Tēma 15 15. MATERIĀLU UN LIETU RAŢOŠANAS ATTĪSTĪBAS TENDENCES 15.1. IEVADS Iepriekšējās tēmās esam aplūkojuši plašu ar dažādu materiālu struktūru, īpašībām, izgatavošanu un izmantošanu saistītu jautājumu spektru. Pārliecinājāmies par to, ka ikkatrs cilvēka ikdienas dzīves solis, ikvienas vajadzības apmierināšana ir pilnīgi atkarīga no tā, vai šim nolūkam ir nepieciešamie materiāli (Tēma 1). Mēs arī zinām, ka materiālu iegūšanai nepieciešamās izejvielas tiek ņemtas tikai un vienīgi no zemes resursiem. Gribam mēs to vai nē, šie resursi nemitīgi samazinās. Viens no visbūtiskākajiem cilvēces eksistences nosacījumiem ir cilvēku apgāde ar uzturu. Uz Zemes pašreiz dzīvo ap 6,6 miljardi cilvēku. Cilvēku skaits uz zemes pastāvīgi pieaug. Lēš, ka 2013. gadā uz Zemes dzīvos 7 miljardi cilvēku, bet 2050. gadā jau 9,1 miljardi! Pastāv uzskats, ka daba spēj pietiekamā līmenī apgādāt un pabarot ne vairāk kā 500 miljonu cilvēku. Zinātnieki uzskata par aksiomu, ka cilvēce iegājusi ekoloģiskās krīzes fāzē. Pašreiz uz Zemes pietiekami paēduši ir aptuveni tikai 500-700 miljoni cilvēku, bet 2 miljardi badojas. Ik gadu no bada mirst 20 miljoni cilvēku. Ierobežotie Zemes resursi ir maksimāli racionāli un taupīgi jāizmanto. Cilvēces pabarošana prasīs būtisku lauksaimniecībā izmantojamās zemes platību paplašināšanu, tās atkarošanu no tuksnešiem un citām neauglīgām zemes teritorijām. Būs nepieciešami pasākumi esošo lauksaimniecības zemju ražības uzturēšanai: augsnes struktūras optimizācija, mēslojuma nodrošināšana, augsnes meliorācija un apūdeņošana u.t.t.
Būs jāatrisina neskaitāmas problēmas, kas saistītas ar racionālu ražas novākšanu, glabāšanu, transportu, sadali. Lauksaimniecībā izmantojamā zeme pašreiz sastāda ap 38% no zemeslodes cietzemes platības. No tās tikai trešdaļa ir aramzeme. Nepieciešamība cilvēci apgādāt ar ūdeni prasīs meklēt jaunus saldūdens resursus, izveidot racionālas taupošas ūdens apgādes sistēmas. Būs nopietnāk jāķeras pie sāļo jūru un okeānu ūdens atsāļošanas tehnoloģiju izstrādes. Pat šīs divas visnepieciešamākās cilvēka eksistenci nodrošinošās jomas prasīs ievērojami pilnīgākas un ražīgākas, kā līdz šim, būves, iekārtas, mehānismus, ierīces. Bet kur tad vēl tādas cilvēcei būtiskas sfēras kā apģērbs, mājoklis, transports, savstarpējās sazināšanās, informācijas apmaiņa, informācijas uzglabāšanas, veselības nodrošināšana, sports, rekreācija, māksla. Joprojām būtiski svarīga joma būs bruņojumam. Visu nosaukto jomu pastāvēšana un attīstība prasīs lielus materiālu daudzumus, jaunu efektīvāku materiālu radīšanu. 15.2. IZEJVIELU UN ENERĢĒTISKIE RESURSI Materiālu ražošanas attīstības stratēģijas pamatuzdevumi ir: garantēt pietiekami plaša materiālu un no tiem izgatavojamo lietu klāsta pieejamību par pieņemamām izmaksām, nodrošināt pietiekamu dabas resursu pieejamību dinamiski prognozēt nepieciešamos izejvielu resursus. Dabas resursi ir nepieciešami visu bez izņēmuma materiālu iegūšanai. Neatkarīgi no tā, vai šos materiālus iegūst tieši no dabas izejvielām, vai iegūst vairāk vai mazāk dziļi ķīmiski pārveidojot dabas izejvielas, vai arī ķīmiski sintezē no vienkāršām vielām, kuras savukārt iegūst no dabas izejvielām (Tēma 2). Šo dabas resursu krājumi nemitīgi samazinās. Viens no ļoti svarīgiem neatjaunojamiem dabas resursu veidiem ir nafta. Tā ir gan izejviela daudzu sintētisku materiālu (galvenokārt polimēru materiālu) iegūšanai, gan būtiskākais enerģētiskais resursu avots. 2
