Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы

     8. Использование керамики открывает  возможность для создания разнообразных  по свойствам материалов в  пределах одной и той же  химической композиции.

     Интерес к конструкционной и функциональной керамике в последние годы настолько возрос, что можно говорить о своеобразном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции современного материаловедения.

     Масштабы  производства высокотехнологической  керамики Высокотехнологическая керамика – сравнительно новый вид материалов, поэтому масштабы ее производства, как по объему, так и по стоимости продукции существенно уступают производству традиционных металлических и полимерных материалов. Вместе с тем, темпы роста ее выпуска (от 15 20 до 25 % ежегодно) намного превышают соответствующие показатели для стали, алюминия и других металлов. Объем производства керамических материалов во всех странах мира растет необычно быстрыми темпами. Предполагается, что за грядущие 20 лет мировой объем производства керамики возрастет в 10 раз. В настоящее время основными производителями керамики являются США и Япония (38 % и 48 % соответственно). США доминируют в области конструкционной керамики, предназначенной в первую очередь для металлообрабатывающих целей. Япония безраздельно доминирует в области функциональной керамики (основном компоненте электронных устройств).

     Материалы с электрическими свойствами Керамика сравнительно редко используется как  проводниковый материал, хотя известны разновидности керамики, которые  по уровню электронной проводимости приближаются к типичным металлам.

     Большое распространение получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, деформироваться под действием  внешнего электрического поля. Пьезокерамические материалы, как правило, представляют собой неорганические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Среди них наиболее хорошо известна керамика на основе PbZrO3 – PbTiO3. Пьезоэлектрические свойства цирконата – титаната свинца можно изменять в широких пределах благодаря модифицирующим добавкам АВО3 (А – Bi, La; B – Fe, Al, Cr). Пьезоматериалы нашли широкое применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей.

     Пожалуй, наиболее перспективной разновидностью керамики с диэлектрическими свойствами являются керамические электролиты, т.е. керамические материалы с высокой  ионной проводимостью. В отличие  от классических (жидких) электролитов проводимость многих керамических электролитов униполярная и обусловлена чаще всего разупорядочением одной из подрешеток кристаллов. Керамика широко используется и как полупроводниковый материал специального назначения. В качестве примера рассмотрим терморезисторы и варисторы, изменяющие электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения.

     Основная  область применения терморезисторов  – термочувствительные датчики, способные изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении  температуры на 100 .С. Терморезисторы находят широкое применение в электронных приборах, системах противопожарного оповещения, дистанционного измерения температуры.

     Керамические  материалы с магнитными функциями  Среди множества магнитных материалов, применяемых в технике, особое место занимают ферриты, основным компонентом которых является 21 оксид железа. В промышленности ферриты начали использоваться около полувека назад: они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам для снятия потерь энергии на перемагничивание. Такая замена возможна благодаря высокому электрическому сопротивлению керамики.

     В состав индивидуальных ферритов могут  входить оксиды многих элементов (металлов). Еще шире спектр ферритообразующих  элементов, соединения которых образуют с ферритами твердые растворы или вводятся в качестве нерастворимых примесей, регулирующих процессы ферритообразования, спекания и рекристаллизации.

     Керамические  материалы с оптическими функциями  Множество материалов с оптическими  функциями включают оптически прозрачную керамику, керамику с люминесцентными и электрохромными свойствами, а также светочувствительные керамические материалы. Первые сообщения о создании прозрачного керамического материала на основе оксида алюминия «Лукаллокс» появились 30 лет назад. В настоящее время известно несколько десятков, если не сотен видов прозрачных керамик, создаваемых на основе индивидуальных оксидов, их соединений друг с другом, а также бескислородных соединений.

