Introducción y Aplicación de Materiales Químicos
La estructura cristalina del carburo de silicio es similar a la del diamante y es un cristal atómico. Tiene un alto punto de fusión (2827°C) y una dureza similar al diamante, por eso también se le llama esmeril. Se puede calcinar una mezcla de corriente y exceso de coque en un horno eléctrico para producir carburo de silicio.
El carburo de silicio puro es un compuesto incoloro, resistente al calor, estable y de alta dureza. La industria es verde o negra debido a las impurezas.
El carburo de silicio se utiliza habitualmente en la industria como superficie abrasiva y de fricción en la fabricación de muelas o muelas. Hay dos abrasivos de carburo de silicio de uso común. Uno es el carburo de silicio verde, que contiene más del 97 % de SiC y se utiliza principalmente para rectificar herramientas que contienen oro duro. El otro es el carburo de silicio negro, que tiene un brillo metálico y contiene más del 95% de SiC. Su resistencia es mayor que la del carburo de silicio verde, pero su dureza es menor. Se utiliza principalmente para moler hierro fundido y materiales no metálicos.
(2) Nitruro de boro
El nitruro de boro es una sustancia blanca, insoluble y resistente a altas temperaturas. El BN se puede preparar fundiendo B2O3 con NH4Cl** o quemando boro en NH3. Normalmente, el nitruro de boro tiene una estructura de grafito, comúnmente conocida como grafito blanco. El otro es el tipo diamante, que es similar al principio de convertir grafito en diamante. El nitruro de boro y grafito se puede transformar en nitruro de boro y diamante a alta temperatura (1800 °C) y alta presión (800 Mpa). La longitud del enlace B-N (156 pm) en este nitruro de boro es similar a la longitud del enlace C-C (154 pm) en el diamante, y la densidad es similar a la del diamante. Su dureza es equivalente a la del diamante, pero su resistencia al calor es mejor que la del diamante. Es un nuevo tipo de material superduro resistente a altas temperaturas que se utiliza para fabricar brocas, herramientas abrasivas y herramientas de corte.
Carburo cementado
Carburo, nitruro, boruro, etc. Los metales de los grupos IVB, VB y VIB se denominan colectivamente carburo cementado debido a su dureza y punto de fusión extremadamente altos. Se introducen la estructura, propiedades y aplicaciones del oro duro, centrándose en los carburos.
En los carburos metálicos formados por metales y carbono del Grupo IVB, Grupo VB y Grupo VIB, debido al pequeño radio de los átomos de carbono, puede rellenar los huecos metálicos y conservar la forma reticular original del metal. . Se forma una solución sólida intersticial. En las condiciones adecuadas, esta solución sólida puede continuar disolviendo sus elementos constituyentes hasta alcanzar la saturación. Por lo tanto, su composición puede cambiar dentro de un cierto rango (por ejemplo, la composición del carburo de titanio cambia entre TIC 0,5 y TIC) y la fórmula química no cumple con la ley de valencia. Cuando el contenido de carbono disuelto excede un cierto límite (como Ti: C = 1: 1 en el carburo de titanio), el patrón de la red cambiará y la red metálica original se transformará en otra red metálica. En este momento, la solución sólida intersticial se denomina compuesto intersticial.
Los puntos de fusión de los carburos metálicos, especialmente los grupos IVB, VB y VIB, están por encima de 3273 K. Entre ellos, el carburo de hafnio y el carburo de tantalio son 4160 K y 4150 K respectivamente, que son los puntos de fusión más altos entre las sustancias conocidas. La dureza de la mayoría de los carburos es muy alta y su microdureza es superior a 1800 kg·mm2 (la microdureza es uno de los métodos de expresión de la dureza, utilizado principalmente para carburo cementado y compuestos duros. La microdureza de 1800 kg·mm2 equivale al diamante de Mohs). -dureza 9). Muchos carburos no se descomponen fácilmente a altas temperaturas y son más resistentes a la oxidación que los metales que los constituyen. El carburo de titanio es el más estable térmicamente de todos los carburos y es un carburo metálico muy importante. Sin embargo, en una atmósfera oxidante, todos los carburos se oxidan fácilmente a altas temperaturas, lo que se puede decir que es una debilidad importante de los carburos.