Ir aprēķināts, ka novērtēto un zinātniski pārbaudīto pasaules naftas rezervju (15.1. tabula) pietiks 65 gadiem. Naftas rezerves Rezerves, Dienas iegūšanas 10 9 m 3 apjoms, 10 3 m 3 15.1. tabula Cik ilgam laikam pietiks, gadi Pasaulē 180,8 7 660 65 t. sk. Krievijā 60 1 510 15 t. sk. Sauda Arābijā 260 1 400 81 Taču jaunu, vēl neapzinātu naftas atradņu meklējumi notiek ļoti intensīvi. Ir apsekoti zemes rajoni, kuros ir atrodama nafta ar lielu varbūtību. Tas pats attiecināms arī uz citiem neatjaunojamiem dabas resursiem (metālu rūdas, minerālās izejvielas stikla, keramikas, cementu u.c. iegūšanai, u.t.t.). Tas ievērojami palielina šo dabas resursu prognozētās rezerves. Tomēr jārēķinās ar to, ka jaunatklātās izejvielu atradnes vairumā būs neērtas. To apgūšana un ekspluatācija būs saistīta ar noteiktām tehniskām grūtībām Tā, piemēram, nafta var atrasties ļoti dziļi (dziļāk par 10 km), var atrasties zem vairāku tūkstošu metru dziļa jūras ūdens slāņa, vai arī zem kalnu grēdām un tml. Tehnoloģiju attīstība ļaus nākotnē šīs atradnes sekmīgi apgūt. Kooperāciju izejvielu izmantošanas jomā būs iespējams realizēt ne vairs atsevišķu reģionu, bet gan visas pasaules mērogā. Līdz ar to materiālu industrijas apgāde ar izejvielām nebūs vairs tik daudz izejvielu krājumu problēma, cik izejvielu plūsmas sakārtošanas problēma. Viss teiktais ļauj prognozēt, ka racionāli un taupīgi izmantojot, neatjaunojamo izejvielu resursi tuvākajā laikā netiks izsmelti. Nepieciešamība taupīt neatjaunojamās izejvielas liek pievērst aizvien lielāku uzmanību atjaunojamām izejvielām. Tās pamatā ir augu un dzīvnieku valsts izejvielas. Mēs jau uzzinājām, ka koksne, augu valsts šķiedras (lini, kokvilna, džuta un daudzas citas), dzīvnieku valsts produkti: vilna, āda, kažokāda, kauls u.c. tiek plaši izmantoti kā materiāli visdažādāko izstrādājumu iegūšanai. Tos izmanto arī kompozītu iegūšanai. 3
Savukārt no augiem (koksne u.c.), tos ķīmiski apstrādājot, iegūst izejvielas, kas nepieciešamas dažādu polimēru materiālu izgatavošanai. Pamatā tie ir celulozes, cietes un citu vielu ķīmiskas modifikācijas produkti. No augu valsts izejvielām iegūst arī tādu vērtīgus produktus kā ziežvielas, šķīdinātājus, virsmas aktīvās vielas u.c. Atjaunojamo izejvielu īpatsvara palielināšana materiālu ražošanas industrijā neapšaubāmi ir progresīva tendence. Un ne tikai tāpēc, ka tā iespējams taupīt neatjaunojamos resursus. Materiālu iegūšanas tehnoloģiskie procesi no atjaunojamām izejvielām bieži vien ir ekoloģiski drošāki. Arī iegūto materiālu lietošana parasti ir ekoloģiski droša. Atjaunojamo izejvielu resursus nevar uzskatīt par neierobežotiem. Šo resursu nodrošināšanai vajadzīgas lielas auglīgas zemes platības un nepieciešams risināt tās pašas problēmas, ar kurām saskaramies nodrošinot pārtikas produktu ražošanu. Ņemot vērā ārkārtīgi izteikto pārtikas produktu deficītu pasaules mērogā, atjaunojamo izejvielu ražošanas perspektīvas nav sevišķi lielas. Progress izejvielu atradņu apgūšanā, materiālu ražošanā un pārstrādē pilnā mērā būs atkarīgs no enerģētikas resursiem. Līdzās racionālai un