     Почти одновременно с появлением первых образцов прозрачной керамики исследователи обнаружили, что при добавлении паров натрия от 0,4 до 2,5 ГПа наблюдается максимум световой отдачи (золотисто-желтое излучение). Однако, идея создания ламп с очень высокой светоотдачей не могла быть воплощена в жизнь, так как все известные стекла разрушались парами натрия при температуре 700 .С, обеспечивавшей необходимое давление. Прозрачная керамика дала выход из тупика.

     Керамика  на основе оксида натрия, обладающая высокой  прозрачностью в видимой и  инфракрасной областях спектра, перспективна для применения в различных областях техники. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Большие надежды связывают с использованием светочувствительной керамики для создания различных типов преобразователей солнечной энергии.

     Керамические материалы с химическими функциями Учитывая, что в виде плотной, пористой или порошкообразной керамики могут быть приготовлены практически любые неорганические вещества, естественно ожидать большого многообразия их химических функций.

     Вместе  с тем, химическая специфика керамики нередко проявляется в изменении физических свойств. Например, хемосорбция различных газов на поверхности керамики сопровождается пропорциональным изменением ее 22 электропроводности, что позволяет определить концентрацию тех или иных компонентов газовой смеси. На этом принципе основано действие большого числа созданных в последнее время газовых детекторов.

     Другая  область применения керамики, основанная на ее химической специфике, связана  с развитием мембранной химической технологии. Мембраны позволяют избирательно выделять и концентрировать разнообразные вещества. Еще недавно их изготовляли из нестойких полимеров, которые не способны противостоять экстремальным температурным и химическим воздействиям.

     Переход к керамическим мембранам, которого следует ожидать в недалеком будущем, позволит значительно расширить области их применения с одновременным снижением энергозатрат. Очень заманчивой областью применения мембран может стать селективное извлечение диоксида серы из отходящих газов химических заводов и тепловых электростанций. Если совместить процессы мембранного извлечения диоксида серы с получением серной кислоты, то можно создать экологически чистые и экономически выгодные производства.

     Керамические  материалы для ядерной энергетики Развитие атомной энергетики привлекло первостепенное внимание к материалам, обеспечивающим нормальное функционирование и защиту ядерных реакторов различного типа, начиная от традиционных, работающих на медленных нейтронах, и кончая термоядерными.

     Среди этих материалов видное место занимает специальная керамика.

     В ядерных энергетических установках керамика используется в качестве теплоизоляции (Al2O3, SiO2), ядерного топлива (UO2, PuO2), материалы  регулирующих узлов (B4C, Sm2O3), замедляющих  и отражающих материалов (BeO, ZrO2, Be2C), материалов нейтронной защиты (B4C, Sm2O3, HfO3), электроизоляции в активной зоне (Al2O3, MgO), оболочек тепловыделяющих элементов (SiC, Si3N4) и т.д.

     В термоядероной энергетике керамика широко используется для тепловой и  электрической изоляции первой стенки плазменной камеры (SiC, Si3N4), ограниченная плазма (SiC, Al2O3, B4C), для нейтронной защиты (бланкеты из LiAlO2, Li2SiO3, Li2O), в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы (Al2O3, ВеO) и т.д.

     Конструкционная керамика Конструкционные керамические материалы разделяют на две группы: оксидную керамику (включая силикаты и стеклокерамику) и бескислородную (карбиды, нитриды, бориды). Долгое время материаловеды не рассматривали керамику как возможный конструкционный материал. Это было связано с основным ее недостатком – хрупкостью. По другим основным эксплуатационным параметрам (термостойкости, твердости, коррозионной стойкости, 23 плотности, доступности и дешевизне сырья) она существенно превосходит все металлы и сплавы.

     Можно ли ожидать в ближайшем будущем  появление принципиально новых  керамических материалов? На этот вопрос следует ответить утвердительно. Примером служит полученная недавно в Японии сверхпластичная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 3 мол % оксида иттрия.

