Неорганические полимеры свойства. В бумажной промышленности. Кристаллы - гексагональные, атомы в них образуют спиральные цепи и связаны ковалентными связями с ближайшими соседями. Поэтому элементарный теллур можно считать неорганическим полимером. Кристал

Классификация по способу получения (происхождения)

Классификация по горючести

Классификация по поведению при нагревании

Классификация полимеров по структуре макромолекул

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Синтез полимеров.

Полимером называют химическое вещество, имеющее большую молекулярную массу и состоящее из большого числа периодически повторяющихся фрагментов, связанных химическими связями. Указанные фрагменты называются элементарными звеньями.

Таким образом, признаки полимеров следующие: 1. очень большая молекулярная масса (десятки и сотни тысяч). 2. цепное строение молекул (чаще простые связи).

Следует отметить, что полимеры уже сегодня успешно конкурируют со всеми другими материалами, используемыми человечеством с древности.

Применение полимеров:

Полимеры биологического и медицинского назначения

Ионно - и электронно-обменные материалы

Тепло- и термостойкие пластики

Изоляторы

Строительные и конструкционные материалы

ПАВы и материалы, стойкие к агрессивной среде.

Быстрое расширение производства полимеров привело к тому, что их пожароопасность (а все они горят лучше, чем дерево) стала национальным бедствием для многих стран. При их горении и разложении образуются различные вещества, в основном токсичные для человека. Знать опасные свойства образующихся веществ необходимо для успешной борьбы с ними.

Классификация полимеров по составу основной цепи макромолекул (наиболее распространенная):

I . Карбоцепные ВМС – основные полимерные цепи построены только из углеродных атомов

II . Гетероцепные ВМС – основные полимерные цепи, помимо атомов углерода, содержат гетероатомы (кислород, азот, фосфор, серу и т.д.)

III . Элементоорганические полимерные соединения – основные цепи макромолекул содержат элементы, не входящие в состав природных органических соединений (Si, Al, Ti, B, Pb, Sb, Sn и др.)

Каждый класс подразделяется на отдельные группы в зависимости от строения цепи, наличия связей, количества и природы заместителей, боковых цепей. Гетероцепные соединения классифицируются, кроме того, с учетом природы и количества гетероатомов, а элементоорганические полимеры – в зависимости от сочетания углеводородных звеньев с атомами кремния, титана, алюминия и т.д.

а) полимеры с насыщенными цепями: полипропилен – [-CH 2 -CH-] n ,

полиэтилен – [-CH 2 -CH 2 -] n ; CH 3

б) полимеры с ненасыщенными цепями: полибутадиен – [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n ;

в) галоген замещенные полимеры: тефлон – [-CF 2 -CF 2 -] n , ПВХ – [-CH 2 -CHCl-] n ;

г) полимерные спирты: поливиниловый спирт – [-CH 2 -CH-] n ;

д) полимеры производных спиртов: поливинилацетат – [-CH 2 -CH-] n ;

е) полимерные альдегиды и кетоны: полиакролеин – [-СН 2 -СН-] n ;

ж) полимеры карбоновых кислот: полиакриловая кислота – [-СН 2 -СН-] n ;

з) полимерные нитрилы: ПАН – [-СН 2 -СН-] n ;

и) полимеры ароматических углеводородов: полистирол – [-СН 2 -СН-] n .

а) простые полиэфиры: полигликоли – [-СН 2 -СН 2 -О-] n ;

б) сложные полиэфиры: полиэтиленгликольтерефталат –

[-О-СН 2 -СН 2 -О-С-С 6 Н 4 -С-] n ;

в) полимерные перекиси: полимерная перекись стирола – [-СН 2 -СН-О-О-] n ;

2. Полимеры, содержащие в основной цепи атомы азота:

а) полимерные амины: полиэтилендиамин – [-СН 2 –СН 2 –NН-] n ;

б) полимерные амиды: поликапролактам – [-NН-(СH 2) 5 -С-] n ;

3.Полимеры, содержащие в основной цепи одновременно атомы азота и кислорода – полиуретаны: [-С-NН-R-NН-С-О-R-О-] n ;

4.Полимеры, содержащие в основной цепи атомы серы:

а) простые политиоэфиры [-(СН 2) 4 – S-] n ;

б) политетрасульфиды [-(СН 2) 4 -S - S-] n ;

5.Полимеры, содержащие в основной цепи атомы фосфора,

например: O

[- P – O-CH 2 -CH 2 -O-] n ;

1.Кремнийорганические полимерные соединения

а) полисилановые соединения R R

б) полисилоксановые соединения

[-Si-O-Si-O-] n ;

в) поликарбосилановые соединения

[-Si-(-C-) n -Si-(-C-) n -] n ;

г) поликарбосилоксановые соединения

[-O-Si-O-(-C-) n -] n ;

2. Титанорганические полимерные соединения, например:

OC 4 H 9 OC 4 H 9

[-O – Ti – O – Ti-] n ;

OC 4 H 9 OC 4 H 9

3. Алюминийорганические полимерные соединения, например:

[-O – Al – O – Al-] n ;

Макромолекулы могут иметь линейную, разветвленную и пространственную трехмерную структуру.

Линейные полимеры состоят из макромолекул линейной структуры; такие макромолекулы представляют собой совокупность мономерных звеньев (-А-) , соединённых в длинные неразветвлённые цепи:

nA ® (…-A - A-…) m + (…- A - A -…) R + …., где (…- А - А -…) - макромолекулы полимера с различным молекулярным весом.

Разветвлённые полимеры характеризуются наличием основных цепях макромолекул боковых ответвлений, более коротких, чем основная цепь, но также состоящих из повторяющихся мономерных звеньев:

…- A – A – A – A – A – A – A- …

Пространственные полимеры с трёхмерной структурой характеризуются наличием цепей макромолекул, связанных между собой силами основных валентностей при помощи поперечных мостиков, образованных атомами (-В-) или группами атомов, например мономерными звеньями (-А-)

A – A – A – A – A – A – A –

A – A – A – A – A – A –

A – A – A – A – A – A -

Пространственными полимерами с частым расположением поперечных связей называют - сетчатые полимеры. Для трёхмерных полимеров понятие молекула теряет смысл, так как в них отдельные молекулы соединены между собой во всех направлениях, образуя огромные макромолекулы.

термопластичные - полимеры линейной или разветвлённой структуры, свойства которых обратимы при многократном нагревании и охлаждении;

термореактивные - некоторые линейные и разветвлённые полимеры, макромолекулы которых при нагревании в результате происходящих между ними химических взаимодействий соединяются друг с другом; при этом образуются пространственные сетчатые структуры за счёт прочных химических связей. После прогрева, термореактивные полимеры обычно становятся неплавкими и нерастворимыми – происходит процесс их необратимого отверждения.

Эта классификация весьма приближенная, так как воспламенение и горение материалов зависят не только от природы материала, но и от температуры источника зажигания, условий воспламенения, формы изделия или конструкций и т.д.

Согласно этой классификации полимерные материалы делят на горючие, трудногорючие и негорючие. Из сгораемых материалов выделяют трудновоспламеняемые, а из них и трудносгораемые - самозатухающие.