taupīgai upju ūdens enerģijas, fosilo enerģētisko izejvielu (nafta, dabas gāze, akmeņogles) un atomenerģijas izmantošanai siltuma un elektriskās enerģijas ražošanai, vistuvākajā laikā būs pastiprināti jāpievēršas tehnoloģiju izstrādei, kas padarītu par rentablu tādu enerģijas avotu izmantošanu kā saules, vēja, jūras viļņu, paisuma bēguma enerģija. Perspektīva solās būt atjaunojamo enerģijas resursu plašāka izmantošana. Tas ir samērā plašs organiskas dabas materiālu (pamatā atkritumu) klāsts. Pie tiem pieder salmi, mežsaimniecību atkritumi, kokapstrādes rūpniecības atkritumi, sadedzināmie atkritumi, mājlopu mēsli u.c., kas pēc būtības ir zemkopības pārtikas Šos materiālus iespējams izmantot kā kurināmo apkures sistēmās, koģenerācijas stacijās (kurās vienlaicīgi iegūst elektroenerģijas un siltumenerģijas vienotā termodinamiskā ciklā, izmantojot vienu kurināmā veidu) kā arī iegūt no tiem biogāzi. Rezumējot var teikt, ka gan izejvielu gan enerģētisko resursu efektīva izmantošana materiālu ražošanai perspektīvā prasīs vairāk pūļu, izdomas un līdzekļu. Būs nepieciešams izmantot jaunus tehniskus un tehnoloģiskus paņēmienus, ierīces un 4
iekārtas, kuras pašas būs jāizgatavo no noteiktiem (iespējams jauniem) materiāliem, izmantojot šim nolūkam ierīces un instrumentus, kas arī būs izgatavoti no noteiktiem materiāliem u.t.t., u.t.t. 15.2. MATERIĀLU ATTĪSTĪBAS VĒSTURE UN NĀKOTNES TENDENCES Spriest par materiālu attīstības perspektīvām vislabāk ir atskatoties uz materiālu attīstības vēsturi. Aplūkosim shēmu, kas ilustrē materiālu evolūciju ilgā laika periodā (sākot no 10 000 gadu pirms mūsu ēras) kā arī dod ieskatu par materiālu attīstību tuvākajās desmitgadēs (15.1.att.). Sadalīsim nosacīti visu daudzveidīgo materiālu saimi četrās lielās grupās: cietie akmens veida materiāli, kompozīti, polimēru materiāli un metāli. Uz ordinātu ass atliksim katras grupas materiālu relatīvo nozīmīgumu cilvēka dzīvē, uz horizontālas ass gadus. Kā jau mēs zinām, tālā senatnē noteicošā loma bija akmens veida materiāliem. Sākumā tas bija vienkārši dažādas izcelsmes dabiskais akmens. Laika gaitā cilvēki apguva mākslīgu akmenim līdzīgu materiālu iegūšanas tehnoloģijas: māla keramikas, stikla, cementu u.c. Senie cilvēki plaši izmantoja dabas polimēru materiālus: koku, dabas šķiedras, dzīvnieku ādu un kaulus, koku sveķus. Zināma loma bija arī pirmajiem kompozītmateriāliem: to vidū ar salmiem stiegrotiem neapdedzinātiem māla ķieģeļiem. Arī papīrs uzskatāms par vienu senajiem kompozītmateriāliem. Metālu nozīmīgums, kas sākumā bija visai niecīgs, sāka ārkārtīgi strauji augt līdz ar bronzas un lietas dzelzs tehnoloģiju ieviešanu. Šī tendence kļuva vēl izteiktāka izveidojoties tērauda, sakausējumu tēraudu, vieglo sakausējumu (Al, Mg, Ti), supersakausējumu (Fe, Ni, Co) u.c. tehnoloģijām. Metālu nozīmīgumam pieaugot krasi samazinājās pārējo materiālu grupu īpatsvars, sevišķi tas attiecināms uz akmensveida materiāliem. Metālu un sakausējumu dominējošā loma viskrasāk izpaudās divdesmitā gadsimta sešdesmito septiņdesmito gadu laikā. 5
