Сталь восстанавливает сама себя и убивает бактерии: как переизобрели самый простой материал

Кажется, что сталь — понятный материал, от которого сложно добиться новых свойств. Но это не так: современное производство может делать все новый металл: например, легкую и прочную сталь для автопрома и машиностроения, антибактериальную для медицины и электротехническая для производства генераторов. Вместе с руководителем направления дирекции по исследованиям и разработкам новых продуктов НЛМК Олегом Губановым разбираемся в инновациях.

Сталь, которая «лечит» себя сама 

В фантастических фильмах повреждения на роботах затягиваются сами собой. Самозатягивающиеся царапины на кузове машины — это мечта многих автовладельцев. Причем такая сталь уже есть. Но ее сложно производить, это дорого, поэтому такую сталь пока используют в основном в строительстве — для фасадных панелей и кровельных материалов, которые не будут ржаветь. Например, когда нельзя допускать повреждения крыши склада, где хранятся грузы, плохо переносящие контакт с водой.

Самовосстанавливающиеся покрытия — это особые краски. В их основе микрокапсулы со специальным полимерным материалом. При любом механическом воздействии, например, при царапине, капсулы разрушаются и из них высвобождается материал, который покрывает травмированный участок, а на поверхности образуется полимерный слой. Он «залечивает» повреждение, вступая в реакцию с краями неповрежденного покрытия и заставляя его затягивать царапину, а также изолируя участок от воздуха, предотвращая коррозию металла.

Сложность в производстве стали с таким покрытием кроется и в создании краски с микрокапсулами, и в ее нанесении.

Краска — это коллоидный раствор полимеров, модификаторов и микрокапсул размером в несколько микрометров. Модификаторы, то есть связующие элементы, нужны для того, чтобы полимеры находились внутри микрокапсул в жидком состоянии. Сам состав смеси засекречен, а его производством занимаются лишь несколько компаний по всему миру — технология новая и пока находится в стадии пилота.

«Самовосстанавливающиеся покрытия — это особые краски»

Состав в жидком состоянии наносят на сталь, а затем связующие компоненты удаляются при помощи сушильной печи, оставляя сплошной полимерный слой с микрокапсулами. Важно, чтобы покрытие было распределено равномерно, а сами капсулы не были повреждены, иначе свойства стали будут отличаться на разных участках.

Если рынок оценит свойства материала, его производство станет масштабнее, а цена единицы продукта упадет, — тогда можно прогнозировать, что такая сталь получит широкое распространение.

Сталь-убийца бактерий

Сталь с антибактериальным покрытием применяют в медицине. Из нее производят инструменты врачей, элементы зданий больниц вроде перил или панелей на стенах, где обычно скапливаются вредные микроорганизмы. Причем во время пандемии многие производители техники, особенно смартфонов и ноутбуков, стали делать из нее корпуса гаджетов.

Есть несколько вариаций того, как сталь приобретает антибактериальные свойства. Чаще на поверхность материала наносят полимерное покрытие, в состав которого входят ионы серебра и меди. Эти металлы очень эффективны в борьбе с микробами: при контакте они разрушают их оболочки, погибают 99% микроорганизмов.

Но есть и другие разработки. Например, если сталь погрузить в раствор электролита и особым образом приложить напряжение, на поверхности образуются наноструктуры: микроскопические ямы, шипы и иглы. Они, как и ионы металлов, повреждают мембраны бактерий и убивают их. При этом технологический процесс, в ходе которого получают такую сталь, не отличается от уже применяющихся при обработке материала — схожим образом металл полируют или придают ему антикоррозийные свойства.

Оба подхода безопасные для клеток животных и растений: их размеры сильно превышают размеры микробов, человеку нечего опасаться.

Перспективными областями применения стали с антибактериальными покрытиями сегодня является изготовление вентиляции и облицовочных панелей — например, внутренняя отделка в транспорте и помещениях.

«Металлурги ищут способы создавать одновременно прочную и легкую сталь, чтобы делать легкие детали»

Сверхпрочная сталь — для сверхмощных машин

Металлурги ищут способы создавать одновременно прочную и легкую сталь, чтобы делать легкие детали. При производстве автомобилей это увеличит их скорость и безопасность водителя. А при производстве спецтехники прочные и легкие корпуса снизят расход топлива.

