Staal dat zichzelf “geneest”
In sciencefictionfilms geneest schade aan robots vanzelf.
Zelfherstellende coatings zijn bijzonderverven. In hun kern microcapsules met een speciaal polymeermateriaal. Bij elke mechanische impact, bijvoorbeeld een kras, worden de capsules vernietigd en komt er materiaal vrij dat het gewonde gebied bedekt, en wordt er een polymeerlaag op het oppervlak gevormd. Het “geneest” de schade door te reageren met de randen van de onbeschadigde coating en ervoor te zorgen dat deze de kras geneest, en door het gebied te isoleren van de lucht, waardoor corrosie van het metaal wordt voorkomen.
De moeilijkheid bij het produceren van staal met een dergelijke coating ligt zowel in het maken van verf met microcapsules als in het aanbrengen ervan.
Verf is een colloïdale oplossing van polymerenmodifiers en microcapsules van enkele micrometers groot. Modificatoren, dat wil zeggen bindmiddelen, zijn nodig om ervoor te zorgen dat de polymeren zich in vloeibare toestand in de microcapsules bevinden. De samenstelling van het mengsel zelf is geclassificeerd en slechts een paar bedrijven over de hele wereld zijn bezig met de productie ervan - de technologie is nieuw en bevindt zich nog in de proeffase.
"Zelfherstellende coatings zijn speciale verven"
De samenstelling in vloeibare toestand wordt aangebracht op staal, envervolgens worden de bindmiddelen verwijderd met behulp van een droogoven, waarbij een continue polymeerlaag met microcapsules overblijft. Het is belangrijk dat de coating gelijkmatig wordt verdeeld en dat de capsules zelf niet worden beschadigd, anders zullen de eigenschappen van het staal op verschillende gebieden verschillen.
Als de markt de eigenschappen van het materiaal waardeert, de productie groter wordt en de eenheidsprijs van het product daalt, dan kan worden voorspeld dat dergelijk staal wijdverbreid zal worden.
Bacteriemoordenaar staal
Staal met antibacteriële coating wordt gebruikt ingeneesmiddel. Het wordt gebruikt om instrumenten van artsen te maken, elementen van ziekenhuisgebouwen zoals balustrades of panelen op muren, waar schadelijke micro-organismen zich gewoonlijk ophopen. Bovendien begonnen tijdens de pandemie veel fabrikanten van apparatuur, vooral smartphones en laptops, er gadgethoesjes van te maken.
Er zijn verschillende variaties op hoe staalkrijgt antibacteriële eigenschappen. Vaker wordt een polymeercoating aangebracht op het oppervlak van het materiaal, waaronder zilver- en koperionen. Deze metalen zijn zeer effectief in de strijd tegen microben: bij contact vernietigen ze hun omhulsels en doden ze 99% van de micro-organismen.
Maar er zijn nog meer ontwikkelingen.Als staal bijvoorbeeld wordt ondergedompeld in een elektrolytoplossing en er op een speciale manier spanning op wordt gezet, ontstaan er nanostructuren op het oppervlak: microscopisch kleine putjes, spijkers en naalden. Ze beschadigen, net als metaalionen, de membranen van bacteriën en doden ze. Tegelijkertijd verschilt het technologische proces waarbij dergelijk staal wordt geproduceerd niet van het proces dat al wordt gebruikt bij de verwerking van het materiaal - op een vergelijkbare manier wordt het metaal gepolijst of krijgt het anticorrosieve eigenschappen.
Beide benaderingen zijn veilig voor dierlijke en plantaardige cellen: hun grootte is veel groter dan de grootte van microben, een persoon heeft niets te vrezen.
Veelbelovende toepassingsgebieden voor staal met antibacteriële coatings zijn tegenwoordig de productie van ventilatie- en bekledingspanelen - bijvoorbeeld interieurdecoratie in transport en gebouwen.
"Metallurgen zoeken naar manieren om zowel sterk als lichtgewicht staal te maken om lichte onderdelen te maken"
Zwaar uitgevoerd staal - voor zware machines
Metallurgen zoeken naar manieren om tegelijkertijd te creërensterk en licht staal om lichte onderdelen te maken. Bij de productie van auto's zal dit hun snelheid en veiligheid voor de bestuurder verhogen. En bij de productie van speciale uitrustingen zullen duurzame en lichtgewicht rompen het brandstofverbruik verminderen.