materiālu relatīvais nozīmīgums METĀLI POLIMĒRI KOMPOZĪTI CIETIE AKMENSVEIDA MATERIĀLI Au Cu bronza koks āda kauls sveķi šķiedras salmu ķieģeļi papīrs lieta dzelzs akmens krams māla keramika stikls cementi ugunsturīga keramika tērauds sakausējum u vieglie sakausējumi: super-sakausējumi Al, Mg, Ti Fe, Ni, Co Ti, Zr u.c. sakausējum i gumija F betons PV PMM dzelzsbetons P portlandcements P kausēts SiO2 kermeti pirokeramika Al - Li sakausējumi mikroleģētie tēraudi PAk PĒ P PA KevlšPK OgšPK StšPK stiklveida metāli divfāzu lielas stiprības liela moduļa polimēri strāvu vadoši polimēri Met.MK sīkstā keramika Ker.MK 10 000 5 000 0 1000 1500 1800 1900 gadi 1940 1960 1980 1990 2000 2010 2020 15.1.att. Materiālu grupu relatīvā nozīmīguma evolūcija Portlandcementa ieviešana ražošanā radīja priekšnoteikumu tādu divu kompozītmateriālu izveidošanai kā betons un dzelzsbetons. Gumijas (19. g. s. beigās) un fenolformaldehīda polimēru (20 g. s. sākumā) parādīšanās, stimulēja intensīvus pētījumus polimēru jomā. Sākot ar 20 g. s. trīsdesmitiem gadiem iesākas polimēru uzvaras gājiens. Viens pēc otra tiek uzsākta polivinilhlorīda (PVC), polistirola (PS), polimētilmetakrilāta (PMMA), polietilēna (PE), polipropilēna (PP), poliakrilātu (PAkr), pioliēsteru (PEst), poliamīdu (PAm) un daudzu citu polimēru ražošana. Polimēru nozīmīgums kļūst aizvien lielāks. Zinātnieki ķīmiķi sintezē arvien jaunus un jaunus polimērus. Liela moduļa un lielas stiprības polimēri, strāvu vadoši polimēri ir tikai daži piemēru straujas attīstības virzienu piemēri. Pateicoties progresam polimēru ķīmijā un tehnoloģijā izveidojās un strauji pilnveidojās polimēru matricas stiegrotu kompozītmateriālu tehnoloģijas: stikla šķiedras polimērkompozītu (StšPK), oglekļa šķiedras polimērkompozītu (OgšPK), kevlara šķiedras polimērkompozītu (KevšPK) u.c. Pašreiz strauji attīstās arī citu materiālu matricas kompozīti: metālu matricas (MetMK), keramikas matricas (KerMK). 6
Pēdējo dekāžu un tuvākās nākotnes tendence ir polimēru materiālu, kompozītmateriālu un keramisko materiālu nozīmīguma palielināšanās. Taču metālu loma nebūt nesamazinās. Stiklveida metāli, divfāzu metāli, mikroleģētie tēraudi ir tikai daži daudzsološākie metālisko materiālu veidi. Aplūkosim dažas svarīgākās materiālu attīstības tendences Materiālu evolūcija visā tās gaitā raksturojas ar strauju materiālu izveidei un ražošanai nepieciešamās informācijas daudzuma pieaugumu. Izmantojamo materiālu uzbūve top arvien sarežģītāka, to struktūras un īpašību kopsakara noskaidrošana, kā arī pašu materiālu ražošanas tehnoloģija kļūst arvien komplicētāka (15.2.att.). Desmit mūsu civilizācijas gadu tūkstošos pirms mūsu ēras cilvēce iztika ar mazāk nekā 10 5 nosacīto informācija daudzuma vienību. Ja deviņpadsmit mūsu ēras gadsimtos laikā šis daudzums pieauga tikai par divām kārtām, tad divdesmitā gadsimtā gandrīz par sešām kārtām! Divdesmit pirmā gadsimta pirmajos gadu desmitos gaidām pieaugums vēl par trim kārtām. 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 informācijas daudzums, nosacītas vienības >10 000 g 1 900 g tērauds lieta dzelzs kalta dzelzs bronza keramikas matricas K metālu matricas K polimēru matricas K sintētiskie polimēri 100 g stiklveida metāli divfāzu metāli mikroleģētie tēraudi strāvu vadoši polimēri 10 2 1 10 000 stikls keramika akmens 0 1 900 gadi 2 000 15.2.att. Materiālu izveidei un ražošanai nepieciešamās informācijas daudzuma pieaugums materiālu evolūcijas gaitā 7