Чтобы достичь нужных параметров, металлурги формируют структуру металла с сочетанием различных фаз, одни из которых обеспечивают рост прочности, а другие отвечают за сохранение пластичности.

Всего в металлургии выделяют несколько фаз стали: феррит, за ним идут перлит, сорбит, троостит, бейниты и мартенсит. Феррит отличает невысокая прочность, при этом он пластичен и легко вытягивается. Чем дальше от феррита расположена фаза, тем выше ее прочность и тем ниже пластичность.

Если в пластичную ферритную матрицу добавить вкрапления более прочных фаз (например, мартенсит), получится «пирог», который будет одновременно пластичным и прочным — за счет свойств каждой из фаз. При этом получить сталь, состоящую из сочетания разных фаз, сложнее, если они находятся далеко друг от друга. 

Феррит-перлитную сталь научились получать давно, сегодня это одна из стандартных задач металлургии. Феррит-трооститную и феррит-бейнитную сталь получать гораздо труднее, но крупные металлургические компании ее освоили. А вот прочная феррит-мартенситная — уже результат сложнейшего технологического процесса, который требует специального оборудования и определенного уровня освоения технологий.

Стальные «сердца» электроприборов

Одна из областей применения стали в качестве электромагнитного материала — изготовление сердечников трансформаторов, генераторов и электромоторов. Железо — уникальный материал, который способен создавать собственное магнитное поле. Это обусловлено его атомным строением. 

Атом железа имеет в структуре четыре незамкнутых 3d-оболочки и вместо десяти электронов на ней всего шесть. В случае с некоторыми элементами (помимо железа это еще, например, никель и кобальт) энергетически выгодным становится заполнение двух электронов 4s-оболочки, самой удаленной от ядра, чем достраивание 3d. Так остаются несколько электронов, у которых орбитальный и спиновой магнитные моменты не скомпенсированы, они вращаются по орбите вокруг ядра и создают собственное магнитное поле. 

У некоторых металлов (золото, алюминий) электроны на оболочках компенсируют друг друга, за счет чего материалы не создают магнитного поля. Есть много других металлов с недостроенными d-оболочками, которые способны магнититься, но только железо, никель и кобальт проявляют эти свойства при комнатной температуре, а не только охлажденными.

Сталь в электронике должна хорошо намагничиваться во внешнем магнитном поле и быстро перемагничиваться при изменении его направления. Для большинства промышленных и бытовых сетей это происходит 50 раз в секунду. Основным требованием в этом процессе является именно легкость перемагничивания, которая обеспечит минимальные затраты энергии в процессе работы готового изделия.

Железо как материал — это кристаллическая структура, в которой атомы расположены на вершинах ребер и в центре кубов. Почти как в конструкторе лего. Получается, что индивидуальные магнитные поля каждого атома складываются в общее поле — за счет него детали, выполненные из железа, могут перемагничиваться, притягиваться к магнитам или сами выступать в их роли.

«Железо — уникальный материал, который способен создавать собственное магнитное поле»

Уникальная сталь для трансформаторов

Трансформаторная сталь — это один из подвидов электротехнических сталей. Она с особым строением, где кристаллическая решетка каждого участка стали одинаково ориентирована в пространстве, за счет чего удается достичь минимальных потерь энергии в ходе работы электроприбора.

А теперь простыми словами. Большие объемы стали неоднородны — они состоят из небольших «зерен» металла, в которых атомы образуют кубическую кристаллическую решетку. При этом в обычной стали разные «зерна» могут быть ориентированы по-разному относительно друг друга — их магнитные поля, соответственно, также имеют разные направления.

В трансформаторной стали металлургам удается добиться отклонения между решетками разных «зерен» всего в пару градусов. В результате такой ориентации получается материал, который стремится по строению к монокристаллу, как если бы абсолютно все атомы материала были включены в состав единой решетки, а не отдельных «зерен». Подобное строение металла с точки зрения классической теории ферромагнетизма наиболее энергетически выгодно, поскольку магнитное поле проходит через все «зерна» в одном направлении и обеспечивает быстрое перемагничивание сердечника электроагрегата с минимальными потерями электроэнергии.