Om de gewenste parameters te bereiken, vormen metallurgen een metalen structuur met een combinatie van verschillende fasen, waarvan sommige zorgen voor een toename van de sterkte, terwijl andere verantwoordelijk zijn voor het behoud van ductiliteit.
In totaal worden in de metallurgie verschillende fasen van staal onderscheiden:ferriet, gevolgd door perliet, sorbiet, troostiet, bainieten en martensiet. Ferriet wordt gekenmerkt door een lage sterkte, terwijl het ductiel en gemakkelijk uitgerekt is. Hoe verder van het ferriet de fase is, hoe hoger de sterkte en hoe lager de ductiliteit.
Als je iets toevoegt aan een plastic ferrietmatrixafgewisseld met sterkere fasen (bijvoorbeeld martensiet), krijg je een "taart" die zowel plastic als sterk zal zijn - vanwege de eigenschappen van elk van de fasen. Tegelijkertijd is het moeilijker om staal te verkrijgen dat uit een combinatie van verschillende fasen bestaat als deze ver uit elkaar liggen.
Ferriet-perlitisch staal heeft lang geleden geleerd om te krijgen,vandaag is het een van de standaardtaken van de metallurgie. Ferriet-troostiet en ferriet-bainitisch staal is veel moeilijker te verkrijgen, maar grote metallurgische bedrijven hebben het onder de knie. Maar een sterk ferriet-martensiet is al het resultaat van een complex technologisch proces dat speciale apparatuur en een bepaald niveau van technologische ontwikkeling vereist.
Stalen "harten" van elektrische apparaten
Eén van de toepassingsgebieden van staal is alselektromagnetisch materiaal - productie van kernen voor transformatoren, generatoren en elektromotoren. IJzer is een uniek materiaal dat in staat is zijn eigen magnetisch veld te creëren. Dit komt door de atomaire structuur.
Het ijzeratoom heeft vier open structuren in zijn structuur.3D-schil en in plaats van tien elektronen zijn er slechts zes. Bij sommige elementen (naast ijzer zijn dit bijvoorbeeld nikkel en kobalt) wordt het vullen van twee elektronen in de 4s-schil, die het verst van de kern verwijderd is, energetisch gunstiger dan het vullen van de 3d-schil. Hierdoor blijven er enkele elektronen over waarvan de orbitale en spin-magnetische momenten niet worden gecompenseerd; ze roteren in een baan rond de kern en creëren hun eigen magnetische veld.
Sommige metalen (goud, aluminium) hebben elektronenop de schalen compenseren elkaar, waardoor de materialen geen magnetisch veld creëren. Er zijn veel andere metalen met onafgewerkte d-schalen die kunnen worden gemagnetiseerd, maar alleen ijzer, nikkel en kobalt vertonen deze eigenschappen bij kamertemperatuur, niet alleen gekoeld.
Staal in elektronica moet goed gemagnetiseerd zijnin een extern magnetisch veld en hermagnetiseren snel bij het veranderen van richting. Voor de meeste industriële en residentiële netwerken gebeurt dit 50 keer per seconde. De belangrijkste vereiste in dit proces is juist het gemak van magnetisatie-omkering, wat zorgt voor een minimaal energieverbruik tijdens de werking van het eindproduct.
IJzer als materiaal is kristallijneen structuur waarin de atomen zich bovenaan de randen en in het midden van de kubussen bevinden. Bijna zoals in Lego. Het blijkt dat de individuele magnetische velden van elk atoom samen een gemeenschappelijk veld vormen - hierdoor kunnen onderdelen van ijzer opnieuw magnetiseren, aangetrokken worden door magneten of zelf hun rol vervullen.
“IJzer is een uniek materiaal dat een eigen magnetisch veld kan creëren”
Uniek staal voor transformatoren
Transformatorstaal is een van de ondersoortenelektrisch staal. Het heeft een speciale structuur, waarbij het kristalrooster van elke sectie van het staal gelijk in de ruimte is georiënteerd, waardoor het mogelijk is om minimale energieverliezen te bereiken tijdens de werking van het elektrische apparaat.
En nu in eenvoudige woorden.Grote hoeveelheden staal zijn heterogeen - ze bestaan uit kleine "korrels" metaal waarin atomen een kubisch kristalrooster vormen. Tegelijkertijd kunnen verschillende "korrels" in gewoon staal verschillend ten opzichte van elkaar worden georiënteerd - hun magnetische velden hebben respectievelijk ook verschillende richtingen.