Примеры сгораемых полимеров: полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат, поливинилацетат, эпоксидные смолы, целлюлоза и т.д.

Примеры трудносгораемых полимеров: ПВХ, тефлон, фенолформальдегидные смолы, мочевиноформальдегидные смолы.

Природные (белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы) (животного и

растительного происхождения);

Синтетические (полиэтилен, полипропилен и т. д.);

Искусственные (химическая модификация природных полимеров – эфиры

целлюлозы).

Неорганические: кварц, силикаты, алмаз, графит, корунд, карбин, карбид бора и т. д.

Органические: каучуки, целлюлоза, крахмал, органическое стекло и

Неорганические полимеры - термин, который приобрел известность благодаря широкому применению в литье по выплавляемым моделям . А все благодаря свойствам, которые присущи этим материалам. Но значение неорганических полимеров для человека намного шире, и сфера применения далеко выходит за рамки этой технологии.

Что такое неорганические полимеры

Более распространены неорганические полимеры природного происхождения, содержащиеся в земной коре

Чаще всего это продукт синтеза элементов III-VI группы периодической системы Менделеева. Неорганическими они называются потому, что в основе лежат неорганические главные цепи и не имеют органические боковые радикалы. Связи появляются в результате одного из двух процессов - поликонденсация или полимеризация.

Говоря обобщенно, неорганические полимеры - это искусственно синтезированные материалы, которые пришли на смену природным. При этом создатели преследовали цель сделать их дешевле. Современные полимеры превосходят имеющиеся природные аналоги по своим характеристикам. Были созданы материалы, которыми природа не обладает вовсе. Это обеспечивает их популярность и разнообразие.

Классификация

Пока еще не сформирован четкий перечень видов, но есть несколько основных групп неорганических полимеров, которые разнятся по своей структуре. Такие материалы бывают:

• линейными;
• плоскими;
• разветвленными;
• трехмерные и т.д.

Также различают по происхождению:

• природные;
• искусственные.

По образованию цепей:

• гетероцепные;
• гомоцепные.

Виды неорганических полимеров

Асбест - один из самых распространенных полимеров. По своей структуре это тонковолоконный материал - силикат. В своем составе он включает молекулы железа, магния, кальция и натрия. Производство этого полимера относится к числу вредных для человека, но изделия из него абсолютно безопасны.

Силикон также нашел свое применение благодаря тому, что по многим характеристикам превосходит природный каучук. Прочность и эластичность обеспечивает соединение кислорода и кремния. Полисиликонсан выдерживает механические, температурные, деформационные воздействие. При этом форма и структура остается неизменной.

Карбин пришел на смену алмазу. Он также прочен, что необходимо во многих отраслях промышленности. Для этого полимера характерна способность выдерживать температуру до 5 000 ºC. Особенность - увеличение электропроводности под воздействием световых волн.

Графит известен всем, кто когда-либо брал в руки карандаш. Особенность углеводородистых полимеров - плоскостная структура. Они проводят электрические разряды, тепло, но полностью поглощают световую волну.

Также производятся полимеры, в основе которых применен селен, бор и другие элементы, что обеспечивает разнообразие характеристик.

Характеристики неорганических полимеров

При создании полимерных материалов за основу качеств конечного продукта берут:

• гибкость и эластичность;
• прочность на сжатие, кручение, разрыв;
• агрегатное состояние; температурная стойкость;
• электропроводность;
• способность пропускать свет и т.д.

при изготовлении берут чистое вещество, подвергают его специфическим процессам полимеризации, и на выходе получают синтетические (неорганические) полимеры, которые:

1. Выдерживают запредельные температуры.
2. Способны принимать изначальную форму после деформации под действием внешних механических сил.
3. Становятся стеклообразными при нагревании до критической температуры.
4. Способны менять структуру при переходе от объемной к плоскостной, чем обеспечивается вязкость.

Способность преобразовываться используется при формовом литье. После остывания неорганические полимеры твердеют, и приобретают также различные качества от прочного твердого до гибкого, эластичного. При этом обеспечивается экологическая безопасность, чем не может похвастаться обычный пластик. Полимерные материалы не вступают в реакцию с кислородом, а прочные связи исключают высвобождение молекул.

Сфера применения

Полимеры отличаются огромным разнообразием. С каждым годом ученые разрабатывают новые технологии, которые позволяют производить материалы с различными качественными показателями. И сейчас полимеры встречаются как в промышленности, так и в быту. Ни одно строительство не обходится без асбеста. Он присутствует в составе шифера, специальных труб и т.д. В качестве вяжущего элемента применяется цемент.

Силикон - отличный герметик, используемый строителями. Автостроение, производство промышленного оборудования, товаров народного потребления основано на полимерах, которые позволяют добиться высокой прочности, долговечности, герметичности.

А возвращаясь к асбесту, нельзя не упомянуть, что способность удерживать тепло позволило создать костюмы для пожарных.

Говоря об алмазах, принято отождествлять их с бриллиантами (обработанными алмазами). Некоторые неорганические полимеры не уступают этому природному кристаллу, что необходимо в различных промышленных сферах, и при производстве бриллиантов, в том числе. В виде крошки этот материал наносится на режущие кромки. В итоге получаются резцы, способные разрезать что угодно. Это отличный абразив, применяемый при шлифовании. Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит относятся к сверхпрочным соединениям.

Если требуется обработать металл или камень, применяются неорганические полимеры, изготовленные методом синтеза бора. Любой шлифовальный круг, продаваемый в строительных супермаркетах, имеет в своем составе этот материал. Для производства декоративных элементов используется, например, карбид селена. Из него получается аналог горного хрусталя. Но и этим перечень достоинств и список сфер применения не ограничен.

Фосфорнитридхлориды образуются при соединении фосфора, азота и хлора. Свойства могут меняться, и зависят от массы. Когда она велика, образуется аналог природного каучука. Только теперь он выдерживает температуру до 350 градусов. Под действием органических соединений реакций не наблюдается. А в допустимом температурном диапазоне свойства изделий не меняются.

Особые свойства, применяемые человеком

Суть в том, что в результате синтеза образуются макромолекулы объемного (трехмерного) типа. Прочность обеспечивается сильными связями и структурой. Как химический элемент неорганические полимеры ведут себя аморфно, и не вступают в реакцию с другими элементами и соединениями. Это особенность позволяет использовать их в химической промышленности, медицине, при производстве продуктов питания.

Термическая стойкость превышает все показатели, которыми обладают природные материалы. Если волокна используются для формирования армированного каркаса, то такая конструкция выдерживает на воздухе температуру до 220 градусов. А ели речь идет о борном материале, то предел температурной прочности поднимается до 650 градусов. Именно поэтому полеты в космос без полимерсан были бы невозможными.

Но это если говорить о качествах, превосходящих природные. Те же изделия, которые изготовлены из этих соединений, которые похожи по качеству к натуральным, имеют особое значение для человека. Это дает возможность снизить стоимость одежды, заменив, например, кожу. При этом внешних отличий практически нет.

В медицине на неорганические полимеры возлагаются особые надежды. Их этих материалов планируется изготавливать искусственные ткани и органы, протезы и т.д. Химическая устойчивость позволяет обрабатывать изделия активными веществами, что обеспечивает стерильность. Инструмент становится долговечным, полезным и безопасным для человека.

