Развитие техники в ХХI веке невозможно без решения фундаментальных проблем материаловедения, создания новых материалов и улучшения эксплуатационных характеристик уже используемых в промышленном производстве. В этой статье мы расскажем о последних таких разработках, над которыми работают российские ученые.
«Суперсталь» для экстремальных условий
«Прочный, как сталь». На самом деле многие виды современного оборудования и машин работают в очень сложных условиях, когда обычная сталь не выдерживает нагрузки и нужна сверхпрочность. Например, в тяжелом машиностроении, горной, угольной и нефтяной промышленности. Чтобы сталь стала еще прочнее, ее легируют специальными добавками.
Одна из самых интересных таких марок сталей – это сталь Гадфильда (Ст 110Г13Л), которая относится к марганцовистым сталям. Впервые ее получил в конце XIX века английский металлург Роберт Гадфильд.
Работая над образцом, ученый открыл совершенно неожиданные свойства: после закалки поковка стала не тверже, как все остальные стали, а наоборот, мягче. А вот от сильных ударов молотом она не разрушалась: ее твердость становилась только выше.
Новую сталь нельзя было обработать ни на токарном, ни на фрезерном станке, так как ее поверхностные слои были очень износостойкими. При наклепе ее твердость повышается в 4 раза.
Российские ученые из Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета в г. Красноярске определили в 2023 г. экспериментальным путем наиболее оптимальное соотношение легирующих добавок для стали Гадфильда. Для анализа результатов опытов они использовали методы математической статистики и прогнозирования.
Это позволит повысить эксплуатационные свойства «суперстали» без многократной термообработки и других способов упрочнения, которые удорожают производство машин, работающих в экстремальных условиях.
Нановолокна, снижающие износ деталей в несколько раз
Одно из самых перспективных направлений в современной науке – это нанотехнологии. Целью таких исследований является выявление особенных характеристик наноматериалов, которые позволяют значительно улучшить эксплуатационные свойства традиционных материалов. К примеру, даже небольшое количество микроскопических волокон углерода может повысить прочность основного материала (матрицы) на 30-40%.
Наука о нанотехнологиях еще молодая, хотя наноразмеры существуют на Земле столько же, сколько сама жизнь. Например, прочность костей и раковин моллюсков объясняется наличием нанокристаллов соединений кальция.
Российские исследователи из Института катализа им. Г.К. Борескова (г. Новосибирск) нашли простой и производительный способ для получения углеродных нановолокон из этилена и пропан-бутановой смеси. Эти волокна способны повысить прочность полимеров (например, тефлона), а также улучшить антифрикционные характеристики моторных масел.
Использование таких масел позволит снизить износ деталей в несколько раз, а значит, продлить «жизнь» двигателям. Добавка в виде наноуглеродного волокна понадобится в небольшом количестве – всего одна миллионная от массы моторного масла.
Прозрачная керамика для бронестекла
Керамика и материалы на ее основе, благодаря своим специфическим особенностям, обладают высокой износостойкостью и небольшой плотностью. Большинство исследований на эту тему в последние годы связано с оксинитридом алюминия и разработкой прозрачной легкой керамики из него. По уровню ударной вязкости он превосходит все прозрачные неорганические материалы.
Уникальное сочетание механических и оптических свойств такой керамики позволяет использовать ее для окон сканеров, прозрачной брони, огнеупорных и химически стойких материалов.
Однако получение оксинитрида алюминия – это сложный процесс. Все существующие способы основаны на двухступенчатой технологии. Например, по одному из вариантов исходное сырье – порошки нитрида и гидроксида алюминия – сначала спекаются при температуре 1850°С, а потом подвергаются горячему прессованию.
При этом происходит быстрый износ технологического оборудования, расходуется много электроэнергии. А высокая температура спекания часто приводит к межкристаллической пористости и уменьшению прочности.
Ученые из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (Москва) придумали способ получения оксинитрида алюминия за одну стадию. Он позволяет повысить энергоэффективность производства, сократить его цикл и сделать материал более экономичным. Эта технология была запатентована в апреле 2023 года в «Роспатенте».
Зеленый способ очистки нефтепродуктов
В 30-е гг. XX века началось активное освоение Волго-Уральской нефтегазоносной области в России. Эту территорию тогда назвали «Второе Баку» – оно славилось богатыми залежами нефти. Тогда же и возникла проблема очистки уральской нефти от сернистых соединений.
