Teräs, joka "parantaa" itsensä
Scifi-elokuvissa robottien vauriot paranevat itsestään.
Itsekorjautuvat pinnoitteet ovat erityisiämaalit. Niiden ytimessä mikrokapselit erityisellä polymeerimateriaalilla. Kaikilla mekaanisilla iskuilla, esimerkiksi naarmulla, kapselit tuhoutuvat ja niistä vapautuu materiaalia, joka peittää vaurioituneen alueen, ja pinnalle muodostuu polymeerikerros. Se "parantaa" vauriot reagoimalla vahingoittumattoman pinnoitteen reunojen kanssa ja saattamalla sen parantamaan naarmua sekä eristämään alueen ilmasta ja estämällä metallin korroosion.
Vaikeus valmistaa terästä tällaisella pinnoitteella piilee sekä maalin luomisessa mikrokapseleilla että sen levittämisessä.
Maali on kolloidinen polymeeriliuosmuuntajat ja mikrokapselit, joiden koko on useita mikrometrejä. Modifioreita eli sideaineita tarvitaan varmistamaan, että polymeerit ovat mikrokapseleiden sisällä nestemäisessä tilassa. Itse seoksen koostumus on luokiteltu, ja vain muutama yritys ympäri maailmaa harjoittaa sen tuotantoa - tekniikka on uutta ja on vielä pilottivaiheessa.
"Itseparantuvat pinnoitteet ovat erikoismaaleja"
Nestemäisessä tilassa oleva koostumus levitetään teräkseen jasitten sideaineet poistetaan käyttämällä kuivausuunia, jolloin jäljelle jää jatkuva polymeerikerros mikrokapseleineen. On tärkeää, että pinnoite jakautuu tasaisesti ja että itse kapselit eivät vaurioidu, muuten teräksen ominaisuudet vaihtelevat eri alueilla.
Jos markkinat arvostavat materiaalin ominaisuuksia, sen tuotanto kasvaa ja tuotteen yksikköhinta laskee, voidaan ennustaa tällaisen teräksen yleistymistä.
Bakteerien tappaja teräs
Teräs, jossa on antibakteerinen pinnoite, käytetäänlääke. Siitä valmistetaan lääkäreiden instrumentteja, sairaalarakennusten elementtejä, kuten kaiteita tai seinien paneeleja, joihin yleensä kerääntyy haitallisia mikro-organismeja. Lisäksi pandemian aikana monet laitevalmistajat, erityisesti älypuhelimien ja kannettavien tietokoneiden valmistajat, alkoivat tehdä siitä gadget-koteloita.
Teräksestä on olemassa useita muunnelmiasaa antibakteerisia ominaisuuksia. Useammin materiaalin pinnalle levitetään polymeeripinnoite, joka sisältää hopea- ja kupari-ioneja. Nämä metallit ovat erittäin tehokkaita mikrobien torjunnassa: kosketuksissa ne tuhoavat kuorensa ja tappavat 99% mikro-organismeista.
Mutta on muitakin kehityskulkuja.Jos esimerkiksi teräs upotetaan elektrolyyttiliuokseen ja jännite kohdistetaan erityisellä tavalla, pintaan muodostuu nanorakenteita: mikroskooppisia kuoppia, piikkejä ja neuloja. Ne, kuten metalli-ionit, vahingoittavat bakteerien kalvoja ja tappavat ne. Samaan aikaan teknologinen prosessi, jonka aikana tällaista terästä valmistetaan, ei poikkea materiaalin käsittelyssä jo käytetyistä - samalla tavalla metalli kiillotetaan tai sille annetaan korroosionestoominaisuudet.
Molemmat lähestymistavat ovat turvallisia eläin- ja kasvisoluille: niiden koko ylittää huomattavasti mikrobien koon, ihmisellä ei ole mitään pelättävää.
Antibakteerisilla pinnoitteilla varustetun teräksen lupaavia käyttökohteita ovat nykyään ilmanvaihto- ja verhouspaneelien valmistus - esimerkiksi kuljetusten ja tilojen sisustus.
"Metallurgit etsivät tapoja luoda sekä vahvaa että kevyttä terästä kevyiden osien valmistamiseksi"
Heavy Duty Steel - Raskaisiin koneisiin
Metallurgit etsivät tapoja luoda samanaikaisestivahvaa ja kevyttä terästä kevyiden osien valmistamiseksi. Autojen tuotannossa tämä lisää niiden nopeutta ja kuljettajan turvallisuutta. Ja erikoislaitteiden tuotannossa kestävät ja kevyet rungot vähentävät polttoaineen kulutusta.
