Перспективные химические материалы и технологии

Обновление технической базы энергосистем и практически всех важнейших отраслей промышленности во многом связано с внедрением перспективных материалов и новейших технологий. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы.

Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструмента, различного рода машин. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые методы, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Так, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металло-органических соединений. При выжигании полимерного скелета в металло-органическом полимере, скрученном в нить, образуется высоко термостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония ZrO₂ существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия. Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами.

Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например, в эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно высокому показателю «прочность/масса» такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т.п.

Благодаря исследованиям полимерного механизма взаимодействия поверхностных слоев, сопряженных на границе раздела между различными полимерами, удалось разработать комбинированный полимерный материал, называемый иногда полимерным сплавом, с высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относится, например, нейлон, усиленный эластичным углеводородным полимером.

В последние десятилетия уделяется все больше внимания разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т.п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в пределах от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени налажена технология формирования микроэлектронного элемента с размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.

В завершение темы отметим, что успехи человечества в решении многих проблем выживания и взаимодействия с природой в таких отраслях как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Вместе с тем химизация, как процесс внедрения химических методов в общественное производство и быт, масштабность, а нередко и неуправляемость этого процесса обернулись негативными экологическими последствиями, нарушившими равновесие природных процессов на планете, нанесших вред здоровью самого человека. Озабоченность этими проблемами привела к возникновению самостоятельной ветви экологической науки – химической экологии. Все это означает, что место и роль химии в современной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество – природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему знаний со своей структурой и функциями.