Синтез новых материалов

Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире ежегодно производится около 600 млн. т металла -свыше 150кг. на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики. И это различие в экономике производства двух видов основных материалов до недавнего времени никого особенно не волновало, потому что каждый из них имел своё строго определенное хозяйственное назначение. Металл оставался материальной основой машиностроения, железных дорог, линий электропередач, производства специальных трубопроводов и емкостей. А керамика служила основой строительства зданий, производства посуды и домашней утвари, тепло- и электроизоляторов. Но теперь все больше открывается возможностей замены металла керамикой по двум причинам: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом.

Преимущества керамики состоят в том, что ее плотность в среднем на 40% ниже плотности металла, и это позволяет снизить массу изготавливаемых из нее деталей машин. С применением новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высокотвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране впервые в мире в 1960-х годах получен сверхтвердый материал - гексанит-Р как одна из кристаллических разновидно-. стей нитрида бора. Кто бы мог подумать, что на основе бора и азота может быть получено химическое соединение простейшего состава с температурой плавления свыше 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. До тех пор сверхтвердым материалом считалось только одно вещество - алмаз; теперь существуют два сверхтвердых материала - алмаз и синтетический гексанит-Р. Кроме того, этот материал обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового состава в том, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовки, сверление, фрезерование, на что приходится до двух третей трудовых затрат в машиностроении и одной трети потерь металла в отходах.

И, наконец, сегодня можно назвать еще одно уникальное свойство керамики - сверхпроводимость при температурах выше температуры кипения азота. Открытие этого свойства керамики произошло благодаря применению для ее производства таких новых для нее химических элементов, как барий, лантан и медь, взятых в едином комплексе. Само по себе это открытие вызвало сенсацию в мире науки и техники. Дело в том, что реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные просторы для научно-технического прогресса, для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д.

История высокотемпературной сверхпроводимости началась с 1986 г., когда было обнаружено сверхпроводяшее состояние керамики при температуре 30- 40К. А год спустя была синтезирована керамика с более высокой температурой сверхпроводимости - около 90К. Сравнительно недавно - в 1992 г. получен материал, обладающий сверхпроводящими свойствами уже при 170К. Это означает, что сверхпроводимость в новом материале возникает уже при охлаждении его не жидким азотом, а жидким ксеноном. Данный материал состоит из слоев окиси меди, стронция и кальция, т. е. имеет сравнительно простую структуру.

Еще в первой половине XX в. химия знала лишь несколько типов элементоорганических соединений: магнийорганические соединения, цинкоорганические соединения и органические производные металлов. Все они использовались в качестве вспомогательных реагентов при лабораторном синтезе различных органических веществ. Начиная с середины века для синтеза элементоорганических соединений стали применять все новые химические элементы, в частности, алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец, олово, кремний, фосфор, серу, мышьяк, фтор. В результате появились целые области элементоорганических соединений, среди которых одни стали поставщиками различных химических реагентов для лабораторных исследований, другие же продолжали пути синтеза уникальных материалов. Так, например, химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энергетики и авиапромышленности.

Подлинным "революционером" в химической промышленности стала химия фторорганических соединений. Она открыла настоящий антимир органических веществ по отношению к миру углеводородов, лежащих в основе всей классической органической химии.