Haluttujen parametrien saavuttamiseksi metallurgit muodostavat metallirakenteen, jossa on yhdistelmä eri vaiheita, joista osa lisää lujuutta, kun taas toiset ovat vastuussa sitkeyden ylläpitämisestä.
Kaiken kaikkiaan metallurgiassa erotetaan useita teräksen vaiheita:ferriitti, jota seuraavat perliitti, sorbiitti, troostiitti, bainiitti ja martensiitti. Ferriitille on ominaista alhainen lujuus, mutta se on sitkeä ja helposti venyvä. Mitä kauempana ferriitistä faasi on, sitä suurempi on sen lujuus ja sitä pienempi sitkeys.
Jos lisäät muoviseen ferriittimatriisiinvahvempien faasien (esimerkiksi martensiitti) välissä saat "piirakan", joka on sekä muovinen että vahva - kunkin vaiheen ominaisuuksien vuoksi. Samanaikaisesti eri faasien yhdistelmästä koostuvan teräksen saaminen on vaikeampaa, jos ne sijaitsevat kaukana toisistaan.
Ferriitti-perliittiteräs oppi saamaan kauan sitten,nykyään se on yksi metallurgian perustehtävistä. Ferriitti-troostiitti- ja ferriitti-bainiittiteräs on paljon vaikeampi saada, mutta suuret metallurgiset yritykset ovat hallitseneet sen. Mutta vahva ferriittimartensiitti on jo tulosta monimutkaisesta teknologisesta prosessista, joka vaatii erikoislaitteita ja tietyn tason teknologian kehitystä.
Sähkölaitteiden teräs "sydämet".
Yksi teräksen käyttöalueista on assähkömagneettinen materiaali - muuntajien, generaattoreiden ja sähkömoottoreiden ytimien tuotanto. Rauta on ainutlaatuinen materiaali, joka pystyy luomaan oman magneettikentän. Tämä johtuu sen atomirakenteesta.
Rautaatomin rakenteessa on neljä avointa rakennetta.3d-kuori ja kymmenen elektronin sijasta on vain kuusi. Joidenkin alkuaineiden (raudan lisäksi näitä ovat esimerkiksi nikkeli ja koboltti) tapauksessa kahden elektronin täyttäminen ytimestä kauimpana olevaan 4s-kuoreen tulee energeettisesti edullisemmaksi kuin 3d-kuoren täyttäminen. Tämä jättää muutaman elektronin, joiden kierto- ja spinmagneettiset momentit eivät ole kompensoituja, ne pyörivät ytimen ympärillä ja luovat oman magneettikentän.
Joissakin metalleissa (kulta, alumiini) on elektronejakuorissa kompensoivat toisiaan, minkä vuoksi materiaalit eivät luo magneettikenttää. On monia muita metalleja, joissa on keskeneräiset d-kuoret, jotka voidaan magnetoida, mutta vain raudalla, nikkelillä ja koboltilla on nämä ominaisuudet huoneenlämpötilassa, ei vain jäähdytettynä.
Elektroniikassa olevan teräksen tulee olla hyvin magnetoituaulkoisessa magneettikentässä ja magnetoituu nopeasti uudelleen suuntaa muuttaessaan. Useimmissa teollisuus- ja asuinverkoissa tämä tapahtuu 50 kertaa sekunnissa. Tämän prosessin päävaatimus on juuri magnetoinnin käännön helppous, mikä varmistaa minimaalisen energiankulutuksen valmiin tuotteen käytön aikana.
Rauta materiaalina on kiteinenrakenne, jossa atomit sijaitsevat reunojen yläosassa ja kuutioiden keskellä. Melkein kuin Legossa. Osoittautuu, että kunkin atomin yksittäiset magneettikentät muodostavat yhteisen kentän - sen ansiosta raudasta valmistetut osat voivat magnetoitua uudelleen, vetäytyä magneeteista tai toimia itse roolissaan.
"Rauta on ainutlaatuinen materiaali, joka voi luoda oman magneettikentän"
Ainutlaatuinen teräs muuntajille
Muuntajateräs on yksi alalajeistasähköteräkset. Siinä on erityinen rakenne, jossa teräksen kunkin osan kidehila on tasaisesti suunnattu avaruuteen, minkä ansiosta on mahdollista saavuttaa minimaaliset energiahäviöt sähkölaitteen käytön aikana.
Ja nyt yksinkertaisin sanoin.Suuret määrät terästä ovat heterogeenisiä - ne koostuvat pienistä metallin "rakeista", joissa atomit muodostavat kuutiokidehilan. Samanaikaisesti tavallisessa teräksessä eri "rakeita" voidaan suunnata eri tavalla suhteessa toisiinsa - niiden magneettikentillä on myös eri suunnat.