Сера, содержащаяся в нефти, приводит к быстрому коррозионному разрушению трубопроводов и техники. Кроме того, сернистые и азотсодержащие соединения в нефтепродуктах при сгорании образуют вредные газы. Поэтому существуют строгие требования по их процентному содержанию.
Современные методы очистки нефти от серы далеки от совершенства. Они требуют применения дорогостоящих реагентов, а еще энергозатратны: очистка ведется при высоких температурах и давлении. Сами реагенты тоже могут быть токсичными и пожароопасными.
Российские ученые из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова (ИОНХ) предложили использовать для этих целей экологически безопасные материалы на основе водорастворимых полимеров.
Как показали исследования, водный раствор поливинилпирролидона эффективно очищает нефтепродукты от азота, а полиэтиленгликоль – от сернистых соединений. После использования эти полимеры можно регенерировать за счет обработки углекислым газом, то есть использовать их повторно.
Такая технология не потребует больших капиталовложений, более экологична и не так энергозатратна, как классические способы очистки.
Биоуголь для очистки почвы
Одна из острых проблем современности – это сильное загрязнение почвы. К наиболее опасным видам загрязнителей относятся пестициды, тяжелые металлы, связанные с выбросами транспортных средств, нефтепродукты. Со временем почва истощается, становится бедной, деградирует и уже не способна давать высокие урожаи.
Одним из перспективных способов очистки и восстановления почвы является использование биоугля (биочара). Такой уголь можно получить из биомассы различного происхождения, например, из опилок, органических отходов, навоза, отходов сельского хозяйства (лузга подсолнечника, шелуха риса). Для этого их подвергают воздействию высоких температур без доступа кислорода – пиролизу.
Биоуголь играет роль сорбента, так как обладает высокой пористостью. Это свойство помогает также задерживать питательные вещества и влагу в почве, повышая рост культур при более низком потреблении воды. Биоуголь сам по себе тоже содержит многие микроэлементы, нужные растениям, и является более безопасным, чем другие «природные» удобрения.
Исследователи из Южного федерального университета (ЮФУ) вместе с коллегами из Турции, Китая и Индии разработали новый композитный материал, который эффективно очищает сильно загрязненную почву, а также насыщает ее гормоном роста.
Композитный материал представляет собой подложку из биоугля и полимерных наноструктур, свойства которых можно регулировать при синтезе материала. Полимеры позволяют в разы улучшить сорбционные характеристики биоугля и снизить его себестоимость. Исследования показали, что такой биоуголь способен очищать почву даже при высоком уровне загрязнения, с которым не справляются другие аналогичные материалы.
Сверхчистый ниобий для уникальных научных установок
Все возрастающая сложность исследований повышает требования и к научным установкам. Например, для изготовления сверхпроводящих резонаторов, которые служат для ускорения элементарных заряженных частиц, нужны листы сверхчистого ниобия с минимальным содержанием примесей.
А сами ускорители – это основной инструмент ученых в современной экспериментальной физике. Они служат не только для проверки теоретических концепций в области физики элементарных частиц, но и для материаловедения, нанотехнологий, медицины, химии, биологии.
Изготовление таких установок является очень сложной задачей, так как существует множество факторов, которые могут привести к ухудшению их рабочих параметров.
В России до недавнего времени отсутствовала технология производства листов из высокочистого ниобия, применяемых при изготовлении ускорителей частиц. Только несколько компаний в мире выпускают этот материал.
К апрелю 2023 г. российские ученые из Росатома завершили создание технологии получения материалов из сверчистого ниобия. Опытная партия слитков уже изготовлена на Череповецком механическом заводе, а листы сделали в Высокотехнологическом научно-исследовательском институте неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара.
Теперь российские проекты мегасайенс-класса могут быть обеспечены отечественным ниобием. По результатам работы был оформлен патент на изобретение и несколько ноу-хау.
Рассказываем про интеллектуальные права, кратко освещаем важные новости для бизнеса и делимся результатами своей работы. Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Другие статьи, которые могут быть вам интересны:
Как запатентовать идею в России
Сколько стоит патент на изобретение, полезную модель, промышленный образец
Как самостоятельно зарегистрировать свой бренд в Роспатенте
Услуги патентного поверенного при регистрации интеллектуальной собственности
