Сохранение и замена материалов

Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала, происходит его старение и преждевременное разрушение. К существенному разрушению металлов приводит коррозия, древесина под действием влаги подвергается гниению, каучуки с течением времени растрескиваются и теряют эластичность. Для сохранения срока службы материалов применяют различные средства защиты.

По некоторым оценкам, ежегодные потери железа вследствие коррозии составляют 15% от объема мирового производства стали. Это означает, что каждая седьмая домна работает вхолостую и зря загрязняет окружающую среду. Для защиты от коррозии применяется целый ряд разнообразных методов, среди которых самыми распространенными являются применение химически стойких сплавов и защита поверхности металла различными покрытиями. Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие хром (до 18%) и никель (до 10%). Для экономии этих элементов разработаны десятки разновидностей сталей, в которых снижено содержание хрома (около 1%) и никеля (0,7%) и присутствуют небольшие добавки фосфора и меди. На поверхности изделий из таких сталей формируется защитный слой, предохраняющий металл от разрушения.

Покрытия, применяющиеся для защиты металлов, подразделяются на металлические (пленки из хрома, никеля, алюминия и др.) и неметаллические (лаки, краски, эмали, полимеры).

Сохранение древесины основано на применении различных лаков, пропиток, специальных способах сушки и т.д.

Все нежелательные изменения структуры эластомеров, в результате которых ухудшаются эксплутационные характеристики изделий, объединяют общим термином старение. Старение эластомеров связано преимущественно с распадом молекулярных цепей (деструкцией) под действием тепла, света, излучения высоких энергий, механических напряжений, кислорода, озона и других окислительных агентов. Основным химическим агентом, вызывающим старение полимеров, является молекулярный кислород. Для устранения или частичной нейтрализации процессов старения в каучуки и резины вводят стабилизаторы, антиоксиданты и другие модифицирующие добавки.

Замена материалов производится обычно в двух случаях: при дефиците старого материала и при получении нового материала, более эффективного по свойствам и себестоимости. Так, полимеры и пластмассы на их основе явились ценными заменителями многих природных материалов – металлов, дерева, кожи, клеев и т.д. Ускоренное развитие техники, сельского хозяйства, транспорта в XX веке связано со стремительным ростом производства и потребления синтетических полимеров. Производство и переработка пластиков менее энергоемки, чем производство и переработка металлов, пластики намного легче, чем металлы, не подвержены коррозии. Преимущества пластмасс вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5 – 6 т металлов. На изготовление изделий из пластмасс требуется меньше времени, чем на изготовление тех же изделий из металлов.

Замена древесины началась еще в первой половине XX в. Появились фанера, древесноволокнистые и древесностружечные плиты. Древесина вытесняется алюминием и пластмассами в производстве строительных конструкций, предметов быта, лодок, игрушек и т.д.

Большое будущее у композиционных материалов. Композиционными (от лат. compositio – сложение) называются материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Это стеклопластики, биметаллы, сталежелезобетон, металлокерамика и др. Композиционные материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один компонент в отдельности. По многих эксплутационным характеристикам они превосходят обычные конструкционные материалы.

Однако при замене материалов необходимо учитывать не только экономический эффект. Все большее давление на производство и на экономику в целом оказывает экология. Производство и применение любого продукта начинают рассматривать и с экологической точки зрения, учитывая все стадии существования материала вплоть до его конечного уничтожения.

Например, высокая химическая стойкость синтетических пластиков препятствует разложению отходов под воздействием природных факторов (солнечной радиации, влаги, кислорода и др.). Происходит грандиозное накопление пластических отходов на суше и на море. Утилизация этих отходов дорогостояща и не всегда эффективна. Поэтому замена материалов должна быть экологически обоснованной. Так, уже приостановился рост производства поливинилхлорида (ПВХ), в котором содержится экологически нежелательный хлор. Во многих областях применения ПВХ стал заменять экологически более чистый полипропилен. Следует ожидать постепенного вытеснения из обихода традиционных фенолформальдегидных смол, полиуретанов, эпоксидных смол. Однако их замена на экологически более чистые материалы требует огромной исследовательской работы во многих областях естествознания.