Viena no mūsdienu tendencēm materiālu jomā ir no materiāliem izgatavojamo lietu lietošanas efektivitātes palielināšana. Tas attiecināms uz lietu funkcionalitātes palielināšanu, lietas lietošanas drošumu un ērtumu. Ierīču gabarītu samazināšana (miniaturizāciju) ir izteikta mūslaiku un nākotnes tendence. Šī tendence labi saskatāma, aplūkojot elektronikas ierīču evolūciju (15.3.att.). ierīces izmēri 10cm elektronu lampas 1cm 1mm 100mm tranzistori 10mm 1mm 100nm 10nm 1nm integrētās shēmas molekulārā elektronika 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 gadi 15.3.att. Elektronikas ierīču gabarītu evolūcija Materiālu attīstību lielā mērā nosaka cilvēka tieksme redzēt sev apkārt lietas, kas izgatavotas no dabiskiem materiāliem: koka, akmens, dabas šķiedrām u.c. Taču šie materiāli kļūst arvien dārgāki. Pašreiz samērā lētus materiālus iespējams atrast polimēru (plastmasu) un atsevišķu polimērkompozītu lokā. Tāpēc lietu dizainā lielu popularitāti iemantojusi 8
materiālu imitēšana: polimēru materiāla izstrādājumam piešķir kāda cēlāka materiāla (koka, akmens, keramikas, metāla, stikla u.c.). ārējo izskatu. 15.3. LIETU KALPOŠANAS MŪŢS UN LIETOŠANAS DROŠUMS Lietu kalpošanas mūžs ir svarīga ekonomiska un sociāla kategorija. Kā jau esam runājuši, vēlamais kalpošanas mūžs dažādiem objektiem var būtiski atšķirties. Tā, piemēram, būvju (tilti, estakādes, aizsprosti, tuneļi u.c.), ēku, ceļu, dzelzceļu kalpošanas mūžam vajadzētu būt lielam daudzi gadu desmiti un pat gadu simti. Šādi objekti jāizgatavo no ilgizturīgiem materiāliem. Savukārt, piemēram, tādam izstrādājumam kā īslaicīgi glabājamu preču iesaiņojumam tas nav nepieciešams. Šajā gadījumā tiek risināta pretēja problēma: kā paātrināt izstrādājuma noārdīšanos pēc nokļūšanas atkritumos. Biodegradablu materiālu izveide (14. tēmā), ir viens no risinājumiem. Svarīgs rādītājs ir izstrādājuma lietošanas drošums. Vispārīgā gadījumā tas nozīmē, ka izstrādājums nevainojami bez traucējumiem kalpos noteikto ekspluatācijas laiku, pie nosacījuma, ka tiks ievēroti saistošie ekspluatācijas noteikumi. Tas iespējams, ja sagaidāmie izstrādājuma ekspluatācijas parametri nepārsniegs atbilstošos izstrādājuma kvalitātes rādītājus. Noskaidrosim to vienkāršā piemērā, izmantojot kā izstrādājuma kvalitātes rādītāju stiprības robežspriegumu B. Ja pārbaudīsim pietiekami lielu vienādu izstrādājumu paraugu skaitu, konstatēsim, ka B vērtības atšķiras. Varēsim izveidot B vērtību sadalījuma līkni (15.4. att., līkne 1), kur q( B ) mērījumu relatīvais skaits, kas atbilst noteiktai B vērtībai. Pēc tās iespējams noteikt varbūtīgāko parauga stiprības vērtību B, kā arī tās mazāko un lielāko vērtību. 9
q( ) 2 1 D B 15.4.att. Lietas lietošanas drošums. Salīdzināsim B vērtību izkliedes līkni ar sprieguma D (darba sprieguma) vērtībām, kas sagaidāmas slogojot izstrādājumu lietošanas procesā (15.4. att., līkne 2). Mūsu gadījumā vislielākā iespējamā darba sprieguma vērtība ir mazāka par vismazāko izstrādājuma stiprības vērtību. Tāpēc izstrādājuma sabrukums slogojot nav iespējams. Reālos apstākļos tas bieži tā nav. Piemēram, nestabila ražošanas procesa rezultātā izstrādājumiem var būt palielināta B vērtību izkliede (līkne 3). Vai arī, pietiekami ilgstošas ekspluatācijas gaitā B vērtības var samazināties izstrādājuma