Muuntajateräksessä metallurgit menestyvätsaavuttaa vain muutaman asteen poikkeama eri "jyvien" hilan välillä. Tämän orientaation tuloksena saadaan materiaali, joka rakenteeltaan pyrkii yhdeksi kiteeksi, ikään kuin absoluuttisesti kaikki materiaalin atomit sisältyisivät yhteen hilaan, ei yksittäisiin "jyviin". Tällainen metallin rakenne klassisen ferromagnetismin teorian näkökulmasta on energeettisesti edullisin, koska magneettikenttä kulkee kaikkien "jyvien" läpi yhteen suuntaan ja tarjoaa nopean sähköyksikön ytimen magnetoinnin käännöksen. minimaalisella tehohäviöllä.
Tekninen tuotantosykliMuuntajateräs on monimutkaisin koko rautametalurgiassa. Teräs sulatetaan tietyllä kemiallisella koostumuksella: siihen lisätään esimerkiksi piitä, jonka ansiosta sähkövastus kasvaa ja pintavirrat eivät häiritse magneettikenttää. Seuraavaksi tulee kuumavalssaus, peittaus, kylmävalssaus, hiilenpoistohehkutus, toinen kylmävalssaus, suojapinnoitteen levitys, korkean lämpötilan hehkutus, sähköeristyspinnoitteen levitys ja joissakin tapauksissa laserpintakäsittely.
Jokaisessa teknologian vaiheessa tehdään päätöksiäuseita tehtäviä alkaen vaaditun nauhageometrian hankkimisesta ja päättyen liitosten muodostukseen metallin pintakerroksiin tai koko nauhan osuuteen.
Nanorakenteinen teräs, joka näyttää kumilta
Nanostrukturoitua kutsutaan rakenteelliseksiteräs, johon valitaan kemiallinen koostumus - lisätään mangaania, hiiltä, kromia - ja käsittelyparametrit muodostavat ainutlaatuisen rakenteen. Se tarjoaa korkean lujuuden ja taipuisuuden.
Aiemmin tällaisen materiaalin saamiseksi he sulattivatteräs, jolla on epävakaa rakenne, jonka vuoksi muodonmuutoksen aikana metallin eri vaiheet siirtyivät toisistaan muuttaen niiden ominaisuuksia. Toisin sanoen teräs vahvistui mekaanisen rasituksen vaikutuksesta.
Ja nanorakenteinen teräs on materiaalijossa jokaisessa "jyvässä" on kaksois, joka on suunnattu vastakkaiseen suuntaan. Se osoittautuu materiaaliksi, joka ei romahda muodonmuutoksen aikana, vaan venyy - ominaisuuksien suhteen se on enemmän kuin kumi. Nanorakenteinen teräs voi venyä jopa 50 % alkuperäisestä pituudestaan rikkoutumatta ja silti kestää 10 tonnin kuormitusta neliösenttimetriä kohti. Vertailun vuoksi tavallinen teräs on 2,5 kertaa vähemmän luja ja voi venyä vain 20-25%.
Tämä materiaali huolimatta siitä, että toistaiseksi sevalmistettu vain testitilassa ja pieninä määrinä, sillä on suuret näkymät autoteollisuudessa ja koneenrakennuksessa: nanorakenteisella teräksellä voidaan saada monimutkaisen muotoisia vahvoja osia. Mutta vaikka tuotanto ei ole massatuotantoa monimutkaisuuden ja korkeiden kustannusten vuoksi, tämän vuoksi jokaisen arkin hinta on liian korkea. Jos materiaalin tarve kasvaa, tuotanto muuttuu täysin eri mittakaavaksi, ja sitten jokaisen levyn hinnasta tulee hyväksyttävä - kuka tietää, ehkä lähitulevaisuudessa kaikki koneet valmistetaan tällaisesta teräksestä.
Metallurgia viime vuosikymmeninäon ottanut voimakkaan askeleen eteenpäin: puoli vuosisataa sitten tieteisfiktioksi pidettyjä materiaaleja voidaan nyt hankkia teollisessa mittakaavassa. Monet niistä eivät ole vielä levinneet, mutta ei tiedetä, kuinka markkinat käyttäytyvät: ehkä pian näemme uusia terästyyppejä älypuhelimissa, jääkaapissa ja mikroaaltouunissa.
Lue lisää:
Kävi ilmi, mitä tapahtuu ihmisen aivoille tunnin kuluttua metsässä
Tuli tiedoksi, mikä tee tuhoaa proteiinia aivoissa
Meren syvyyksissä olevat oudot meriolennot osoittautuivat samanlaisiksi kuin ihmiset