Полупроводники

Напомним, что все тела по электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводники обязаны своему названию тому факту, что по величине электропроводности первые изученные полупроводники занимали промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако характерным для них является не величина проводимости, а ее зависимость от температуры, освещения и наличия примесей. Многие современные полупроводниковые материалы проводят электрический ток лучше, чем многие металлы.

В природе полупроводники существуют в виде элементов IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева, например кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), теллур (Te), и химических соединений (оксиды, сульфиды, селениды). Различают собственные и примесные полупроводники.

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (Ge, Si, InSb, GaAs и другие). Проводимость таких полупроводников называется собственной. При 0 К и отсутствии внешних воздействий собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. Это связано с тем, что в этих условиях все валентные электроны участвуют в образовании связей между атомами и, следовательно, не участвуют в проводимости. При повышении температуры или под воздействием других внешних факторов тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется от атомов и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает т.н. “дырка”, заполнить которую могут электроны из соседней электронной пары. В результате дырка, как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу.

Движение электронов и дырок в отсутствие электрического поля будет хаотическим. Если на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки – по полю, что приведет к собственной проводимости. Таким образом, собственная проводимость обусловлена как электронами, так и дырками.

Количество носителей (электронов и дырок) в кристалле определяется температурой (или, например, интенсивностью освещения). Поэтому при нагревании полупроводников или при освещении их проводимость увеличивается. Напомним, что проводимость металлов при повышении температуры уменьшается, что связано с увеличением интенсивности хаотического теплового движения. При освещении проводимость металлов практически не изменяется.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной, а сами полупроводники – примесными. Примесная проводимость обусловлена атомами посторонних металлов, дефектами типа избыточных атомов по сравнению со стехиометрическим составом, тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001% атомов бора проводимость увеличивается в миллион раз.

Примесную проводимость полупроводников можно рассмотреть на примере германия или кремния, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной на единицу от валентности основных атомов. Атом Ge (или Si) имеет 4 валентных электрона. При замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка или фосфора один из электронов примеси не может образовать ковалентной связи, оказывается лишним и при тепловых колебаниях решетки может легко отщепиться от атома и стать свободным. В этом случае носителями тока являются электроны, возникает электронная примесная проводимость (проводимость n типа).

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например алюминий или бор. Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома примеси не хватает одного электрона, одна из связей оказывается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, дырки перемещаются в решетке как свободные положительные заряды. Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки. Возникает дырочная проводимость (или проводимость p-типа).

Большое практическое значение имеет контакт двух примесных полупроводников с разным типом проводимости. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Основным свойством p-n перехода является его односторонняя (или вентильная) проводимость. При включении в цепь переменного тока p-n переходы действуют как выпрямители. Выяснение природы физических процессов, происходящих на границе двух примесных полупроводников, выходит за рамки нашего курса.

Односторонняя проводимость p-n перехода применяется для выпрямления и преобразования переменных токов. Полупроводниковое устройство, содержащее один p-n переход, называется полупроводниковым диодом и используется для выпрямления переменного тока; его действие аналогично действию вакуумной двухэлектродной лампы (диода). Устройства с двумя p-n переходами называются полупроводниковыми триодами или транзисторами. Транзистор, подобно трехэлектродной вакуумной лампе, дает усиление напряжения и мощности. При введении в схему обратной связи транзистор можно использовать для генерирования электрических колебаний.

Полупроводниковые устройства обладают большими преимуществами перед электронными лампами: малые габаритные размеры, высокий КПД, большой срок службы, отсутствие накаливаемого катода и потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме. Транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих малогабаритных ЭВМ с большим объемом памяти.