vecošanas un noguruma dēļ (līkne 4). Tad vājākie izstrādājuma paraugi sabruks pietiekami lielu darba spriegumu gadījumā. Izstrādājumu ilgstošas stabilas ekspluatācijas garants ir šaura stiprības rādītāju izkliede (stabila ražošana), pietiekami liela sākotnējā B vērtība un lēna tās samazināšanās izstrādājumu ilgstoši lietojot (lēna novecošana). Ir racionāli, lai kompleksu izstrādājumu atsevišķi mezgli novecotu saskaņotā tempā un sasniegtu stāvokli, kad tie tālāk vairs nav lietojami, vienā laikā. 15.4. MATERIĀLU UN LIETU RAŢOŠANAS ATTĪSTĪBAS SOCIĀLIE ASPEKTI Materiālu un lietu ražošanas attīstību lielā mērā nosaka sociālo problēmu kopums. Vissvarīgākais ir panākt, lai ar materiāliem saistītās norises neapdraudētu cilvēka veselību. 10
Tas liek konsekventi ievērot vairākus noteikumus: neizmantot toksiskus produktus vai nepieļaut to rašanos materiālu (lietu) ražošanas procesā nepieļaut toksisku produktu klātbūtni materiālā (lietā) nepieļaut toksisku produktu rašanos lietu reciklēšanas procesā. Šos noteikumus Latvijā nosaka likums Par piesārņojumu. Šā likuma mērķis ir novērst vai mazināt piesārņojuma dēļ cilvēku veselībai, īpašumam un videi nodarīto kaitējumu, novērst kaitējuma radītās sekas. Materiālu un lietu ražošana nedrīkst apdraudēt arī apkārtējās vides stāvokli. Ir nepieciešams pastāvīgi kontrolēt vides (gaisa, ūdens, zemes) piesārņošanos. Ražotājiem tiek uzlikts par pienākumu izmantot tehnoloģijas, kas nodrošina vismazāko vides piesārņojumu Svarīgs sociāls aspekts ir nepieciešamība taupīt izejvielas un enerģiju, izmantojot taupošas tehnoloģijas, unificējot lietas, samazinot lietu skaitu, konsekventi reciklējot nokalpojušas lietas. 15.4. DAŢI JAUNU PERSPEKTĪVU MATERIĀLU VEIDI Īsumā aplūkosim atsevišķus jaunu materiālu grupas un veidus, kuru plaša izmantošana jau notiek vai tuvākā nākotnē kļūs visai perspektīva. Mēs galvenokārt runāsim par šo materiālu veidu pamatīpašībām un to praktiskas izmantošanas iespējām, atstājot atbilstošo norišu mehānisma iztirzāšanu speciālām disciplīnām, kuras paredzētas studiju programmā Materiālzinātne. Amorfie metālu sakausējumi Amorfie metāli (stiklveida metāli) ir metālu sakausējumi ar nesakārtotu atomu izvietojumu. Izmantojot vairāku metālu (Au, Cu, Pd, Fe, Ni, Zr, Ti, Be) un arī nemetālu (Si, P, B u.c.) kombinācijas, kuru atomu izmēri stipri atšķiras, iespējams panākt ievērojamu sakausējuma brīvā tilpuma samazinājumu. Rezultātā kausējuma viskozitāte pieaug par kārtu. Atomu kustīgums kausējuma un līdz ar to spēja veidot sakārtotas struktūras ievērojami samazinās. Amorfu struktūras iespējams panākt kausējumu strauji dzesējot. 11
Amorfie metāli cietējot sarūk mazāk. Tiem nav polikristālisko metālu vājā posma robežslāņa starp kristāliskiem graudiem. Tāpēc tiem lielāka pretestība plastiskai deformācijai un lielāka stiprība. Tajā pašā laikā amorfie metāli ir sīkstāki un mazāk trausli nekā tradicionālie stikli un keramika. Piemēram, sakausējumam Vitreloy (Zr, Ti, Cu, Ni, Be) ir divreiz lielāka stiprība stiepē nekā augstākās klases Ti sakausējumiem. Amorfo metālu kausējumu īpašības ļauj tos ērti pārstrādāt, piemēram, ar spiedliešanas metodi. Amorfos metālus ir iespējams sekmīgi izmantot sporta rīku, medicīnas ierīču u.c. izgatavošanai. Metāla matricas kompozīti Tie ir