Stal, która leczy się sama
W filmach science fiction obrażenia zadawane robotom leczą się same
Powłoki samonaprawiające to specjalne farby na bazie mikrokapsułek ze specjalnym materiałem polimerowym.Przy każdym uderzeniu mechanicznym, na przykład zadrapaniu, kapsułki ulegają zniszczeniu i uwalnia się z nich materiał, który zakrywa"Leczy" uszkodzenia, reagując z krawędziami nieuszkodzonej powłoki i powodując gojenie się zadrapania, a także izolując obszar od powierzchni.powietrze, zapobiegając korozji metalu.
Trudność w produkcji stali z taką powłoką polega zarówno na stworzeniu farby z mikrokapsułkami, jak i na jej aplikacji.
Farba jest koloidalnym roztworem polimerówmodyfikatorów i mikrokapsułek o wielkości kilku mikrometrów. Modyfikatory, czyli spoiwa, są potrzebne, aby polimery znajdowały się wewnątrz mikrokapsułek w stanie ciekłym. Skład samej mieszanki jest sklasyfikowany, a jej produkcją zajmuje się tylko kilka firm na całym świecie – technologia jest nowa i wciąż znajduje się w fazie pilotażowej.
„Samoregenerujące się powłoki to specjalne farby”
Kompozycję w stanie ciekłym nakłada się na stal inastępnie spoiwa są usuwane za pomocą suszarki, pozostawiając ciągłą warstwę polimeru z mikrokapsułkami. Ważne jest, aby powłoka była równomiernie rozłożona, a same kapsułki nie uległy uszkodzeniu, w przeciwnym razie właściwości stali będą się różnić w różnych obszarach.
Jeśli rynek doceni właściwości materiału, zwiększy się jego produkcja, a cena jednostkowa produktu spadnie, to można przewidywać, że taka stal stanie się powszechna.
Stal zabijająca bakterie
W produkcji zastosowano stal z powłoką antybakteryjnąlekarstwo. Wykonuje się z niego instrumenty dla lekarzy, elementy budynków szpitalnych jak poręcze czy panele na ścianach, na których zwykle gromadzą się szkodliwe mikroorganizmy. Co więcej, w czasie pandemii wielu producentów sprzętu, zwłaszcza smartfonów i laptopów, zaczęło z niego robić etui na gadżety.
Istnieje kilka odmian tego, jak stalnabiera właściwości antybakteryjnych. Częściej na powierzchnię materiału nakłada się powłokę polimerową, która zawiera jony srebra i miedzi. Metale te są bardzo skuteczne w walce z drobnoustrojami: w kontakcie niszczą ich skorupy, zabijając 99% mikroorganizmów.
Na przykład, jeśli stal jest zanurzona w roztworzeelektrolit i przyłożyć napięcie w specjalny sposób, na powierzchni powstają nanostruktury: mikroskopijne studzienki, kolce i igły.Podobnie jak jony metali, uszkadzają błony bakteryjne i zabijająJednocześnie proces technologiczny, w trakcie którego pozyskiwana jest taka stal, nie różni się od procesujuż wykorzystany w obróbce materiału – w podobny sposób metal jest polerowany lub podawanyPosiada właściwości antykorozyjne.
Oba podejścia są bezpieczne dla komórek zwierzęcych i roślinnych: ich rozmiar znacznie przekracza rozmiary drobnoustrojów, człowiek nie ma się czego obawiać.
Obiecującymi obszarami zastosowań stali z powłokami antybakteryjnymi są obecnie produkcja paneli wentylacyjnych i okładzin - na przykład dekoracja wnętrz w transporcie i lokalach.
„Metalurdzy szukają sposobów na tworzenie zarówno mocnej, jak i lekkiej stali do produkcji lekkich części”
Stal o dużej wytrzymałości — do maszyn o dużej wytrzymałości
Metalurdzy szukają sposobów na jednoczesne tworzeniemocna i lekka stal do wykonywania lekkich części. W produkcji samochodów zwiększy to ich prędkość i bezpieczeństwo kierowców. A przy produkcji sprzętu specjalnego trwałe i lekkie kadłuby zmniejszą zużycie paliwa.
Aby osiągnąć pożądane parametry, metalurdzy tworzą metalową konstrukcję z połączenia różnych faz, z których część zapewnia wzrost wytrzymałości, a część odpowiada za zachowanie ciągliwości.
