Стомана, която се самолекува
В научно-фантастичните филми щетите на роботите се лекуват сами.
Самовъзстановяващите се покрития са специалнибои. В основата си микрокапсули със специален полимерен материал. При всяко механично въздействие, например драскотина, капсулите се разрушават и от тях се отделя материал, който покрива нараненото място, а на повърхността се образува полимерен слой. Той „лекува“ повредата, като реагира с ръбовете на неповреденото покритие и го кара да заздрави драскотината, както и изолира зоната от въздуха, предотвратявайки корозията на метала.
Трудността при производството на стомана с такова покритие се състои както в създаването на боя с микрокапсули, така и в нейното приложение.
Боята е колоиден разтвор на полимеримодификатори и микрокапсули с размери няколко микрометра. Необходими са модификатори, тоест свързващи вещества, за да се гарантира, че полимерите са вътре в микрокапсулите в течно състояние. Съставът на самата смес е класифициран и само няколко компании по света се занимават с нейното производство - технологията е нова и все още е в пилотен етап.
„Самовъзстановяващите се покрития са специални бои“
Съставът в течно състояние се нанася върху стомана ислед това свързващите вещества се отстраняват с помощта на сушилня, оставяйки непрекъснат полимерен слой с микрокапсули. Важно е покритието да е равномерно разпределено и самите капсули да не са повредени, в противен случай свойствата на стоманата ще се различават в различните области.
Ако пазарът оцени качествата на материала, производството му стане по-голямо и единичната цена на продукта падне, тогава може да се прогнозира, че такава стомана ще стане широко разпространена.
Стомана убиец на бактерии
Използва се стомана с антибактериално покритиелекарство. От него се изработват лекарски инструменти, елементи от болнични сгради като парапети или пана по стените, където обикновено се натрупват вредни микроорганизми. Освен това по време на пандемията много производители на оборудване, особено смартфони и лаптопи, започнаха да правят калъфи за джаджи от него.
Има няколко вариации за това как стоманапридобива антибактериални свойства. По-често върху повърхността на материала се нанася полимерно покритие, което включва сребърни и медни йони. Тези метали са много ефективни в борбата с микробите: при контакт те разрушават черупките им, убивайки 99% от микроорганизмите.
Но има и други развития.Например, ако стоманата се потопи в електролитен разтвор и се приложи напрежение по специален начин, на повърхността се образуват наноструктури: микроскопични вдлъбнатини, шипове и игли. Те, подобно на металните йони, увреждат мембраните на бактериите и ги убиват. В същото време технологичният процес, по време на който се произвежда такава стомана, не се различава от вече използваните при обработката на материала - по подобен начин металът се полира или му се придават антикорозионни свойства.
И двата подхода са безопасни за животински и растителни клетки: техният размер значително надвишава размера на микробите, човек няма от какво да се страхува.
Обещаващи области на приложение на стоманата с антибактериални покрития днес са производството на вентилационни и облицовъчни панели - например интериорна декорация в транспорта и помещенията.
„Металурзите търсят начини да създадат както здрава, така и лека стомана, за да правят леки части“
Тежка стомана - за тежкотоварни машини
Металурзите търсят начини да създават едновременноздрава и лека стомана за направата на леки части. При производството на автомобили това ще повиши тяхната скорост и безопасността на водача. И при производството на специално оборудване, издръжливите и леки корпуси ще намалят разхода на гориво.
За да постигнат желаните параметри, металурзите образуват метална структура с комбинация от различни фази, някои от които осигуряват увеличаване на якостта, докато други са отговорни за поддържането на пластичността.
Общо в металургията се разграничават няколко фази на стоманата:ферит, последван от перлит, сорбит, троостит, бейнити и мартензит. Феритът се характеризира с ниска якост, докато е пластичен и лесно се разтяга. Колкото по-далеч от ферита е фазата, толкова по-висока е нейната якост и толкова по-ниска е пластичността.
Ако добавите към пластмасова феритна матрицаосеян с по-силни фази (например мартензит), ще получите „пай“, който ще бъде едновременно пластичен и здрав - поради свойствата на всяка от фазите. В същото време е по-трудно да се получи стомана, състояща се от комбинация от различни фази, ако те са разположени далеч една от друга.
Феритно-перлитната стомана се научи да получава отдавна,днес това е една от стандартните задачи на металургията. Ферит-трооститната и феритно-бейнитната стомана се получават много по-трудно, но големите металургични компании са я усвоили. Но силният ферит-мартензит вече е резултат от сложен технологичен процес, който изисква специално оборудване и определено ниво на технологично развитие.
Стоманени "сърца" на електроуреди
Една от областите на приложение на стоманата е катоелектромагнитен материал - производство на сърцевини за трансформатори, генератори и електродвигатели. Желязото е уникален материал, който е способен да създава собствено магнитно поле. Това се дължи на неговата атомна структура.
Атомът на желязото има четири отворени структури в структурата си.3d обвивка и вместо десет електрона има само шест. При някои елементи (освен желязото това са например никел и кобалт) запълването на два електрона в 4s обвивката, която е най-отдалечена от ядрото, става енергийно по-изгодна от запълването на 3d обвивката. Това оставя няколко електрона, чиито орбитален и спинов магнитен момент не са компенсирани; те се въртят в орбита около ядрото и създават собствено магнитно поле.