В природе существуют элементоорганические, органические и неорганические полимеры. К неорганическим относят материалы, главная цепь которых неорганическая, а боковые ответвления не являются углеводородными радикалами. К формированию полимеров неорганического происхождения наиболее склонны элементы III-VI групп периодической системы химических элементов.

Классификация

Органические и неорганические полимеры активно исследуются, определяются их новые характеристики, поэтому четкой классификации этих материалов еще не выработано. Впрочем, можно выделить определенные группы полимеров.

В зависимости от структуры:

• линейные;
• плоские;
• разветвленные;
• полимерные сетки;
• трехмерные и другие.

В зависимости от атомов главной цепи, образующих полимер:

• гомоцепные типа (-M-)n - состоят из одного вида атомов;
• гетероцепные типа (-M-L-)n - состоят из различных видов атомов.

В зависимости от происхождения:

• природные;
• искусственные.

Для отнесения к неорганическим полимерам веществ, которые в твердом состоянии представляют собой макромолекулы, необходимо также наличие в них определенной анизотропии пространственного строения и соответствующих свойств.

Основные характеристики

Более распространенными являются гетероцепные полимеры, в которых происходит чередование электроположительных и электроотрицательных атомов, например B и N, P и N, Si и O. Получить гетероцепные неорганические полимеры (НП) можно с помощью реакций поликонденсации. Поликонденсация оксоанионов ускоряется в кислой среде, а поликонденсация гидратированных катионов - в щелочной. Поликонденсация может быть проведена как в растворе, так и в при наличии высокой температуры.

Многие из гетероцепных неорганических полимеров можно получить только в условиях высокотемпературного синтеза, например, непосредственно из простых веществ. Образование карбидов, которые являются полимерными телами, происходит при взаимодействии некоторых оксидов с углеродом, а также при наличии высокой температуры.

Длинные гомоцепные цепи (со степенью полимеризации n>100) образуют карбон и p-элементы VI группы: сера, селен, теллур.

Неорганические полимеры: примеры и применение

Специфика НП заключается в образовании полимерных с регулярной трехмерной структурой макромолекул. Наличие жесткого каркаса химических связей предоставляет таким соединениям значительную твердость.

Указанное свойство позволяет использовать в качестве неорганические полимеры. Применение этих материалов нашло широчайшее применение в промышленности.

Исключительная химическая и термическая стойкость НП является также ценным свойством. Например, армирующие волокна, изготовленные из органических полимеров, устойчивы на воздухе до температуры 150-220 ˚С. Между тем борное волокно и его производные остаются устойчивыми до температуры 650 ˚С. Именно поэтому неорганические полимеры являются перспективными для создания новых химически и термостойких материалов.

Практическое значение также имеют НП, которые одновременно являются и приближающимися по свойствам к органическим, и сохраняющими свои специфические свойства. К таким относят фосфаты, полифосфазены, силикаты, полимерные с различными боковыми группами.

Полимеры углерода

Задание: «Приведите примеры неорганических полимеров», - часто встречается в учебниках по химии. Целесообразно его выполнять с упоминанием самых выдающихся НП - производных углерода. Ведь сюда входят материалы с уникальными характеристиками: алмазы, графит и карбин.

Карбин - искусственно созданный, малоизученный линейный полимер с непревзойденными показателями прочности, не уступающими, а согласно ряду исследований и превосходящими графен. Впрочем, карбин - вещество таинственное. Ведь не все ученые признают его существование как самостоятельного материала.

Внешне выглядит как металло-кристаллический черный порошок. Имеет полупроводниковые свойства. Электропроводность карбина значительно увеличивается под действием света. Он не теряет этих свойств даже при температуре до 5000 ˚С, что намного выше, чем для других материалов подобного назначения. Получен материал в 60-х В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным и Ю.П. Кудрявцевым путем каталитического окисления ацетилена. Самое сложное было определить вид связей между атомами углерода. Впоследствии было получено вещество только с двойными связями между атомами углерода в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новое соединение назвали поликумулен.

Графит - в этом упорядоченность распространяется только в плоскости. Его слои соединены не химическими связями, а слабыми межмолекулярными взаимодействиями, поэтому он проводит тепло и ток и не пропускает свет. Графит и его производные - достаточно распространенные неорганические полимеры. Примеры их использования: от карандашей до атомной промышленности. Окисляя графит, можно получить промежуточные продукты окисления.

Алмаз - его свойства принципиально другие. Алмаз является пространственным (трехмерным) полимером. Все атомы углерода скрепляются между собой прочными ковалентными связями. Потому этот полимер является чрезвычайно прочным. Алмаз не проводит ток и тепло, имеет прозрачную структуру.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте - полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора - его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка - ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его - линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды - их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 - на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора - его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Боразон

Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит - сверхтвердые неорганические полимеры. Примеры их применения: изготовление абразивных материалов, обработка металлов. Это химически инертные вещества на основе бора. По твердости ближе прочих материалов к алмазам. В частности, боразон оставляет царапины на алмазе, последний тоже оставляет царапины на кристаллах боразона.

Впрочем, эти НП имеют несколько преимуществ перед натуральными алмазами: у них большая термостойкость (выдерживают температуру до 2000 °C, алмаз же разрушается при показателях в пределах 700-800 °C) и высокая устойчивость к механическим нагрузкам (они не такие хрупкие). Боразон был получен при температуре 1350 °C и давлении 62000 атмосфер Робертом Венторфом в 1957 году. Аналогичные материалы ленинградскими учеными были получены в 1963 году.

Неорганические полимеры серы

Гомополимер - эта модификация серы имеет линейную молекулу. Вещество не является устойчивым, при колебаниях температуры распадается на октаэдрические циклы. Образуется в случае резкого охлаждения расплава серы.

Полимерная модификация сернистого ангидрида. Очень похожа на асбест, имеет волокнистую структуру.

Полимеры селена

Серый селен - полимер со спиралевидными линейными макромолекулами, вложенными параллельно. В цепях атомы селена связаны ковалентно, а макромолекулы связаны молекулярными связями. Даже расплавленный или растворенный селен не распадается на отдельные атомы.

Красный или аморфный селен тоже полимер цепной, но малоупорядоченной структуры. В температурном промежутке 70-90 ˚С он приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние, чем напоминает органические полимеры.

Карбид селена, или горный хрусталь. Термически и химически устойчивый, достаточно прочный пространственный кристалл. Пьезоэлектрик и полупроводник. В искусственных условиях его получили при реакции и угля в электропечи при температуре около 2000 °C.

Прочие полимеры селена:

• Моноклинный селен - более упорядоченный, чем аморфный красный, но уступает серому.
• Диоксид селена, или (SiO2)n - представляет собой трехмерный сетчатый полимер.
• Асбест - полимер оксида селена волокнистой структуры.

Полимеры фосфора

Существует много модификаций фосфора: белый, красный, черный, коричневый, фиолетовый. Красный - НП мелкокристаллического строения. Получается нагревом белого фосфора без доступа воздуха при температуре 2500 ˚С. Черный фосфор получен П. Бриджменом при следующих условиях: давление 200000 атмосфер при температуре 200 °C.