kompozīti, kuru matricu veido kāds metāls vai metālu sakausējums. Veidojot metāla matricas kompozītus, kā matricu visbiežāk izmanto vieglos metālus: Al, Mg, Ti. Ekspluatācijai augstā temperatūrā izmanto Co un Co-Ni sakausējumus. Pildvielas vai stiegrojums piešķir kompozītam palielinātu mehānisko stiprību, augstu nodiluma izturību, maina kompozīta frikcijas īpašības un siltumvadāmību, piešķir lielu termisko izturību u.c. Kā stiegrojumu visbiežāk izmanto oglekļa (C) šķiedru, silicija karbīda šķiedru (SiC), alumīnija oksīda (Al 2 O 3 ), bora (B) un bora nitrīda (BN) šķiedru. Metāla matricas kompozītus (MMK) iegūst ar dažādām metodēm. Izmantojot cietā stāvokļa metodi īsšķiedru samaisa ar metālu pulveri vai arī veido metāla foliju un garu šķiedru kārtainas struktūras. Pēc tam iegūto sagatavi termomehāniski apstrādā (presē vai ekstrudē). Izmantojot šķidra stāvokļa metodi šķiedras iemaisa šķidrā metālā, metālu injicē formā, kurā iepriekš izvietotas šķiedras vai arī izsmidzina metāla kausējumu uz nepārtrauktu šķiedru sagatavi. Minēsim atsevišķus MMK izmantošanas piemērus. Urbju darba elementi: kobalta sakausējuma matrica ar dispersām volframa daļiņām. Tanku bruņu elementi: matrica - tērauds, stiegrojums bora nitrīda šķiedras. 12
Automobiļu bremžu diski: matrica alumīnija sakausējums, stiegrojums oglekļa šķiedras. MMK vienmēr ir dārgāki, salīdzinot ar to materiālu, kuru tie aizvieto. Tāpēc šāda aizvietošana attaisnojas tikai tad, kad tiek iegūtu krasa kvalitātes uzlabošanās, Keramikas matricas kompozīti Šo kompozītu matrica ir viens vai otrs keramikas veids. Keramikas matricas kompozītus veido nolūkā būtiski uzlabot keramisko materiālu īpašības: samazināt trauslumu, uzlabot elektrovadītspēju un siltuma vadītspēju, cietību un daudzas citas. Kā matricu izmanto gan oksīdu keramiskos materiālus: alumīnija oksīdu (Al 2 O 3 ), silicija dioksīdu (SiO 2 ), litija, bārija u.c. alumosilikātus, gan arī neoksīdu keramiskos materiālus: silicija karbīdu (SiC), silicija nitrīdu (Si 3 N 4 ), alumīnija nitrīdu (AlN). Kā stiegrojumu izmanto īsšķiedras (SiC, Si 3 N 4, AlN u.c.) vai arī nepārtrauktās šķiedras (stikla, Al 2 O 3, SiC, oglekļa). Oglekļa-oglekļa kompozīti Oglekļa-oglekļa kompozītus (OOK) veido matrica ar grafīta struktūru, kas stiegrota ar oglekļa šķiedru. Lai novērstu šķiedras oksidēšanos to atsevišķos gadījumos pārklāj ar silicija karbīdu (SiC). OOK izgatavo vairākās stadijās. Vispirms izveido izstrādājuma sagatavi, kas sastāv no oglekļa stiegrojuma (šķiedra, audums), kas inkorporēts organiskā saistvielā: polimērā, augu valsts vai naftas pārstrādes produktā (bitumeni, piķis, darva). Iegūto sagatavi pakļauj termiskai apstrādei bez skābekļa atmosfērā (pirolīze), kuras rezultātā saistviela iegūst grafītam līdzīgu oglekļa struktūru. Noslēgumā sagatavi ilgstoši (vairākus desmitus stundu) piesātina ar oglekli veidojošu gāzi (piemēram, acetilēnu) lielā temperatūrā. Šajā procesā karbonizētās saistvielas porainība samazinās un struktūra pilnveidojas. Rezultātā iegūst cietu, mehāniski izturīgu materiālu, kas ir termiski izturīgs, spēj izturēt straujas temperatūras maiņas un gradientus. 13
