Металлы будущего: материалы, которые изменят мир

В этой статье:

1. Прорывные металлы и сплавы
   • Титановые сплавы нового поколения
   • Алюминиевые композиты
   • Аморфные металлы
   • Графеновые металлокомпозиты
   • Сверхпроводящие металлы
   • Редкоземельные элементы будущего
2. Нанотехнологии в металлургии
   • Цели использования нанотехнологий в металлургии
   • Примеры реализации
   • Нанотехнологии — ключевые проблемы
3. Перспективы и вызовы инновационной металлургии
   • Роль искусственного интеллекта
   • Развитие инновационной металлургии в РФ

Невозможно однозначно сказать, какими должны быть металлы будущего — пластичными или высокотвердыми, прочными или легкими, безопасными или с мощными радиационными свойствами. Из-за стремительного развития технологий, роста потребностей энергетики, изменения климата и других факторов, требования к инновационным материалам меняются.

Для примера, современные алюминиевые сплавы, такие как высокопрочный В95 и его модификации, которые уже сейчас используют в наиболее ответственных узлах авиатехники, должны выдерживать огромные сжимающие нагрузки. Д16 и другие марки дюралюминия, применяемые в элементах фюзеляжей, должны справляться с сильными растягивающими воздействиями.

Прорывные металлы и сплавы

Среди специальных высокотехнологичных металлов, которые задействуют, например, для генерации и накопления энергетического потенциала (в АКБ, турбинах и прочих устройствах), выделяют кобальт, литий, графит и никель. Однако на этом список материалов из категории «будущие», сферы и возможности их применения далеко не заканчиваются.

1. Титановые сплавы нового поколения

Даже «обычный» титан обладает отличными рабочими качествами. Он экологически безопасен, податлив сварке и устойчив к коррозийному разрушению во влажной среде, под действием химических веществ и при нагревании.

Современные титановые сплавы, такие как ферротитан, при сверхлегком весе (из-за малой плотности) — сверхпрочные и жаростойкие. С ними производят химические реакторы, элементы судов, ответственные детали для авиационной и ракетной промышленности.

2. Алюминиевые композиты

Композитные соединения с алюминием применяют в автомобилестроении, самолетостроении, изготовлении элементов ЖД магистралей. Металл будущего легкий, износостойкий и высокопрочный, с повышенными значениями электропроводимости и теплопроводности.

3. Аморфные металлы

Металлические твердые тела с аморфной структурой — «металлические стекла», также обладают уникальными качествами. Они:

1. Электропроводные (электросопротивление в 3-5 раз большее, чем у кристаллических аналогов).
2. Высокопластичные, твердые и прочные одновременно.
3. Стабильные в агрессивных средах — это важно при создании биомедицинских приборов, морского оборудования, техники для химической промышленности.

При сохранении высокой упругости, некоторые аморфные металлы — сверхпроводимые. С учетом низких энергетических потерь и повышенной магнитной проницаемости, «металлические стекла» незаменимы при выпуске магнитных устройств — датчиков, трансформаторов.

4. Графеновые металлокомпозиты

Для придания уникальных свойств, металлы модифицируют, вводя в их состав нанодобавки графена. Соединения эластичные, гибкие, стойкие к агрессивным средам. Они демонстрируют высокую электро- и теплопроводность, прочность.

Потенциал графеновых металлокомпозитов тестируется и уже применяется в оборонной, космической и авиационной промышленностях. Для примера: NASA испытывает металлокомпозиты с графеном и алюминием в несущих облегченных каркасах космических аппаратов и спутников.

5. Сверхпроводящие металлы

Пниктиды железа (сравнительно новый и один из самых исследуемых классов высокотемпературных сверхпроводников), иттрий-барий, ниобий и иные сверхпроводящие металлы активно используют:

Интересный факт: последнее десятилетие показало низкую конкурентоспособность высокотемпературных сверхпроводников. Распространение получили только томографы, токовводы и единицы других устройств с ВТСП. Другие изделия с ними остаются слишком дорогими для обширного применения.

6. Редкоземельные элементы будущего

Иттрий, скандий, неодим, лантан и другие из 17 редкоземельных металлов обладают приблизительно одинаковыми рабочими качествами, делающими их ценными:

• При производстве возобновляемых источников энергии;
• При выпуске электроники;
• При решении других задач — приборостроения до нефтяной сферы.

Из-за высокой стоимости, связанной со скудными мировыми запасами, сложной добычей и переработкой, в чистом виде редкоземельные элементы применяют нечасто.

Нанотехнологии в металлургии

Одно из приоритетных направлений развития современной металлургии — внедрение нанотехнологий. Используя механические, химические, физические и другие процессы, ученые манипулируют отдельными молекулами и атомами, получая металлы с нужными свойствами.

Цели использования нанотехнологий в металлургии

В таблице приведены некоторые основные задачи, которые пытаются и уже успешно решают нанотехнологи.

Наиболее активно нанотехнологии в металлургии используют для того, чтобы повысить износостойкость, усталостную долговечность и механическую прочность металлов.

Примеры реализации

Нанотехнологии — ключевые проблемы

Ключевые вызовы, тормозящие разработку, тестирование и внедрение нанотехнологий в металлургию:

1. Аспекты безопасности (здоровье человека, сохранение окружающей среды) при работе с наноматериалами.
2. Производственные и технологические ограничения.

Но главной проблемой остается экономический барьер. Стоимость создания и реализации проектов, связанных с нанотехнологиями, высока даже для крупных государственных и частных предприятий.

Перспективы и вызовы инновационной металлургии

Высокотемпературные никелевые суперсплавы, нитинол и прочие металлы с памятью формы, «металлические стекла» и иные прорывные материалы можно с пользой применять буквально в любых отраслях. Включая медицину и другие жизненно важные для человека направления. Однако высокая стоимость получения инновационных металлов ограничивает их распространение.

Роль искусственного интеллекта

Использование ИИ позволяет ускорить и снизить стоимость получения современных металлов. Для примера: задействовав машинное обучение в поиске высокоэффективных сплавов, ученые МФТИ и Сколтех нашли 268 металлических соединений, стабильных при нулевой температуре и ранее не внесенных в широкую отраслевую базу данных.

Развитие инновационной металлургии в РФ