Фосфорнитридхлориды - соединения фосфора с азотом и хлором. Свойства этих веществ меняются с ростом массы. А именно уменьшается их растворимость в органических веществах. Когда молекулярная масса полимера достигает нескольких тысяч единиц, образуется каучукоподобное вещество. Это единственный достаточно термостойкий безуглеродный каучук. Он разрушается только при температуре свыше 350 °C.

Вывод

Неорганические полимеры в большинстве своем - вещества с уникальными характеристиками. Их применяют на производстве, в строительстве, для разработки инновационных и даже революционных материалов. По мере изучения свойств известных НП и создания новых, сфера их применения расширяется.

Неорганические полимеры

Практический интерес представляют линейные неорганические полимеры, которые в наиб. степени подобны органическим - могут существовать в тех же фазовых, агрегатных или релаксационных состояниях, образовывать аналогичные надмол. структуры и т.п. Такие неорганические полимеры могут быть термостойкими каучуками, стеклами, волокнообразующими и т.п., а также проявлять ряд св-в, уже не присущих орг. полимерам. К ним относятся полифосфазены, полимерные оксиды серы (с разными боковыми группами), фосфаты, силикаты.

Переработка неорганических полимеров в стекла, волокна, ситаллы, керамику и т. п. требует плавления, а оно, как правило, сопровождается обратимойдеполимеризацией. Поэтому используют обычно модифицирующие добавки, позволяющие стабилизировать в расплавах умеренно разветвленные структуры.

Силиконы

Вы уже раньше встречали неорганические полимеры; если не на этих страницах, то по крайней мере, в повседневной жизни вы, вероятно, уже видели где-нибудь силиконовыйполимер. Силиконы являются одним из наиболее часто встречающихся неорганических полимеров. Они выглядят вот так:

На самом деле их следует называть полисилоксанами. Связь между атомами кремния и кислорода очень прочная, но очень гибкая. Поэтому силиконы могут выдерживать высокие температуры, не разлагаясь при этом, но у них очень низкие температуры стеклования. Вам, наверное, прежде где-нибудь уже приходилось встречатьрезинуили замазку, сделанную из силиконов.

Полисиланы

Было потрачено немало времени для того, чтобы это произошло, но атомы кремния все-таки были выстроены в длинные полимерные цепочки. Уже где-то в 20-е или 30-е годы двадцатого века химики начали догадываться, что органические полимеры сделаны из длинных углеродных цепочек, но серьезные исследования полисиланов не были проведены вплоть до конца семидесятых годов.

Ранее, в 1949 году, в то самое время, когда писатель Курт Воннегут работал в отделе компании Дженерал Электрик по связям с общественностью, К. А. Буркхард (C.A. Burkhard) работал в отделе исследования и развития той же фирмы. Он изобрел полисилан под названием полидиметилсилан, но это вещество ни на что не годилось. Оно выглядело вот так:

Оно образовывало кристаллы, которые были столь прочными, что ничто не могло растворить их. Буркхард пытался нагреть их, но они не плавились при температурах ниже 250 o C, При более высокой температуре они разлагались, так и не расплавивишись. Это делало полидиметилсилан довольно бесполезным. Получено это вещество было при реакции металлического натрия с дихлордиметилсиланом вот так:

Это важно, поскольку в семидесятых годах двадцатого века некоторые ученые начали понимать, как делать маленькие молекулы из атомов кремния. Так, сами того не ожидая, они сделали нечто очень похожее на то, что ранее сделал Буркхард. Они заставили металлический натрий взаимодействовать с дихлордиметилсиланом, но они также добавили к этой смеси некоторое количество дихлорметилфенилсилана. И угадайте, что произошло? Я дам вам подсказку: они не получили нужные им структуры. То, что у них вышло, было вот таким сополимером:

Возможно, более понятно станет, если нарисовать этот сополимер вот таким образом:

Видите ли, эти фенильные группы начинают мешаться, когда полимер пытается кристаллизоваться, поэтому такому веществу в меньшей степени присущи кристаллические свойства, чем полидиметилсилану. Это значит, что оно растворимо и его можно обрабатывать, преобразовывать и изучать.

Ну, и на что же эти вещества годятся? Полисиланы интересны, поскольку они могут проводить электрический ток. Разумеется, не так хорошо, как медь, но гораздо лучше, чем вы могли бы ожидать от полимера, и это достойно исследования. Они также весьма термостойки, их можно нагревать почти до 300 oC. Но если вы нагреете их до гораздо более высоких температур, то вы можете получить из них карбид кремния, который является полезным абразивным материалом.

Полимеры германия и олова

Хорошо, если кремний может образовывать длинные полимерные цепочки, то что можно сказать о других химических элементах из четвертой группы таблицы Менделеева? Можно ли сделать полимеры из германия? Вы можете мне поверить, они существуют! Вы можете сделать полимерные цепочки не только из германия, но даже и из атомов олова! Такие полимеры называются, соответственно, германий-содержащие и олово-содержащие полимеры.

Полимеры олова уникальны, интересны, замечательны, просто необыкновенны, поскольку они являются единственными известными полимерами, основная цепь которых сделана целиком из атомов металлов. Как и полисиланы, полимеры германия и олова (полигерманы и полистанилены) изучаются на предмет их использования в качестве проводников электричества.

Полифосфазены

Мне очень жаль вам об этом сообщать, но элементы четвертой группы таблицы Менделеева у нас кончились. Так что последний неорганический полимер, который мы сегодня рассмотрим, дожен быть сделан из чего-нибудь другого. И это нечто - фосфор и азот. Как и полисилоксаны, полифосфазены сделаны из чередующихся атомов. В данном случае в основной цепочке у нас чередуются атомы фосфора и кремния, вот так:

Такая основная цепочка очень гибкая, как и основная цепочка полисилоксанов, поэтому полифосфазены являются хорошими эластомерами. Они также являются очень хорошими электрическими изоляторами.

Полифосфазены получают в две стадии:

Сначала мы берем пятихлористый фосфор и действуем на него хлоридом аммония для получения хлорированного полимера. Затем мы обрабатываем его спиртовой солью натрия, что дает нам эфирзамещенный полифосфазен.

На сегодняшний день существует огромное множество неорганических полимеров. Основная их часть представляет собой природные соединения, однако современные технологии позволяют искусственно получать неорганические полимеры. Как правило, их производство требует высокого давления и температуры, при этом, основой является чистое вещество, а способы остаются те же, что и при получении органических полимеров (например, полимеризация). Характерными свойствами неорганических полимеров является их устойчивость к химическим воздействиям и термическая стойкость. Кроме того, многие из этих полимеров представляют собой твердый, но достаточно хрупкий материал. Объяснением этому является пространственная кристаллическая структура или чрезмерное наличие ионов в химической связи. Среди самых известных неорганических полимерных материалов находится графит, минеральное стекло, керамика, алмазы, асбест, кварц, слюда.