Някои метали (злато, алуминий) имат електронивърху черупките се компенсират взаимно, поради което материалите не създават магнитно поле. Има много други метали с незавършени d-обвивки, които могат да бъдат магнетизирани, но само желязото, никелът и кобалтът проявяват тези свойства при стайна температура, а не само при охлаждане.
Стоманата в електрониката трябва да бъде добре магнетизиранавъв външно магнитно поле и бързо се ремагнетизира при промяна на посоката си. За повечето индустриални и жилищни мрежи това се случва 50 пъти в секунда. Основното изискване в този процес е именно лекотата на обръщане на намагнитването, което ще осигури минимална консумация на енергия по време на работа на готовия продукт.
Желязото като материал е кристаленструктура, в която атомите са разположени по върховете на ръбовете и в центъра на кубовете. Почти като в Лего. Оказва се, че отделните магнитни полета на всеки атом се събират в едно общо поле - благодарение на него части от желязо могат да се ремагнетизират, да бъдат привлечени от магнити или сами да изпълняват ролята си.
„Желязото е уникален материал, който може да създаде собствено магнитно поле“
Уникална стомана за трансформатори
Трансформаторната стомана е един от подвидоветеелектротехнически стомани. Има специална структура, при която кристалната решетка на всеки участък от стоманата е еднакво ориентирана в пространството, поради което е възможно да се постигнат минимални загуби на енергия по време на работа на електрическия уред.
А сега с прости думи.Големите обеми стомана са разнородни - те се състоят от малки "зърна" метал, в които атомите образуват кубична кристална решетка. В същото време в обикновената стомана различните "зърна" могат да бъдат ориентирани по различен начин едно спрямо друго - техните магнитни полета съответно също имат различни посоки.
В трансформаторната стомана металурзите успяватза постигане на отклонение между решетките на различни "зърна" от само няколко градуса. В резултат на тази ориентация се получава материал, който клони по структура към единичен кристал, сякаш абсолютно всички атоми на материала са включени в една решетка, а не отделни „зърна“. Такава структура на метала от гледна точка на класическата теория на феромагнетизма е най-енергийно изгодна, тъй като магнитното поле преминава през всички "зърна" в една посока и осигурява бързо обръщане на намагнитването на сърцевината на електрическия блок. с минимална загуба на мощност.
Технологичен производствен цикълТрансформаторната стомана е най-сложната в цялата черна металургия. Стоманата се топи с помощта на определен химичен състав: например към нея се добавя силиций, поради което електрическото съпротивление се увеличава и повърхностните токове не нарушават магнитното поле. Следва горещо валцуване, декапиране, студено валцуване, обезвъглеродяващо отгряване, второ студено валцуване, нанасяне на защитно покритие, високотемпературно отгряване, нанасяне на електроизолационно покритие и в някои случаи лазерна повърхностна обработка.
На всеки технологичен етап се вземат решенияняколко задачи, започвайки с получаване на необходимата геометрия на лентата и завършвайки с образуването на фуги в повърхностните слоеве на метала или по цялото сечение на лентата.
Наноструктурирана стомана, която прилича на гума
Наноструктурираните се наричат структурнистомана, в която е избран химическият състав - добавят се манган, въглерод, хром - и параметрите на обработка образуват уникална структура. Осигурява висока здравина и пластичност.
Преди това, за да получат такъв материал, те топяхастомана с нестабилна структура, поради което по време на деформация различни фази на метала преминават от една в друга, променяйки свойствата си. С други думи, стоманата стана по-здрава при механично напрежение.
А наноструктурираната стомана е материал, вв който всяко „зърно“ има близнак, ориентиран в противоположна посока. Оказва се материал, който при деформиране не се срутва, а се разтяга - по отношение на свойствата той е по-скоро като гума. Наноструктурираната стомана може да се удължи до 50% от първоначалната си дължина, без да се счупи и все пак да издържи натоварване от 10 тона на квадратен сантиметър. За сравнение, обикновената стомана е 2,5 пъти по-малко здрава и може да се удължи само с 20-25%.
Този материал, въпреки факта, че досега сипроизвежда се само в тестов режим и в малки количества, има големи перспективи в автомобилната индустрия и машиностроенето: наноструктурираната стомана може да се използва за получаване на здрави части със сложна форма. Но въпреки че производството не е масово поради сложността и високата цена, поради това цената на всеки лист е твърде висока. Ако нуждата от материала нарасне, производството ще придобие съвсем различен мащаб и тогава цената на всеки лист ще стане приемлива - кой знае, може би в близко бъдеще всички машини ще бъдат направени от такава стомана.
Металургията през последните няколко десетилетиянаправи мощна крачка напред: материали, считани за научна фантастика преди половин век, сега могат да бъдат получени в промишлен мащаб. Много от тях все още не са широко разпространени, но не е известно как ще се държи пазарът: може би много скоро ще видим нови видове стомана в смартфони, хладилници и микровълнови печки.
Прочетете още:
Оказа се какво се случва с човешкия мозък след един час в гората
Стана известно кой чай разрушава протеините в мозъка
Странни морски обитатели в дълбините на океана се оказаха подобни на хората