Материалы будущего

Размещено на http://www.allbest.ru

Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение «Лицей №1»

городского округа город Нефтекамска республики Башкортостан

Материалы будущего

инновационный материал графен

Выполнил: ученик 8 «г» класса

Карамов

Тимур

Ильгизович

Нефтекамск,2013 год

Содержание

Введение

Постановка задачи

Графен

Мебель из грибовАэрогель

Феррофлюид

Плащ-невидимка

Углеплапластик

Композиционные материалы

Прозрачный бетон

Вывод и заключение

Введение

Современные устройства становятся всё легче, компактнее, производительнее… Но если попытаться согнуть планшет или телефон, то он скорее всего сломается. Но скоро появятся гнущиеся устройства, стены, пропускающие свет, смазка из жидкого металла, мебельиз грибов и плащ-невидимка…

Постановка задачи

Целью моей работы явилось изучение инновационных материалов, способов их массового производства и использования.

В рамках своей работы я рассматривал самые перспективные на сегодняшний день материалы. Остановимся на каждом из них поподробнее.

Графен

Графемн-- двумерная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (1 ТПа и 5000 Вт/м·К соответственно). Максимальная электропроводность делает его перспективным материалом для использования в микросхемах вместо кремния, и производить гибкие устройства.

При наличии свободных атомов углерода графен самовосстанавливается.

Основной способ получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Но этот метод не подходит для масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Гораздо ближе к промышленному производству Другой способ -- метод термического разложения подложки карбида кремния--. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. За «передовые опыты с двумерным материалом -- графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 г.

Мебель из грибов

Лидером производства строительных, отделочных и упаковочных материалов из грибов является молодая компания Ecovative, основатели которой нашли золотую жилу в мицелии. Выяснилось, что он обладает прекрасными цементирующими качествами. Его смешивают с кукурузной и овсяной шелухой, придают смеси необходимую форму и выдерживают её в темноте несколько дней. За это время мицелий перерабатывает пищу и связывает смесь в гомогенную массу, которую затем для прочности обжигают в печи. В результате этих нехитрых манипуляций получается лёгкий, прочный, огне- и влагостойкий экологичный материал. На основе этой технологии в Ecovative сейчас разрабатывают материал для бамперов, дверей и приборных панелей автомобилей Ford. Кроме того, они наладили производство домов полностью из мицелия.

Аэрогель

Обычный гель состоит из жидкости, которой трёхмерный полимерный каркас сообщает механические свойства твёрдых тел: отсутствие текучести, способность сохранять форму, пластичность и упругость. В аэрогеле жидкость после высушивания материала до критической температуры заменяется газом. Получается вещество с удивительными свойствами: рекордно низкой плотностью и теплопроводностью. Так, аэрогель на основе углерода -- самый лёгкий материал в мире. Несмотря на то что 98% его объёма составляет воздух, материал обладает огромной прочностью и выдерживает нагрузку в 2 000 раз больше собственного веса. Аэрогель лучший на сегодня теплоизолятор, применяемый как в скафандрах NASA, так и в куртках для альпинистов толщиной всего 4 мм. Ещё одно его удивительное свойство -- способность абсорбировать вещества в 900 раз больше собственного веса. 4 кг аэрогеля могут абсорбировать тонну разлившейся нефти. Благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением. Единственный недостаток- дорогое производство.

Феррофлюид

Феррофлюид -- это жидкий материал, смесь масла и микрочастиц магнетита, способный изменять свою форму под воздействием магнитного поля.. Когда к магнитным частицам подносят магнит, они притягиваются к нему и толкают вместе с собой молекулы жидкости. Феррофлюиды по теплоёмкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. Сейчас их используют в качестве жидких уплотнителей вокруг вращающихся осей жёстких дисков и в качестве рабочей жидкости в поршнях гидравлической подвески. В будущем NASA планирует использовать их в зеркалах телескопов для того, чтобы те подстраивались разные условия. Магнитные жидкости должны пригодиться при лечении рака. Их можно смешивать с противоопухолевыми препаратами и точно вводить лекарство в поражённый участок, не вредя окружающим клеткам.