Элементы химической таблицы могут образовывать различные полимерные цепи. Например, сера, селен и теллур образуют линейные цепи, которые в соответствии с ковалентностью атомов, сворачиваются в спирали. Те химические элементы, которые относятся к главной подгруппе III – V групп, могут формировать, как линейные цепи, так и плоские или пространственные структуры неорганических полимеров. Основу полимерных цепочек чаще всего составляют оксиды кремния, алюминия и ряда других металлов. Они формируют самую широкую группу неорганических полимерных материалов – силикаты и алюмосиликаты. Кроме того, они являются существенной частью земной коры. Структура молекулярной цепи силикатов может быть цепочечной, лестничной, слоистой и трехмерной. Каждая из этих структур придает неорганическим материалам определенные, характерные лишь для них, свойства. Например, лестничная структура предполагает наличие двух параллельных молекулярных цепочек, соединенных атомами кислорода. Именно эти связи обеспечивают наличие новых свойств, которые позволяют отнести полученные материалы к волокнистым (асбест). Еще одной чертой, характеризующей неорганические полимеры, является слоистая структура. Большие расстояния, находящиеся между слоями, обеспечивают соответствующим веществам (тальк, слюда) легкое расщепление. Если цепь содержит металлы, которые могут взаимодействовать с водой, то при этом процессе происходит еще большее увеличение имеющегося расстояния между слоями. Это может привести к разбуханию неорганического материала. Силикаты, обладающие трехмерной структурой, характеризуются хорошей водонепроницаемостью, твердостью и жесткостью. Как правило, отвечают таким характеристикам разновидности кварца: топаз, яшма, агат, горный хрусталь и другие.

Неорганические стекла и техническая керамика

Неорганические стекла.Ситаллы.Техническая керамика.Элементы технологиииприменение конструкционной керамики.

Химический состав стекол и их свойства.Классификация неорганических стекол.

В современном материаловедении все более видное место начинают занимать различные неорганические вещества. Многие из них используют в виде кристаллов: кварц (SiO2), корунд (a-AI2O3) и окрашенные кристаллы этого оксида - сапфир, рубин и др., а также рутил (ТiO2) , нитриды, сульфиды и т.д. Однако в гораздо больших масштабах эти же неорганические вещества используют ваморфном состоянии в виде стекол.

Наиболее распространены стекла на основе диоксида кремния - силикатные стекла. Широко используют также алюмо-силикатные, боро-силикатные стекла.

Неорганическое стекло - это химически сложный, аморфный, макроскопически изотропный материал, обладающий механическими свойствами хрупкого твердого тела. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганических соединений (в основном оксидов). Их свойства одинаковы по всем направлениям, т.е. они изотропны. При нагреве они не плавятся при постоянной температуре, как кристаллы, а постепенно размягчаются в значительном диапазоне температур, переходя в жидкое состояние. Расплавление их при повышении температуры и отверждение при понижении температуры происходит обратимо. По структуре - это твердые растворы.

Среди причин аморфного состояниянеорганических стекол можно выделить две.

Первая причина заключается в том, что в области затвердевания расплав стекла имеет очень высокую вязкость (табл.6.3).

Таблица 6.3 - Вязкость некоторых веществ при температурах плавления

Вещество		h ×10, Н с/м2

Вторая причина вытекает из особенностей ковалентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде. Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насыщенностью и направленностью. Согласно насыщенности химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соответствии со своей валентностью строго определенное количество "партнеров" по взаимодействию. Например, кремний 4-х валентен. И его атом должен иметь в непосредственном окружении четыре атома кислорода (в кварцевом стекле) с которыми он связан полярной ковалентной связью. Причем эти связи могут образовываться не произвольно, а под определенным углом друг к другу (принцип направленности). Все это очень затрудняет формирование регулярной, кристаллической структуры. В высоковязкой среде в структуре стекла при охлаждении может образоваться только ближний порядок в расположении атомов.

Химический состав стекол и их свойства

Стекла, используемые в технике, в большинстве состоят из нескольких компонентов. По функциональному назначению все компоненты стекол можно разделить на три группы:стеклообразователи, модификаторы и компенсаторы.

Стеклообразователи являются основной составной частью стекла. Стеклообразователи - неорганические полимеры, имеющие сетчатую структуру. Поэтому стекла обладают некоторыми чертами полимерных структур и соответствующими физическими свойствами, характерными для полимерных материалов.

Чаще всего в качестве стеклообразователей используют SiO2 (силикатное стекло), Аl2О3 и SiO2 (алюмосиликатное), В2О3 и SiO2 (боросиликатное), В2О3, Аl2О3 и SiO2 (бороалюмосиликатное).

Модификаторы вводят в стекло для придания стеклам нужных свойств: для упрощения технологии, удешевления материала и т.д.

Например, при введении в кварц оксидов щелочных и щелочноземельных металлов уменьшается температура размягчения стекла, упрощается технология. Добавки оксидов хрома, железа, кобальта и др. придают нужный цвет стеклу. Оксиды тяжелых металлов, например, свинца, повышают коэффициент преломления.

Часто введение какой-то добавки улучшает одни свойства и ухудшает другие показатели материала. Тогда вводят добавки - компенсаторы, назначение которых подавить негативное проявление основных модификаторов.

Одним из важных свойств стекол является термостойкость. У большинства стекол термостойкость колеблется от 90 до 200оС, а у кварцевого стекла, самого прочного, термостойкого и не расширяющегося, достигает 800-1000оС.

Температурная зависимость прочности стекол имеет минимум при 200°С. Максимальная рабочая температура обычно не превышает 400-500оС, что примерно соответствует температуре стеклования. Кварцевое стекло допускает длительную эксплуатацию при 1100-1200°С (прочность повышена на 50 %) и кратковременное использование при нагреве до 1400-1500оС.

Термическое упрочнение (закалка) стекла осуществляется быстрым и равномерным его охлаждением, нагретого выше температуры стеклования в потоке воздуха или в маслах. Упрочнение стекла закалкой связано с появлением в стекле достаточно равномерно распределенных напряжений, которые в наружных слоях стекла вызывают напряжения сжатия, а во внутренних слоях - напряжения растяжения. Предел прочности стекла при сжатии примерно в 10-15 раз больше, чем предел прочности при растяжении.

Термохимическое упрочнение основано на закалке стекла и, кроме того, на изменении самой структуры и свойств его поверхностного слоя. Такое упрочнение производится быстрым охлаждением стекла, нагретого выше температуры стеклования, в подогретых полимерных кремнийорганических жидкостях. Дополнительное упрочнение объясняется образованием на поверхности стекла полимерных пленок.

Классификация неорганических стекол, их свойства, применение

Одним из самых распространенных высококачественных стекол, применяемых в авиационных конструкциях, является алюмоборосиликатное малощелочное стекло.

По назначению техническое стекла подразделяются на оптическое, лабораторное, электротехническое, транспортное, приборное, защитное, теплозвукоизоляционное, светотехническое, стекловолокно и др. Плотность неорганических стекол колеблется от 2200 кг/м3 у легких щелочных силикатных стекол (показатель преломления n= 1,44) до 5200…8000 кг/м3 у тяжелых, содержащих до 65% оксидов свинца, бария, висмута (n=1,9); светопрозрачность неокрашенных стекол составляет в видимой части спектра до 92%.