Viedie materiāli Tie ir materiāli (metāli, polimēri, keramiskie materiāli ar noteiktu struktūru), kuru struktūra un īpašības: forma (tilpums, lineārie izmēri), mehāniskās, elektriskās īpašības u.c. var tikt būtiski izmainītas mainoties ārējiem apstākļiem: mehāniskais spriegums, temperatūra, apkārtējā vide (mitruma saturs, ph), elektriskais un magnētiskais lauks u.c. Šādus materiālus vispirms iespējams izmantot kā jūtīgus nosaukto ārējās iedarbības veidu sensorus. Piemēram, polimērkompozīts kura matrica ir superelastīgs polimērs, bet pildviela strāvu vadošas daļiņas (grafīts, ogleklis, oglekļa nanocaurules u.c.) maina elektrisko pretestību mehāniskas deformācijas rezultātā, absorbējot organiskus šķīdinātājus un tml. Biomateriāli Lielu dažādas izcelsmes materiālu (metāli, keramika, kompozītmateriāli un tml.) grupu veido biomateriāli. Šaurākā nozīmē tie ir jebkuri dabas vai cilvēka roku radīti materiāli, kuri ir spējīgi pilnīgi vai daļēji atveidot dzīvās struktūras vai tikt izmantoti bio-medicīnisku ierīču izgatavošanai, kuras veic, pastiprina vai aizvieto noteiktas dabiskas funkcijas. Šajā nozīmē biomateriāli ir nedzīvi materiāli, kuriem jāatrodas tiešā kontaktā ar dzīvām bioloģiskām sistēmām. Biomateriālu zinātne ir komplicēta materiālu zinātnes nozare, kas strauji attīstās. Tā ietver sevī medicīnas, bioloģijas, ķīmijas un dzīvo audu inženierijas elementus. Minēsim tikai dažus dzīvībai svarīgus orgānus, kurus iespējams aizvietot ar mākslīgiem, kas ir veidoti no biomateriāliem: mākslīgās locītavas, sirds vārstuļi, cīpslas un saites, zobu protēžu fiksatori, kaulu cementi, asinsvadi, ādas aizvietotāji, dzirdes implanti, kontaktlēcas, brūču pārsēji (aizsargi) u.c. Atkarībā no pielietojuma veida šiem materiāliem vai nu jābūt bioloģiski inertiem, vai mērķtiecīgi bioloģiski aktīviem. Savu nišu biomateriālu jomā ieņem biopolimēri. Viena no ļoti svarīgām īpašībām, kura izceļ biopolimērus citu materiālu vidū ir spēja bioloģiski sadalīties (skat. 14. tēmu). 14
Biomateriālu vidū aizvien lielāka loma ir tā sauktiem zaļajiem materiāliem. Tie pamatā ir kompozītmateriāli, kuros vismaz viena komponente (matrica, stiegrojums, pildviela) ir dabas polimērs (ciete, celuloze, lignīns, želatīns, kazeīns un daudzi citi). Nanomateriāli. Nanomateriāli (NM) ieņem īpašu vietu jaunu strauji attīstošos materiālu vidū. NM izveide, vispusīga izpēte un pielietojuma jomu noteikšana notiek cieši sadarbojoties jauniem virzieniem: nanozinātnei, nanotehnikai un nanotehnoloģijai. NM struktūrā noteicošā loma ir struktūras elementiem, kuru izmēri vienā vai vairākās dimensijās atrodas nanometru apgabalā (nepārsniedz 10 2 nm). Šādi objekti pēc daudzām savām īpašībām būtiski atšķiras no objektiem, kuru izmēri ir lielāki. Nanokompozītu izveidei vispirms ir nepieciešams atrisināt dažādas formas nanodaļiņu (izodiametrisku daļiņu, šķiedru u.c.) iegūšanas tehniku un tehnoloģiju. Zinātniski pamatoti izvietojot tās dažādas dabas matricās (galvenokārt polimēru matricās) iegūst nanokompozītus (par pildītiem un stiegrotiem nanokompozītiem mēs jau runājām. Strauji attīstās arī nanostrukturētu materiālu joma. Tie ir materiāli, kurus veido nanolīmeņa struktūras elementi: klasteri, kristalīti, molekulu kopas u.c. Nanotehnoloģijas paver ceļu uz principiāli jaunu praktiski izmantojamu objektu izveidi. To vidū molekulārās elektronikas elementi, molekulārie mehānismi un ierīces. OOK 15