن في حين أن الإنتاج لا يتم إنتاجه بكميات كبيرة بسبب التعقيد والتكلفة العالية ، ولهذا السبب ، فإن سعر كل ورقة مرتفع للغاية. إذا زادت الحاجة إلى المادة ، فسيأخذ الإنتاج نطاقًا مختلفًا تمامًا ، وبعد ذلك سيصبح سعر كل ورقة مقبولًا - من يدري ، ربما في المستقبل القريب ، سيتم تصنيع جميع الآلات من هذا الفولاذ.
علم المعادن على مدى العقود القليلة الماضيةلقد اتخذت خطوة قوية إلى الأمام: يمكن الآن الحصول على المواد التي كانت تعتبر خيالًا علميًا منذ نصف قرن على نطاق صناعي. لم ينتشر الكثير منها بعد ، لكن من غير المعروف كيف سيتصرف السوق: ربما سنرى قريبًا أنواعًا جديدة من الفولاذ في الهواتف الذكية والثلاجات وأفران الميكروويف.
قراءة المزيد:
اتضح ما يحدث للدماغ البشري بعد ساعة في الغابة
أصبح معروفًا أي الشاي يدمر البروتين في الدماغ
تبين أن الكائنات البحرية الغريبة في أعماق المحيط تشبه البشر