Цель: "отшлифовать" проект, найти единомышленников, индустриальных партнёров.
Суть: разрабатываем в "гаражной" лабе материалы с хитрым молекулярным дизайном.
Молекулярный дизайн промтыми словами, это такой a-la лего-конструктор, где элементы-молекулы, которые образуют комплексы стабильные при нормальных условиях и, что особенно важно, в экстремальных. Экстремальные условия это среды очень сильно отличающиеся от 1 атмосферы, 20С и т.п. комфортных условий, например температуры ниже -100С и выше +650С, деформации более 500% и т.п.
Задача - производить материалы для промышленностей, которые обладают уникальными хапактеристиками и высокой технологичностью.
Сплошное материаловедение и синтетическая химия, но простыми словами и понятными областями применения.
Для тех, кто понимает, что мир материален, айфоны не растут на деревьях и ex nihile nihel)
В качестве фокуса разработки новых материалов мы выбрали широкораспространённые полимеры: эпоксидные смолы, полиуретаны (от эластичных нитей в женских чулках до "поролона"), силиконы, стиролы и полиолефины (полиэтилен, полипропилен), поливинилхлориды во всем их многообразии.
Основа концепции это топологические сополимеры, большее влияние молекулярной структуры на эксплуатационные свойства материалов чем и молекулярный состав. В качестве примера: посмотрите на конструкции башен и сводов В.Шухова и сравните с инженерными решениями Эйфеля.
Что научились делать за "многолет": молекулярные узлы и различные способы их "связывания", "межмолекулярный клей", "выворачивание" молекулярных структур (и поэтому топология в том числе) так, что реации в синтезе и "вулканизации" происходят почти мгновенно. Это не все, но самые важные наработки, которые позволяют быстро, дешево, эффективно получать материалы с расширенными функциональными свойствами и апериодической молекулярной структурой.
Сами по себе наши разработки, по факту, никому не нужны. Но вот функциональные материалы, а особенно изделия из них, нужны очень многим.
Сейчас мы ищем гипотезы продуктовых линеек, которые могут "взорвать" рынок и обеспечить устойчивый спрос, при наших скромных производственных мощностях.
Сферы куда мы смотрим и где ищем интересантов: 3Д печать инженерными пластиками, прозрачные защитные покрытия (типа напыляемых эпоксидок), сверхпрочные клея с остаточной липкостью в том числе по полиолефинам.
Возможно в комментариях вы оставите своё видение новых материалов, их сценарии применения и превосходящие ожидания свойства в сравнии с сузествующими аналогами.
В серии я буду рассказывать о материаловедении и о том как можно сделать молекулярный "трикотаж" -буквально материал из "вязанных" молекул и какими свойствами может обладать, например плёнка или нить из такого материала, как апериодическая структура материала для протезов может стимулировать гистогенез и регенативные процессы живых организмов.
Как сделать синтетические материалы "самозалечивающимися" и добиться 100% рециклинга пластиков и почему "общество потребления" смениться обществом созидания.
На все вопросы не гарантирую ответов, но буду признателен за конструктивные критику и предложения!
Подумал, что сообщество самое компетентное для вопроса. Есть некроавтомобиль с деградировавшем на солнце пластиком решеток воздуховода, отчего те побелели.
Внизу ок, вверху - не ок. Материал тот же.
На самих решетках материал не указан, на соседних похожих внешне и тактильно - ABS/PA.
Задача: восстановить черный цвет, чтобы он не стерся.
Что сделано:
Наждачка успешно снимает верхний слой, но за собой так же оставляет белесые следы.
Нагрев паяльным феном убирает белый цвет, только невозможно поймать момент когда пластик еще не плавится, но уже темнеет. При температуре в районе 290.
Ацетон, дихлорэтан - в него делали не погружал, но на смазывание кисточкой не реагируют.