In transformatorstaal slagen metallurgenom een afwijking tussen de roosters van verschillende "korrels" van slechts een paar graden te bereiken. Als resultaat van deze oriëntatie wordt een materiaal verkregen dat qua structuur neigt naar een enkel kristal, alsof absoluut alle atomen van het materiaal in een enkel rooster zijn opgenomen, en niet individuele "korrels". Een dergelijke structuur van het metaal vanuit het oogpunt van de klassieke theorie van ferromagnetisme is energetisch het meest voordelig, aangezien het magnetische veld door alle "korrels" in één richting gaat en zorgt voor een snelle magnetisatie-omkering van de kern van de elektrische eenheid met minimaal vermogensverlies.
Technologische productiecyclusTransformatorstaal is het meest complexe staal in de gehele ferrometallurgie. Staal wordt gesmolten met behulp van een bepaalde chemische samenstelling: er wordt bijvoorbeeld silicium aan toegevoegd, waardoor de elektrische weerstand toeneemt en oppervlaktestromen het magnetische veld niet verstoren. Vervolgens komen warmwalsen, beitsen, koudwalsen, ontkolen en ontkolen, een tweede koudwalsen, aanbrengen van een beschermende coating, gloeien bij hoge temperatuur, aanbrengen van een elektrisch isolerende coating en, in sommige gevallen, laseroppervlaktebehandeling.
In elke technologische fase worden beslissingen genomenverschillende taken, beginnend met het verkrijgen van de vereiste stripgeometrie en eindigend met het vormen van voegen in de oppervlaktelagen van het metaal of over het gehele gedeelte van de strip.
Nanogestructureerd staal dat op rubber lijkt
Nanogestructureerd wordt structureel genoemdstaal, waarin de chemische samenstelling wordt geselecteerd - mangaan, koolstof, chroom worden toegevoegd - en de verwerkingsparameters vormen een unieke structuur. Het biedt hoge sterkte en ductiliteit.
Eerder, om zo'n materiaal te verkrijgen, smolten zestaal met een onstabiele structuur, waardoor tijdens de vervorming verschillende fasen van het metaal van de ene naar de andere gingen, waardoor hun eigenschappen veranderden. Met andere woorden, het staal werd sterker onder mechanische belasting.
En nanogestructureerd staal is een materiaal, inwaarin elke "korrel" een tweeling heeft die in de tegenovergestelde richting is georiënteerd. Het blijkt een materiaal te zijn dat niet instort tijdens vervorming, maar uitrekt - qua eigenschappen lijkt het meer op rubber. Nanogestructureerd staal kan tot 50% van zijn oorspronkelijke lengte verlengen zonder te breken en is nog steeds bestand tegen belastingen van 10 ton per vierkante centimeter. Ter vergelijking: gewoon staal is 2,5 keer minder sterk en kan slechts 20-25% uitrekken.
Dit materiaal, ondanks het feit dat het tot nu toe isalleen in testmodus en in kleine volumes geproduceerd, heeft grote vooruitzichten in de auto-industrie en machinebouw: staal met nanostructuur kan worden gebruikt om sterke onderdelen met een complexe vorm te verkrijgen. Maar hoewel de productie vanwege de complexiteit en hoge kosten niet in massa wordt geproduceerd, is de prijs van elk vel hierdoor te hoog. Als de behoefte aan het materiaal groeit, zal de productie op een heel andere schaal plaatsvinden en zal de prijs van elk vel acceptabel worden - wie weet, misschien zullen in de nabije toekomst alle machines van dergelijk staal worden gemaakt.
Metallurgie in de afgelopen decenniaheeft een krachtige stap voorwaarts gezet: materialen die een halve eeuw geleden nog als sciencefiction werden beschouwd, kunnen nu op industriële schaal worden verkregen. Velen van hen zijn nog niet wijdverspreid, maar het is niet bekend hoe de markt zich zal gedragen: misschien zien we binnenkort nieuwe staalsoorten in smartphones, koelkasten en magnetrons.
Lees verder:
Het bleek wat er met het menselijk brein gebeurt na een uur in het bos
Het werd bekend welke thee eiwitten in de hersenen vernietigt
Vreemde zeedieren in de diepten van de oceaan bleken op mensen te lijken