Плащ-невидимка

Американские ученые создали опытный образец плаща-невидимки. Он прекрасно виден невооруженным глазом, но, тем не менее, оправдывает свое название. Плащ сделан из композитного материала с необычными свойствами. Цель их экспериментов -- сделать объекты незаметными для радаров. Добиться такого же эффекта с волнами в оптическом диапазоне будет сложнее, но и эта задача разрешима. «Весь секрет в материале, из которого сделаны медные кольца и нити. Они образуют замысловатый рисунок, который невидим в микроволнах». Открытие американских ученых стало возможно благодаря работе российского физика Виктора Веселаго. В 60-х годах он предсказал возможность создания вещества с негативным индексом преломления. Принцип работы можно объяснить на примере ручья, обтекающего камень. Подобно воде, микроволны в этом эксперименте обходят вокруг предмета, не изменив своей формы. «Если вы смотрите на плащ, то будете видеть только то, что находится за кольцом. Все, что вы поместите внутрь кольца, станет невидимым» - Дэвид Шуриг, разработчик плаща. Однако пока изобретение незаметно только в микроволнах. На то, чтобы этот предмет стал настоящей невидимкой, уйдет еще 10 лет. Дело в том, что длина микроволн, в которых испытывалась новинка, равна 3,5 сантиметрам. А длина вол видимого диапазона меньше одной стотысячной сантиметра. Поэтому рисунок на плаще-невидимке должен быть намного тоньше». Однако даже в микроволнах плащ отбрасывает тень. Ученые борются с этим недостатком своего детища. Главное достижение специалистов состоит в том, что они доказали принципиальную возможность создания плаща-невидимки.

Углепластик

Углепластики -- полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.

Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но при этом обходятся значительно дороже.

Вследствие дороговизны этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.

Основные сведения

Основная составляющая часть углепластика -- это нити углерода. Такие нити очень тонкие, сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани.

Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол. Нити углерода обычно получают термической обработкой органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов.

Недостатки

Недостатком карбона является непереносимость «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей, что делает его хрупким и непригодным к дальнейшему использованию. Вторичное использование углепластика затруднено.

Углепластики широко используются при изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых:

ракетно-космическая техника

авиатехника

судостроение

автомобилестроение

наука и исследования

усиление железобетонных конструкций

спортивный инвентарь

медицинская техника

рыболовные снасти

профессиональные фото- и видеоштативы

бытовая техника

моделизм

музыкальные инструменты

изготовление индивидуальных супинаторов

инструменты рукоделия

Карбон слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов .

Композициомнный материамл

Композициомнный материамл -- искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В композитах компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимую прочность и жесткость материала, а матрица (или связующее вещество) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Булат -- один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит -- и более дешёвые материалы.

Классификация композитов

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

волокнистые

слоистые

наполненные пластики

насыпные

скелетные

Преимущества композиционных материалов

высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)

низкая износостойкость

высокая усталостная прочность

из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Высокая стоимость

Анизотропия свойств

Низкая ударная вязкость

Высокий удельный объем

Гигроскопичность

Токсичность

Низкая эксплуатационная технологичность

Области применения

Товары широкого потребления

Спорттовары

Машиностроение

Медицина

Авиация и космонавтика

Оружейная промышленность

Прозрачный бетон создал 27-летний венгр Арон Лосоньши и запатентовал его в 2002 году. Если быть честным, назвать этот материал полностью прозрачным можно только условно. Он пропускает только свет и за ним можно лишь увидеть контуры предметов.

Как же устроен прозрачный бетон? В нём располагаются тысячи нитей оптоволокна. При этом их доля составляет менее 5% от общего объема, что никак не сказывается на его характеристиках. Самым первым изделием из прозрачного бетона был светильник Литрокуб. Вес такой лампы около 10 кг, и стоимость 570 евро.

Вывод и заключение

Технологии не стоят на месте. Учёные изобретают материалы с самыми фантастическими свойствами, которые перевернут наши представления обо всех сферах жизни, или находят самое неожиданное применение давно известным материалам, таким как грибной мицелий. Некоторые материалы можно производить массово и в больших количествах, а производство некоторых пока что слишком дорого. Сказочная шапка-невидимка обрела микроволнового аналога. Губка из аэрогеля массой всего в 4 кг сможет адсорбировать тонну нефти, разлитой по поверхности океана. С уверенностью можно сказать одно - в недалёком будущем мир преобразится до неузнаваемости.

Размещено на Allbest.ru