00:00 Начало 00:35 Космическое дерево 02:55 Ледяная тайна Мимаса 05:36 Из чего построят светлое будущее 07:30 Как услышать все, что хочется 09:35 Чем украсить интерьер 11:15 Порченный Гольфстрим 15:00 Что скрывают пыльные архивы Nature
Сейчас частенько можно услышать, что тот или иной материал с эффектом памяти формы научились использовать очередным перспективным образом. В большинстве случаев, про «память формы» многие вычитывают в описании какого-нибудь умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела пользователя и потом тело поддерживается в удобном состоянии.
Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда.
Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.
Опыт простой. Берем проволоку из титана-никеля, которая скручена в пружинку, нагреваем зажигалкой эту пружинку и видим, что спираль начала распрямляться и опять стала ровной проволоченной.
После остывания проволока так и останется прямой. Холодный образец можно вновь скрутить и вновь распрямить зажигалкой. Причём, форму можно придать абсолютно любую. Скажем, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании опять станет прямой.
Главный вопрос, который следует из опыта, тут логичен - что такое происходит с этой проволокой и что это за особая уличная магия?
Для объяснения эффекта нужно иметь общее представление о кристаллической структуре металлов и о процессе закалки. Давайте вспомним самые основы. Попрошу тут не придираться к формулировкам, так как хочется адаптировать текст для самых разных читателей с самыми разными уровнями знаний по теме.
Металлы в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решётку. Кристаллической решеткой называется мнимая конструкция, которую мы можем изобразить, если в пространстве соединим атомы элемента друг с другом линиями.
При этом атомы металла будут расположены в точках пересечения этих мнимых линий или, как это называется более правильно, в узлах решётки. Та часть, которая регулярно повторяется, будет называться элементарной ячейкой решётки. И так всё здорово будет до тех пор, пока речь идёт о чистом компоненте.
Если сплавить два металла вместе, то атомам второго компонента сплава тоже нужно где-то расположиться. У второго компонента, как правило, есть собственная кристаллическая структура, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как хлопья разного типа в молоке.
Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, то атомам второго компонента нужно найти для себя место. При этом основной компонент старается доминировать и его атомы образуют уверенные каркасы, обладая высокой энергией связи. Примесные атомы стараются занять оставшиеся свободные места.
Система уравновешивается в некоторой конфигурации и атомы второго компонента пытаются позанимать вакантные места в новой кристаллической решетке.
Теперь представим себе, что такой двухкомпонентный сплав мы нагрели и видим, что атомы и первого, и второго компонентов пытаются начать интенсивное тепловое движение. Если остудить это великолепие с нормальной скоростью, то система вернется к равновесному состоянию.
Зато вот если охлаждать сплав резко, то второй компонент не успеет распределиться стандартным образом и будут образовываться новые конструкции. Такая структура может называться, например, мартенсит, а процесс именуется закалкой.
Это пример для стали, но он хороший. Видите - перестраивается и сама решетка с ОЦК на ГПУ, и углерод перераспределяется в системе.
Структура после закалки обычно напряжена и напоминает что-то типа сжатой пружины в ящике. Атомы уже не могут свободно двигаться, а сам ящик становится твёрже. Поэтому, повышаются хрупкость и ломкость.
В некоторых случаях наблюдается интересное явление, которое, как раз-таки и свойственно сплавам титана и никеля.
Структуры, образованные в результате закалки, остаются относительно подвижными. Закаленная проволока из такого сплава хоть и имеет мартенситную структуру, но обладает ещё и памятью формы.
Если мы деформируем такой сплав после закалки (распрямление проволоки из примера), то иглы в структуре закаленного сплава не разрушатся, а просто поменяют конфигурацию. Где-то сместятся, а где-то начнут распрямляться.
Тот стресс, который структура испытала при закалке и та конфигурация, которая получилась при процессе, требовала большой энергии. Эта энергия была отнята у системы с помощью резкой охлаждения. Пока не проведется, например, длительный отжиг для нормализации получившейся структуры, именно конфигурация с иглами станет равновесной. Система будет стремиться к ней.