Химическая и гидролитическая стойкость стекол в кислых средах (кроме фосфорной кислоты Н2РО3 и плавиковой HF, полностью растворяющей стекло) довольно высока. В щелочных средах стойкость снижается. Силикатные стекла с содержанием 20-30%Na2O или LiO растворимы в горячей воде и образуют «жидкое стекло».

Недостатком закаленного стекла является чувствительность к ударам в края (у самой кромки) и в углах. При разрушении закаленное стекло покрывается густой сеткой трещин, сильно затрудняющих видимость.

Если два листа стекла склеить прозрачной гибкой и упругой полимерной пленкой, то получается так называемый триплекс. При разрушении его образовавшиеся осколки удерживаются на полимерной пленке, к которой они прикреплены, и не высыпаются.

Ситаллы, их свойства, применение

Выдающимися свойствами обладают новые конструкционные материалы - ситаллы (термин образован из слов стекло и кристалл), получаемые путем кристаллизации неорганических стекол на основе некоторых оксидов.

Ситаллы - это частично закристаллизованные стекла. Они получаются регулируемой кристаллизациейстекла при повышенных температурах. В ходе этого процесса в объеме материала формируются микрообласти кристаллического строения размером до 1 мкм. Концентрация таких областей в ситаллах может превышать 50% по объему.

По химическому составу ситаллы отличаются от стекол тем, что в них добавляют катализаторы (затравки) кристаллизации. В качестве катализаторов кристаллизации используют микрочастицы золота, серебра, платины, меди (сотые доли процента) или оксиды титана, циркония, цинка, хрома, ванадия и др.

По структуре ситаллы занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой.В связи с этим ситаллы иногда называют стеклокерамикой. Ситаллы - многокомпонентные, гетерогенные, многофазные системы, обладают очень высоким уровнем свойств: высокой механической прочностью, твердостью, химической и термической устойчивостью, малым термическим расширением и другими полезными свойствами. Например, ситалл, известный под названием "пирокерам", прочнее прокатанного стекла, высокоуглеродистой стали, легче алюминия, а по коэффициенту термического расширения и термостойкости не отличается от кварца.

При превращении стекла в ситалл начале стекло проходит стадию варки (температура Тm) , затем стекло формируется в изделие и охлаждается до температуры Тn - температуры образования центров кристаллизации. При этой температуре cтекло выдерживают около 1 ч. В результате в объеме материала образуются мелкие кристаллы и становится возможным повысить температуру до Tg. При температуре Tg происходит рост кристаллов, материал теряет прозрачность. Время выдержки стеклоизделия при Тg составляет 4-6 ч.

Микрокристаллические сплавы, полученные из стекол

Высокопрочные кристаллические сплавы из металлических стекол получают способом, похожим на процесс образования пирокерамик. Это сплавы на основе Fe, Ni, Cr, Mo, Co, W в различных комбинациях с металлоидами (преимущественно бором), содержание которых не превышает 12%, в аморфном состоянии хрупкие. Ленты из аморфного сплава, полученные струйным методом из расплава, могут легко превратиться в порошок, который затем подвергается горячей экструзии или газовому изостатическому прессованию и одновременно кристаллизуются с образованием микрокристалической структуры, стабилизированной мельчайшими частицами бора. Если в сплаве имеется углерод, можно провести упрочняющую термообработку. Такие сплавы очень тверды и износостойки и могут использоваться в качестве быстрорежущих сталей.

Техническая керамика

Керамика - это многокомпонентный, гетерогенный материал, получаемый спеканием высокодисперсных минеральных частиц, (глин, оксидов, карбидов, нитридов и др.). Если в состав керамики входят металлы, то этот вид керамики называют керметами.

Технологический процесс изготовления изделий из керамики складывается из нескольких стадий. Основные технологические операции при получении керамических материалов следующие: подготовка исходных компонентов в виде порошков, перемешивание компонентов, формование изделий, обжиг заготовки, концевые операции (механическая обработка, металлизация и др.).

Структура керамики

Множество видов структур керамических материалов можно разделить на две группы: макроизотропные и анизотропные.

Макроизотропные материалы. На атомарном или молекулярном уровнях - это анизотропные материалы, но размер надмолекулярных образований, зерен, невелик по сравнению с размерами керамического изделия. Можно обозначить четыре вида макроизотропных материалов.

1. Микрокристаллическая керамика. Примерами этой керамики могут служить различные сорта фарфора. Ситаллы имеют ту же структуру. На рис. 6.3 а точками обозначены микрокристаллические области, окруженные аморфной средой. Содержание кристаллической и аморфной фазы в материале могут быть различными, различно и размещение этих фаз в объеме материала. Материал же в целом изотропен. Эти материалы обладают высокой плотностью, хрупки.

а

в

Виды керамики:

а - микрокристаллическая, б - зернистая, в -пористая (TiС), г - армированная (ВТСП керамика системы Y-Ba-Cu-O).

2. Зернистая структура . Этот вид структуры является наиболее типичным для керамических материалов. Зерна в структуре керамики могут отличаться размерами, формой и свойствами. Распределение зерен разной природы в объеме материала, прочность сцепления частиц в материале также различны. Все эти факторы сложным образом влияют на свойства керамики. На практике в ограниченных рамках используют эмпирические уравнения вида:

,

где s - прочность; sо - константа, близкая к прочности монокристалла; k - константа; d - размер зерна.

3. Пористая структура . Вообще многие керамики пористы. Однако иногда поры создают специально: для снижения массы керамического изделия, для того, чтобы сделать его проницаемым для газа или жидкости и т.д.

Обычно прочность пористой керамики ниже прочности зернистой керамики. Форма пор также влияет на прочность материала. Пора может также обрывать развитие трещины при разрушении и распределять нагрузку в объеме материала.

4. Армированная структура. Этот вид керамики содержит вытянутые зерна высокой прочности. В объеме материалов эти зерна не ориентированы в каком-либо определенном направлении. Поэтому в макрообьеме материал ведет себя как изотропный. Прочность такой керамики, благодаря армированию, бывает очень высокой.

Анизотропная керамика. В этих материалах структурные элементы намеренно ориентированы в нужном направлении. К анизотропной керамике относятся слоистая керамика, волокнистая керамика, либо керамика с ориентированной структурой.

Элементы технологии керамических материалов

1 - Получение порошков. Существуют механические и физико-химические методы получения порошков. Первые из них связаны с дроблением материала. Вторые заключаются в процессах агломерации продуктов химического синтеза. Обычно используют порошки с частицами микронных размеров. Если необходима плотная упаковка частиц в материале, то применяют смесь частиц, имеющих разные размеры - полидисперсные порошки.

2 - Смешение компонентов и формование изделий.

3 - Спекание частиц происходит при обжиге отформованного изделия при высокой температуре (обычно от 900 до 2000оС). При спекании происходят такие процессы, как дегидратация компонентов, деструкция органических технологических примесей (полимеры, поверхностно активные вещества), диссоциация нестойких неорганических соединений, процессы окисления и восстановления, плавление некоторых компонентов, полиморфные превращения и т.д. В итоге, после охлаждения стекловидный, может быть, частично закристаллизованный расплав, связывает зерна более огнеупорного материала, образуя прочный монолит.