     При специфических условиях подготовки сырья и спекании получается поликристаллический  материал с размером кристаллитов 0,3 мкм, который способен деформироваться, вытягиваясь под действием внешних  нагрузок вдвое по сравнению с первоначальной длиной. Характерно, что после такой вытяжки керамика имеет прочность, превышающую прочность нитрида кремния, считающегося наиболее конструкционным материалом. Более того, нитрид и карбид кремния могут деформироваться без разрушения не более чем на 3 %, что в 40 раз меньше, чем созданный сверхпластичный материал на основе твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. Это создает исключительные перспективы применения последнего, делая доступной обработку его такими традиционными в металлообработке приемами, как экструзия, волочение, ковка.

     Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей  керамикой и совсем недавно созданной  керамикой с гигантским магнитным  сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики, получившей название синэнергетической. 

     7. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 

     До  сих пор речь шла о том, что  может и что должна создавать  химия; теперь обсудим вопрос о том, как и какими способами это  осуществляется; другими словами, речь пойдет о новых принципах и новых методах химической технологии. Усовершенствование существующих и разработка новых технологий является главной заботой химической науки. Простота, малостадийность (а лучше одностадийность), надежность, малая энергоемкость, высокая производительность и экономичность, непрерывность, замкнутость (безотходность), низкие требования к сырью и его подготовке – таковы главные критерии, которым должна соответствовать современная технология.

     Бесспорно, что первое место в создании новых  технологий принадлежит катализу. Достаточно сказать, что даже сейчас 85 % всех промышленных процессов, на долю которых приходится 70 % всей химической продукции, основаны на катализе. Только на основе катализа можно искать и разрабатывать процессы с высокой селективностью, производительностью, экономичностью и низкой энергоемкостью. Эта задача является традиционной и в гетерогенном, и в гомогенном катализе.

     Здесь уже достигнуты значительные успехи, многие высокоэффективные процессы освоены промышленностью, однако гораздо  больше имеется еще неосвоенных возможностей. В первую очередь, они связаны с металлокомплексным катализом, позволяющим разрабатывать прямые методы превращения сырья в целевые продукты и исключать многие промежуточные стадии синтеза.

     Так, карбонирование метанола в уксусную кислоту происходит на комплексных соединениях с селективностью по метанолу 99 %; окисление этилена в ацетальдегид на палладиевых катализаторах происходит с селективностью 95 %. Высокая селективность металлокомплексного катализа характерна также для электрохимических процессов (электрохимическое окисление олефинов в присутствии осмия дает почти 100 %-ный выход гликолей).

     Металлокомплексные  катализаторы, используемые на современном  уровне, имеют ряд недостатков, которые  частично компенсируют их достоинства. Принципиально важной задачей является создание такой молекулярной организации катализатора, которая обеспечила бы длительную работу каждого активного центра без его разрушения, а также возможность легкого доступа к этому центру реагирующих молекул и удаление продуктов превращения.

     Катализ должен сыграть ведущую роль в  создании технологий переработки природного газа и нефти в ценные химические продукты; ключевым элементом таких  процессов должна стать каталитическая активизация насыщенных углеводородов (в частности, метана). В связи с энергетической конъюнктурой все возрастающую актуальность приобретает создание мало25 энергоемких и производительных технологий переработки твердых топлив (угля, сланцев, торфа, древесины, искусственной нефти, нефтепродуктов).

     Не менее остро и актуально стоит проблема комплексной переработки неорганического сырья – руд и минералов: усовершенствование технологии флотации, разработка селективных флотирующих реагентов, экстрагентов с целью полного извлечения цветных и редких металлов, фтора и других элементов. Химические методы извлечения металлов уже давно используются в металлургии, однако, в настоящее время они приобретают особое значение в связи с истощением богатых руд. Новые технологии можно разрабатывать на основе применения органических веществ – комплексонов и экстрагентов, которые селективно реагируют с ионами определенных металлов и извлекают эти металлы из полиметаллической руды в раствор. Здесь можно ожидать развития особой области – сольватометаллургии, которая в отличие от традиционной металлургии, не включает энергоемкого процесса плавки.