Эта картинка, на самом деле, не очень удачная. Все после этого думают, что каждый раз происходит полиморфное превращение от нагрева свечкой.
При простой механической деформации иглы не сломаются и не перестроятся, а пластично деформируются. Этим и отличаются сплавы с памятью формы. В распрямленном образце будет происходить борьба между механическим удержанием каркаса структуры и попыткой системы вернуться к зафиксированному виду после закалки. Когда это только лишь механическая деформация, то напряжений недостаточно и образец остается прямым. Зато если начать его нагревать, то в работу вступают диффузионные процессы.
Эти диффузионные процессы первым делом не заставят структуру вернуться к самой ранней модификации, а потянут её к варианту "после закалки". Иглы мартенсита, деформируемые механическим образом, начнут возвращаться к закаленной конфигурации. Это будет проявляться, как обратное скручивание в форму пружинки. Исходя из схемы чуть выше, стоило бы рассматривать только нижние два состояния.
Подобные сюрпризы, которые появляются при работе внутренних напряжений и температур, могут происходить в самых разных случаях и с разными материалами. Например, на ранних автомобилях сформованная торпеда из полимерного материала выворачивалась обратно при воздействии сильного нагрева из-за стремления вернуться к форме обычного листа. Причем, сворачивалась вместе со всем оборудование. Это было настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли этот эффект. Ну и для владельцев легковушек.
⚡ Если вам нравятся мои статьи и вы хотели бы поддержать развитие проекта, то прошу подписаться на мой Telegram-канал про изобретения и методики креативного мышления. Нужно набрать 2000 подписчиков!
А почему кевлар крепче стали, что в строении атомов и молекул в кевларе по другому что он превосходит сталь на разрыв, и бронежилеты из него делают и тросики для парапланов и еще кучу всяких вещей?
Вероятно, вам приходилось слышать, что структура любого металла представлена зёрнами. Это не те зёрна, которые клюют куры и едят мыши. Но тогда какие?
Если распилить металлический образец, отшлифовать его и посмотреть на это творение в микроскоп, то увидишь особую структуру. Она так и называется - зернистая. Всё из-за схожего внешнего вида зерна для курицы и элемента структуры. Стандартный пример микроструктуры металла приведён на картинке ниже.
По параметрам зерна можно сделать полезные выводы о свойствах металла, с которым мы имеем дело. Поэтому, специфика металлических зёрен изучается материаловедами.
Вы наверняка уже слышали и про кристаллическое строение металлов. Большинство металлов в обычных условиях имеют именно кристаллическую структуру. Кристаллическая структура подразумевает кристаллическую решётку. А решётка состоит из элементарных ячеек. Это своеобразный "строительный блок", из которого потом строится вся решетка. На самом деле никаких решеток в реальности не существует. Это упрощение, которое позволяет описать закономерность расположения атомов в объеме.
Исходя из вида элементарной ячейки, если распилить металл, мы должны увидеть никакие ни зёрна, а именно кубики. Что-то типа армированного бетона. На деле же в микроскопе мы видим картинку, эквивалентную высохшей пустыне. Как такое получается?
Металл состоит из кристаллов, при этом кристаллы имеют характерные кристаллические решетки из элементарных ячеек. Из групп решёток построены и сами зерна.
Зёрна - это более крупные (чем решётка) объекты, в которых объединились сотни элементарных ячеек. Но почему тогда эти ячейки просто не объединялись одна за другой и так в объеме всего образца?
Вопрос правильный и очень хороший. Тут скажем вскользь, что бывают поликристаллические и монокристаллические тела. В монокристалле всё было бы именно так. Но преимущественно мы работаем с поликристаллами. А там есть границы зёрен.
Каждое зерно - это кристалл. Кристалл - это "группа" кристаллических решеток, объединенных в единое целое и образовавшая в итоге зерно. Зерна имеют самую различную форму и размеры, но преимущественно они выглядят примерно одинаково. Хитрая форма зерна, которая далеко не всегда правильная. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка имеет незначительные размеры и нам кажется, что зерна имеют плавную границу. На самом же деле, если увеличить границу зерна, то она будет ступенчатая при больших масштабах.