W sumie w metalurgii wyróżnia się kilka faz stali:ferryt, następnie perlit, sorbit, troostyt, bainity i martenzyt. Ferryt charakteryzuje się małą wytrzymałością, jest natomiast plastyczny i łatwo rozciągalny. Im dalej od ferrytu znajduje się faza, tym większa jest jego wytrzymałość i mniejsza plastyczność.
Jeśli wtrącenia silniejszych faz (na przykład martenzyt) zostaną dodane do plastycznej matrycy ferrytycznej, otrzymasz "ciastko", które będzieJednocześnie jest plastyczny i trwały, ze względu na właściwości każdej z faz.Jednocześnie trudniej jest uzyskać stal składającą się z kombinacji różnych faz, jeśli są one daleko od siebie.Inny __________.
Stal ferrytowo-perlityczna nauczyła się zdobywać dawno temu,dziś jest to jedno ze standardowych zadań metalurgii. Stal ferrytyczno-troostytowa i ferrytyczno-bainityczna jest znacznie trudniejsza do zdobycia, ale opanowały ją duże firmy metalurgiczne. Ale silny ferryt-martenzyt jest już wynikiem złożonego procesu technologicznego, który wymaga specjalnego sprzętu i pewnego poziomu rozwoju technologii.
Stalowe „serca” urządzeń elektrycznych
Jednym z obszarów zastosowania stali jako materiału elektromagnetycznego jest produkcja rdzeni transformatorów, generatorów i silników elektrycznych.Żelazo jest wyjątkowym materiałem, który jest w stanie wytworzyć własne pole magnetyczne.Wynika to z jego struktury atomowej.
Atom żelaza ma w swojej strukturze cztery otwarte powłoki 3D, a zamiast dziesięciu elektronów znajduje się na nim tylko sześć elektronów.W przypadku niektórych pierwiastków (oprócz żelaza jest to również np. nikiel i kobalt) korzystne energetycznie staje się wypełnienie dwóch elektronów powłoki 4s, najbardziej oddalonych odJest więc kilka elektronów, w których orbitalne i spinowe momenty magnetyczne nie są kompensowane, krążą wokół jądra i tworząWłasne pole magnetyczne.
Niektóre metale (złoto, aluminium) mają elektronyna skorupach kompensują się nawzajem, dzięki czemu materiały nie tworzą pola magnetycznego. Istnieje wiele innych metali z niedokończonymi powłokami d, które można namagnesować, ale tylko żelazo, nikiel i kobalt wykazują te właściwości w temperaturze pokojowej, a nie tylko po schłodzeniu.
Stal w elektronice powinna być dobrze namagnesowanaw zewnętrznym polu magnetycznym i szybko ponownie namagnesować przy zmianie jego kierunku. W przypadku większości sieci przemysłowych i mieszkaniowych dzieje się to 50 razy na sekundę. Głównym wymaganiem w tym procesie jest właśnie łatwość odwracania magnesowania, co zapewni minimalne zużycie energii podczas eksploatacji gotowego produktu.
Żelazo jako materiał jest krystalicznestruktura, w której atomy znajdują się na wierzchołkach krawędzi i w środku kostek. Prawie jak w Lego. Okazuje się, że poszczególne pola magnetyczne każdego atomu składają się na wspólne pole - dzięki niemu części wykonane z żelaza mogą się ponownie namagnesować, przyciągać do magnesów lub same pełnić swoją rolę.
„Żelazo to wyjątkowy materiał, który może wytworzyć własne pole magnetyczne”
Unikalna stal na transformatory
Stal transformatorowa jest jednym z podgatunkówstale elektryczne. Posiada specjalną strukturę, w której sieć krystaliczna każdego odcinka stali jest jednakowo zorientowana w przestrzeni, dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie minimalnych strat energii podczas pracy urządzenia elektrycznego.
A teraz w prostych słowach.Duże objętości stali są niejednorodne - składają się z małych „ziarn” metalu, w których atomy tworzą sześcienną sieć krystaliczną. Jednocześnie w zwykłej stali różne „ziarna” mogą być inaczej zorientowane względem siebie - odpowiednio ich pola magnetyczne również mają różne kierunki.