Технологический цикл производства трансформаторной стали наиболее сложен во всей черной металлургии. Сталь выплавляют с помощью определенного химического состава: в нее добавляют, например, кремний, за счет чего увеличивается электрическое сопротивление и поверхностные токи не нарушают магнитное поле. Дальше — горячая прокатка, травление, холодная прокатка, обезуглероживающий отжиг, вторая холодная прокатка, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия и в ряде случаев лазерная обработка поверхности. 

На каждом технологическом переделе решаются несколько задач, начиная с получения требуемой геометрии полосы и заканчивая формированием соединений в поверхностных слоях металла или по всему сечению полосы.

Наноструктурированная сталь, похожая на резину

Наноструктурированной называют конструкционной сталью, в которой подбирают химический состав — добавляют марганец, углерод, хром, — и технологические параметры обработки формируют уникальную структуру. Она обеспечивает высокую прочность и пластичность.

Раньше для получения такого материала выплавляли сталь с нестабильной структурой, за счет которой при деформации различные фазы металла переходили из одной в другую, меняя свои свойства. Иными словами, сталь становилась прочнее при механическом воздействии.

А наноструктурированная сталь — это материал, в котором у каждого «зерна» есть двойник, ориентированный в противоположную сторону. Получается материал, который при деформации не разрушается, а вытягивается — по свойствам он скорее напоминает резину. Наноструктурированная сталь может удлиняться до 50% относительно своей первоначальной длины без разрушения и выдерживать при этом нагрузки по 10 тонн на квадратный сантиметр. Для сравнения, обычная сталь в 2,5 раза менее прочная и может удлиняться лишь на 20–25%.

Этот материал, несмотря на то, что пока его производят только в тестовом режиме и небольших объемах, имеет большие перспективы в автопроме и машиностроении: из наноструктурированной стали можно получать прочные детали сложной формы. Но пока производство из-за сложности и дороговизны не имеет массового характера, из-за этого цена каждого листа получается слишком высокой. Если же потребность в материале вырастет, производство приобретет совсем другие масштабы, и тогда цена каждого листа станет приемлемой — кто знает, возможно, в скором будущем все машины начнут изготавливать из такой стали.

Металлургия за последние несколько десятилетий мощно шагнула вперед: материалы, которые полвека назад считались фантастикой, сегодня можно получить в промышленных масштабах. Многие из них пока не носят массовый характер, но неизвестно, как поведет себя рынок: может быть, совсем скоро мы увидим новые виды стали в смартфонах, холодильниках и микроволновках.


Читать далее:

Выяснилось, что происходит с мозгом человека после одного часа в лесу

Стало известно, какой чай разрушает белок в мозге

Странные морские существа на глубине океана оказались похожи на человека

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Ученые преодолели одно из ключевых препятствий для термоядерной энергетики
Наука
Телескоп «Джеймс Уэбб» показал детали космической Конской Головы
Космос
Ученые выяснили, как парниковые газы влияют на распространение болезней
COVID-19
Найдены доказательства необычной силы магнитного поля Земли в прошлом
Наука
Посмотрите, как быстро робот-гуманоид управляется с домашними задачами
Новости
Ядро атома впервые возбудили лазером: это открывает сверхточные измерения времени
Наука
Чек-лист: как обеспечить информационную безопасность маркетплейса
Мнения
Экспериментальный лазер передал данные с зонда «Психея» на расстоянии 226 млн километров
Космос
Посмотрите на самое близкое фото обломка ракеты в космосе
Космос
Ученые нашли следы древних ритуалов майя на благословение
Наука
В Китае появились батареи со сверхбыстрой зарядкой для электрокаров: запас хода составляет 1000 км
Новости
Найдены скрытые «дорожки для мертвых»: их обнаружили с помощью лидара
Наука
Беспилотные грузовики Evocargo начинают работу во «Внуково» в рамках эксперимента
Новости
«Человеческие нейронные сети потребляют около 20 Вт, а искусственные — сотни ватт»
Технологии
Ученые считают, что недалеко от Земли есть «живая» планета
Новости
Китай готов к автономным летающим такси: когда будут первые полеты
Новости
Посмотрите на сотни черных «пауков», которые заполонили Марс весной
Космос
Где похоронен Платон: ученые наконец-то нашли ответ
Наука
Почему мужчины умирают в России на 10 лет раньше женщин: в Минздраве назвали причину
Новости
Крошечный и тонкий экран отслеживает активность мозга во время операции
Новости