В процессе спекания происходит срастание частиц и уменьшение пористости материала вплоть до теоретической плотности. При повышении температуры поры меняют свою форму, становясь сферически­ми, и уменьшаются в размерах. На практике в керамике сохраняется некоторая остаточная пористость.

Степень и скорость спекания зависят от многих факторов: температуры, длительности процесса, дисперсности частиц, коэффициентов диффузии, вязкости и др. Очень сильное влияние на развитие процесса спекания и на структуру керамики оказывает расплав (жидкость) наиболее легкоплавкого компонента.

Применение конструкционной керамики

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали ДВС, ГТД и др.

Режущая кромка характеризуется высокой твердостью, износостойкостью, химической инертностью. По комплексу свойств керамический режущий инструмент превосходит традиционные режущие материалы, такие как быстрорежущие стали (БРС), твердые сплавы (ТС)

			Керамика Al2O3
Температура размягчения
Температура начала образования окалины

В современном мире практически нет человека, который бы не имел хоть какого то представления о полимерах. Полимеры идут по жизни вместе с человеком, делая его жизнь все более удобной и комфортной. При упоминании о полимерах первые ассоциации будут связаны с синтетическими органическими веществами, так как они больше находятся на виду. Полимеры природные - натуральные органические вещества - хоть их и больше в окружающем нас мире, в ассоциативном восприятии человека отходят на второй план. Они окружают нас всегда, однако никто не задумывается о природе происхождения флоры и фауны. Целлюлоза, крахмал, лигнин, каучук, белки и нуклеиновые кислоты - основной материал, используемый природой для сотворения окружающего нас животного и растительного мира. И уж совсем никто не будет воспринимать как полимеры драгоценные камни, графит, слюду, песок и глину, стекло и цемент. Тем не менее, наукой установлен факт полимерного строения многих неорганических соединений, в том числе и перечисленных выше. Полимерные вещества состоят из макромолекул. При образовании полимеров большое число атомов или групп атомов связываются между собой химическими связями - ковалентными или координационными. Полимерные макромолекулы содержат десятки, сотни, тысячи или десятки тысяч атомов или повторяющихся элементарных звеньев. Сведения о полимерном строении были получены при исследовании свойств растворов, строения кристаллов, механических и физико-химических свойств неорганических веществ. В подтверждение вышесказанному следует отметить, что имеется достаточное количество научной литературы, подтверждающей факт полимерного строения некоторых неорганических веществ.

Логичным будет замечание: почему так много есть информации о синтетических органических полимерах и так мало о неорганических. Если есть неорганические полимерные вещества, то что конкретно они из себя представляют и где они используются? Выше были приведены несколько примеров неорганических полимеров. Это известные вещества, которые знают все, вот только мало кто знает, что эти вещества можно причислить к отряду полимеров. По большому счету обывателю все равно можно ли отнести графит к полимерам или нет, что касается драгоценных камней, то для кого-то это может быть даже оскорбительно, равнять дорогие украшения с дешевой пластмассовой бижутерией. Тем не менее, если есть основания называть некоторые неорганические вещества полимерами, то почему бы об этом не поговорить. Рассмотрим некоторых представителей таких материалов, остановимся более подробно на самых интересных.
Для синтеза неорганических полимеров чаще всего требуются очень чистые исходные вещества, а также высокие температура и давление. Основными способами их получения, как и органических полимеров, являются полимеризация, поликонденсация и поликоординация. К простейшим неорганическим полимерами относятся гомоцепные соединения, состоящие из цепей или каркасов, построенных из одинаковых атомов. Кроме известного всем углерода, являющегося основным элементом, участвующим в построении практически всех органических полимеров другие элементы тоже могут участвовать в построении макромолекул. К таким элементам относятся бор из третьей группы, кремний, германий и олово из четвертой группы, куда как раз входит и углерод, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут из пятой группы, сера, селен теллур из шестой. В основном гомоцепные полимеры, полученные на основе этих элементов, используются в электронике и оптике. Электронная промышленность развивается очень высокими темпами и спрос на синтетические кристаллы давно уже превышает предложение. Особо, все же, следует отметить углерод и неорганические полимеры которые получают на его основе: алмаз и графит. Графит, известный материал, который нашел применение в различных сферах промышленности. Из графита получают карандаши, электроды, тигли, краски, смазки. Тысячи тонн графита идут на нужды атомной промышленности благодаря его свойствам замедлять нейтроны. В статье мы остановимся подробнее на самих интересных представителях неорганических полимеров - драгоценных камнях.
Самым интересным, пафосным, любимым женщинами представителем неорганических полимеров являются алмазы. Алмазы - весьма дорогостоящие минералы, которые также можно отнести к неорганическим полимерам, в природе их добывают пять крупных компаний: «DeBeers», «Alrosa», «Leviev», «BHPBilliton», «RioTinto». Именно компания «DeBeers» создала репутацию этих камней. Искусный маркетинг сводится к слогану, « - это навсегда». «DeBeers» превратила этот камень в символ любви, благополучия, власти, успеха. Интересен тот факт, что алмазы в природе встречаются достаточно часто, например сапфиры и рубины, более редкие минералы, однако ценятся они ниже алмазов. Самое интересное это ситуация, которая сложилась на рынке природных алмазов. Дело в том, что существуют технологии, позволяющие получить синтетические алмазы. В 1954 году исследователь компании «General Electric» Трейси Холл изобрел аппарат, который позволял при давлении 100000 атмосфер и температуре свыше 2500ºС из сульфида железа получать кристаллы алмаза. Качество этих камней было с ювелирной точки зрения невысоко, однако твердость была такая же, как у природного камня. Изобретение Холла было усовершенствовано и в 1960 году «General Electric» создал установку, в которой можно было получать алмазы ювелирного качества. Негативным моментом было то, что цена синтетических камней была выше природных.
На данный момент существуют две технологии синтеза алмазов. Технология HPHT (high pressure/high temperature) - синтез алмазов в сочетании высокого давления и высокой температуры. Технология CVD (chemical vapor deposition) - технология химического осаждения пара, считается более прогрессивной и позволяет выращивать алмаз, как бы моделируя природные условия его роста. Обе технологии имеют достоинства и недостатки. Кампании их использующие решают недостатки технологий, применяя свои собственные изобретения и разработки. Например, еще в 1989 году группе советских ученых из Новосибирска удалось снизить давление синтеза до 60000 атмосфер. После распада Советского Союза разработки в области синтеза алмазов не были прекращены благодаря многим заграничным инвесторам, заинтересованным в получении технологии дешевого синтеза качественных драгоценных камней. Например, «DeBeers», дабы не потерять возможность контролировать рынок финансировала работы некоторых ученых. Некоторые частные предприниматели купили в России оборудование по синтезу алмазов, например процветающая сейчас американская компания «Gemesis» начала с того, что приобрела в России в 1996 году за 60000 долларов установку для выращивания алмазов. Сейчас «Gemesis» производит и продает алмазы редких цветов: желтые и синие, причем разница в цене между этими и точно такими же природными камнями достигает 75%.