Metalurdzy odnoszą sukcesy w przypadku stali transformatorowejaby osiągnąć odchylenie między siatkami różnych „ziarn” wynoszące zaledwie kilka stopni. W wyniku tej orientacji otrzymuje się materiał, który w strukturze dąży do pojedynczego kryształu, tak jakby absolutnie wszystkie atomy materiału były zawarte w jednej sieci, a nie poszczególne „ziarna”. Taka struktura metalu z punktu widzenia klasycznej teorii ferromagnetyzmu jest najbardziej energetycznie korzystna, ponieważ pole magnetyczne przechodzi przez wszystkie „ziarna” w jednym kierunku i zapewnia szybkie odwrócenie namagnesowania rdzenia jednostki elektrycznej przy minimalnych stratach mocy.
Cykl technologiczny produkcji stali transformatorowej jest najbardziej złożony w całej hutnictwie żelaza.Stal jest wytapiana za pomocą określonego składu chemicznego: dodaje się do niej na przykład krzem ze względu naco zwiększa opór elektryczny, a prądy powierzchniowe nie zakłócają pola magnetycznego.Następnie następuje walcowanie na gorąco, wytrawianie, walcowanie na zimno, wyżarzanie odwęglające, drugie walcowanie na zimno, powlekanie ochronne, wyżarzanie wysokotemperaturowe, powlekanie izolacją elektryczną i, w niektórych przypadkach, laserowa obróbka powierzchni.
Na każdym etapie technologicznym podejmowane są decyzjekilku zadań, począwszy od uzyskania wymaganej geometrii taśmy, a skończywszy na formowaniu spoin w wierzchnich warstwach metalu lub na całym przekroju taśmy.
Nanostrukturalna stal, która wygląda jak guma
Nanostrukturalne nazywamy strukturalnymistal, w której dobiera się skład chemiczny – dodaje się mangan, węgiel, chrom – a parametry obróbki tworzą unikalną strukturę. Zapewnia wysoką wytrzymałość i plastyczność.
Wcześniej, aby uzyskać taki materiał, wytapianostal o niestabilnej strukturze, dzięki której podczas odkształcania różne fazy metalu przechodzą z jednej na drugą, zmieniając swoje właściwości. Innymi słowy, stal stała się mocniejsza pod wpływem naprężeń mechanicznych.
A stal nanostrukturalna jest materiałem, ww którym każde „ziarno” ma bliźniaka zorientowanego w przeciwnym kierunku. Okazuje się, że materiał nie zapada się podczas odkształcania, ale rozciąga się - pod względem właściwości bardziej przypomina gumę. Stal nanostrukturalna może wydłużyć się do 50% swojej pierwotnej długości bez pękania i nadal wytrzymywać obciążenia 10 ton na centymetr kwadratowy. Dla porównania, zwykła stal jest 2,5 razy mniej wytrzymała i może wydłużyć się tylko o 20-25%.
Materiał ten, pomimo tego, że jak na razie jestprodukowana tylko w trybie testowym iw małych ilościach, ma duże perspektywy w przemyśle motoryzacyjnym i budowie maszyn: stal nanostrukturalna może być używana do uzyskiwania mocnych części o skomplikowanym kształcie. Ale chociaż produkcja nie jest produkowana masowo ze względu na złożoność i wysokie koszty, z tego powodu cena każdego arkusza jest zbyt wysoka. Jeśli zapotrzebowanie na materiał wzrośnie, produkcja nabierze zupełnie innej skali, a wtedy cena każdego arkusza stanie się akceptowalna – kto wie, być może w niedalekiej przyszłości wszystkie maszyny będą robione z takiej stali.
Metalurgia ostatnich kilkudziesięciu latzrobiła potężny krok naprzód: materiały, które pół wieku temu były uważane za science fiction, można teraz pozyskiwać na skalę przemysłową. Wiele z nich nie jest jeszcze rozpowszechnionych, ale nie wiadomo, jak zachowa się rynek: być może już niedługo zobaczymy nowe rodzaje stali w smartfonach, lodówkach i kuchenkach mikrofalowych.
Czytaj więcej:
Okazało się, co dzieje się z ludzkim mózgiem po godzinie w lesie
Wiadomo, która herbata niszczy białka w mózgu
Dziwne stworzenia morskie w głębinach oceanu okazały się podobne do ludzi