И теперь самое важное. Многозернистость получается в результате того, что при формировании металла появляется множество центров кристаллизации, вокруг которых и начинают расти новые кристаллики. Энергетическая выгодность каждого из процессов определяет наличие множества маленьких кристаллов, вместо одного большого.
Кристаллик растёт и пока энергии на рост хватает, зерно увеличивается в размерах. Когда энергия израсходована, то рост останавливается. Зернышки располагаются друг от друга на близком расстоянии и растут не всегда равномерно. Так получается, что они контактируют и на механическом уровне, и оказывают друг на друга влияние на атомарном уровне. Это прослеживается на картинке выше.
Между зернышками образуются связи на уровне притяжения атомов и формируется целый материал. Это хорошо видно, например, вот здесь.
Границы зерен - это вечная аномальная зона. По сути дела это дефект. Там наблюдаются проблемы с прохождением электрического тока, там выделяются различные второстепенные фазы, ну а заодно там же меняются и механические свойства (и обычно не в лучшую сторону). Напрашивается каждый раз растить монокристалл, но это уже совсем другая история...
В современном мире требуются материалы, способные длительное время работать при агрессивном воздействии кислорода и высоких температур. Они нужны, например, для обшивки космических аппаратов, крыльев авиационной техники, деталей воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Таким материалом выступает композитная ультравысокотемпературная керамика: различные ее виды выдерживают температуру выше 2000 градусов Цельсия. В состав такой керамики обычно вводят разные добавки, благодаря которым на поверхности материала образуется слой c защитными свойствами. Ученые ПНИПУ выяснили, что добавление оксида лантана улучшает устойчивость к окислению композитной керамики на основе диборида циркония.
Исследование опубликовано в журнале «Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия», 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Политехники исследовали влияние добавки оксида лантанана окисление керамики системы «диборид циркония–карбид кремния». Эксперименты проводили на образцах без добавки и с добавлением оксида лантана в разной концентрации.
Порошки смешивали в мельнице, а затем подвергали искровому плазменному спеканию при давлении 30 МПа и температуре 1700 градусов Цельсия со скоростью нагрева при помощи тока 50 градусов в минуту и изотермической выдержкой 5 минут. Материал нагружали непосредственно перед началом нагрева и снимали нагрузку только после его окончания. Затем ученые исследовали отношение массы материала ко всему занимаемому им объему и открытую пористость (объем пор, сообщающихся между собой) спеченных образцов. Пористость негативно влияет на прочность керамики и на ее стойкость к окислению, однако, как выяснили политехники, добавление оксида лантана не вызывает ее повышения.
Окисление проводили на воздухе в специальной электропечи: образцы в тиглях помещали в печь, нагретую до 1200 градусов Цельсия, спустя определенное время их доставали и взвешивали для фиксации массы, после чего снова помещали в печь. Общее время высокотемпературного окисления составило 20 часов.
Затем ученые исследовали структуру и состав образцов, выполнили их микроскопический анализ и определили, как добавление оксида лантана изменило состав их поверхностного слоя. У образцов без добавки он содержал практически только оксиды кремния с примесью оксидов бора и циркония, а у образцов с добавкой – диоксид циркония и циркон, который значительно более устойчив к теплоудару (резкому повышению или понижению температуры).
– Стойкость к высокотемпературному окислению композитной керамики на основе диборида циркония во многом зависит от состава защитного слоя на ее поверхности. Применение оксида лантана усиливает процесс формирования циркона и способствует замедлению процесса окисления, – подводит итог доктор технических наук, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Светлана Порозова.
Результаты исследования будут полезны во всех сферах, где активно используется ультравысокотемпературная керамика: авиа- и ракетостроение, металлообработка, атомная и химическая промышленность. Исследования ученых в области получения керамических материалов и покрытий в настоящее время продолжаются.