Другая крупная компания, синтезирующая алмазы - «Apollo Diamond», совершенствует технологию HPHT, проводя синтез камней в газовой атмосфере определенного состава (технология-симбиоз HPHT и CVD). Такой метод выводит «Apollo Diamond» на рынок ювелирных камней при этом, качество синтетических алмазов, выращиваемых по такой технологии очень высоко. Геммотологам все труднее отличить синтетические камни от природных. Для этого требуется комплекс анализов, на достаточно сложном и дорогостоящем оборудовании. Синтетические ювелирные алмазы «Apollo Diamond» практически невозможно отличить от природных минералов стандартными методами анализа.

Мировая добыча алмазов составляет сейчас 115 миллионов карат или 23 тонны в год. Теоретически этот гигантский рынок может упасть при этом репутация алмазов как драгоценных камней будет потеряна навсегда. Фирмы-монополисты вкладывают средства в стабилизацию ситуации и контроль рынка. Например, проводятся дорогостоящие маркетинговые компании, скупаются патенты на технологии искусственного изготовления алмазов для того чтобы эти технологии никогда не были внедрены, на фирменные бриллианты выдаются сертификаты и паспорта качества, подтверждающие их природное происхождение. Но удержит ли это прогресс технологии синтеза?

Заговорив об алмазах, мы отвлеклись на блеск драгоценных камней ювелирной промышленности, но следует указать и на промышленные камни. В данном случае большинство предприятий, занимающихся выращиванием алмазов, работает в основном для нужд электронной и оптической промышленности. Рынок промышленных камней, возможно, не так интригует как рынок ювелирных, но, тем не менее, он огромен. Например, основной доход «Apollo Diamond» - синтез тонких алмазных дисков для полупроводников. Кстати, сейчас установку для синтеза алмазов производительностью порядка 200 кг алмазов в месяц можно приобрести за 30 тысяч долларов.

Другим представителем драгоценных камней является рубин. Первый синтетический рубин появился на свет в 1902 году. Его синтезировал французский инженер Вернейль, расплавив порошок окиси алюминия и хрома, который потом кристаллизовался в шестиграммовый рубин. Такая простота синтеза позволила относительно быстро развить промышленное производство рубинов по всему миру. Камень этот очень востребован. Ежегодно в мире добывают порядка 5 тонн рубинов, а потребности рынка исчисляются сотнями тонн. Рубины нужны часовой промышленности, нужны при производстве лазеров. Предложенная Вернейлем технология впоследствии дала предпосылки для синтеза сапфиров и гранатов. Наиболее крупные производства искусственных рубинов находятся во Франции, Швейцарии, Германии, Великобритании, США. Экономика производства такова. Львиную долю себестоимости съедают энергетические расходы. При этом себестоимость синтеза килограмма рубинов 60 долларов, себестоимость килограмма сапфиров - 200 долларов. Рентабельность такого бизнеса очень высока, так как закупочная цена на кристаллы минимум в два раза выше. Здесь следует учитывать ряд факторов, таких как тот, что чем больше выращиваемый монокристалл, тем себестоимость его ниже, также при производстве из кристаллов изделий, цена их будет намного выше, нежели цена продаваемых кристаллов (например, производство и реализация стекол). Что касается оборудования, то российские установки для выращивания кристаллов стоят около 50 тысяч долларов, западные на порядок дороже, при этом срок окупаемости организуемого производства в среднем составляет два года. Как уже говорилось потребности рынка в синтетических кристаллах коллосальны. Например, очень востребованы сапфировые стекла. В мире синтезируется порядка тысячи тонн сапфиров в год. Годовые потребности производства доходят до миллиона тонн!
Изумруды синтезируют исключительно для нужд ювелирной промышленности. В отличие от остальных кристаллов получают изумруд не из расплава, а из раствора борного агидрида при температуре 400оС и давлении 500 атмосфер в гидротермальной камере. Любопытно то, что добыча природного камня составляет всего 500 килограмм в год. Синтетические изумруды в мире производят также в не таком большом количестве, как остальные кристаллы, порядка тонны в год. Дело в том, что технология синтеза изумрудов малопроизводительна, однако рентабельность такого производства на высоте. Производя около 5 килограмм кристаллов в месяц при себестоимости 200 долларов за килограмм, цена продажи изумрудов синтетических практически равна цене природных. Стоимость установки для синтеза изумрудов составляет порядка 10 тысяч долларов.
Но самым востребованным синтетическим кристаллом является кремний. Пожалуй, он даст фору любому драгоценному камню. На данный момент кремний занимает 80% всего рынка синтетических кристаллов. Рынок испытывает дефицит кремния ввиду стремительного развития высоких технологий. На данный момент рентабельность производства кремния превышает 100%. Цена килограмма кремния составляет порядка 100 долларов за килограмм, при этом себестоимость синтеза достигает 25 долларов.

Сверхчистый кремний используется в качестве полупроводника. Из его кристаллов делают солнечные фотоэлементы, имеющие высокий коэффициент полезного действия. Кремний, как и углерод, может создавать длинные молекулярные цепи из своих атомов. Таким образом получают силан и каучук, обладающий удивительными свойствами. Несколько лет назад весь мир взбудоражило сообщение об опытах американского инженера Вальтера Роббса, которому удалось изготовить пленку из силиконовой резины толщиной 0,0025 сантиметра. Этой резиной он обтянул клетку, в которой жил хомяк, и опустил хомяка в аквариум. В течение нескольких часов первый в мире хомяк-подводник дышал кислородом, растворенным в воде, и был при этом бодр, не проявлял признаков беспокойства. Оказывается, пленка играет роль мембраны, выполняя те же функции, что и жабры у рыб. Пленка пропускает внутрь молекулы газа жизни, а углекислый газ при этом через пленку вытесняется наружу. Такое открытие делает возможным организацию жизни человека под водой отодвигая в сторону баллоны с дыхательной смесью и кислородные генераторы.

Кремний выпускается трех видов: кремний металлургический (MG), кремний для электронной промышленности (EG) и кремний для производства солнечных батарей (SG). Ввиду череды энергетических кризисов усиленно внедряются альтернативные технологии получения энергии. К таковым относится преобразование солнечной энергии в электрическую, то есть, использование солярных установок, работающих на солнечных батареях. Важной составляющей солнечных батарей является кремний. В Украине на Запорожском титаномагниевом комбинате производился кремний для солнечных батарей. При советском Союзе это предприятие давало 200 тонн кремния, при общесоюзном объеме производства 300 тонн. О том, как обстоит дело с производством кремния в Запорожье сейчас автору ничего неизвестно. Стоимость организации современного производства поликристаллического кремния для нужд энергетической промышленности мощностью 1000 тон в год составляет около 56 миллионов долларов. Синтез кремния для различных нужд во всем мире по востребованности занимает первое место и еще долго будет удерживать эти позиции.

В статье мы рассмотрели только некоторых представителей неорганических полимеров. Быть может многие вещи, рассказанные выше, для кого-то были восприняты с удивлением и неподдельным интересом. Кто-то по-новому взглянул на понятие философского камня, пусть не золото, но драгоценные камни из невзрачных оксидов металлов и других непримечательных веществ получать все-таки можно. Надеемся, что статья дала повод к размышлениям и как минимум развлекла читателя интересными фактами.