Además de los átomos de carbono, los átomos de nitrógeno y los átomos de boro también pueden entrar en los huecos de la red metálica para formar soluciones sólidas intersticiales. Sus propiedades son similares a las de los carburos intermedios, como conductividad eléctrica y térmica, alto punto de fusión, alta dureza y fragilidad.
(4) Cermets
Con el desarrollo de tecnologías avanzadas como cohetes, satélites y energía atómica, se han planteado nuevos requisitos para materiales resistentes a altas temperaturas, con la esperanza de tiene mayor resistencia a altas temperaturas. Tiene dureza y resistencia, puede soportar vibraciones mecánicas severas y cambios de temperatura, y tiene propiedades como resistencia a la corrosión por oxidación y alto aislamiento. Es difícil que los metales refractarios y las cerámicas cumplan estos requisitos simultáneamente. El metal tiene buenas propiedades mecánicas y tenacidad, pero tiene poca estabilidad química a altas temperaturas y se oxida fácilmente. Las cerámicas se caracterizan por su resistencia a altas temperaturas y una buena estabilidad química, pero sus mayores desventajas son su alta fragilidad y su baja resistencia a los choques mecánicos y térmicos. Cermet es un nuevo tipo de material de alta temperatura sinterizado a partir de metales resistentes a altas temperaturas como Cr, Mo, W y Ti y cerámicas de alta temperatura como Al2O3, ZrO3 y TiC.
Tiene las ventajas tanto del metal como de la cerámica, con baja densidad, alta dureza, resistencia al desgaste, buena conductividad térmica y no se vuelve quebradizo debido al rápido enfriamiento o calentamiento. Es un nuevo material de alta temperatura con excelentes propiedades integrales y es adecuado para herramientas de corte de alta velocidad, troqueles de estampado y estirado en frío, elementos calefactores, cojinetes, piezas resistentes a la corrosión, tecnología de radio, tecnología de cohetes, industria de la energía atómica, etc.
2. Nuevos materiales cerámicos
La cerámica tradicional utiliza principalmente materiales naturales como rocas, minerales y arcilla como materia prima. Las nuevas cerámicas están hechas de compuestos inorgánicos sintéticos de alta pureza, que se forman y sinterizan en condiciones estrictamente controladas para formar materiales inorgánicos con estructuras cristalinas finas. Tiene una serie de excelentes propiedades físicas, químicas y biológicas, y su rango de aplicación va mucho más allá de la cerámica tradicional. También se le llama cerámica especial o cerámica fina.
La composición química de las nuevas cerámicas se divide principalmente en dos categorías: una son las cerámicas de óxido puro,
como Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, etc. El otro tipo son las cerámicas sin óxido, como carburos, boruros, nitruros y siliciuros. Según su rendimiento y características, se pueden dividir en cerámicas de alta temperatura, cerámicas superduras, cerámicas de alta tenacidad y cerámicas semiconductoras. Cerámicas electrolíticas, cerámicas magnéticas, cerámicas conductoras, etc. Con la mejora continua de la composición, la estructura y el I:art, surgen una tras otra nuevas cerámicas. Según sus diferentes aplicaciones, se pueden dividir en cerámicas estructurales de ingeniería y cerámicas funcionales.
Las cerámicas utilizadas en estructuras de ingeniería se denominan cerámicas de ingeniería. Se utilizan principalmente a altas temperaturas y también se denominan cerámicas estructurales de alta temperatura. Este tipo de cerámica tiene las ventajas de alta resistencia, alta dureza, resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y resistencia a la ablación a altas temperaturas. Es un material importante en tecnología aeroespacial, tecnología militar, energía atómica, equipos industriales y químicos. otros campos. Existen muchos tipos de cerámicas de ingeniería, pero actualmente son las más investigadas en el mundo y los materiales más prometedores son el cloruro de silicio, el carburo de silicio y los óxidos endurecidos.
El silicio amoniacal cerámico de precisión puede reemplazar el metal para fabricar piezas del motor resistentes al calor. Puede aumentar en gran medida la temperatura de la pieza de trabajo, mejorando así la eficiencia térmica, reduciendo el consumo de combustible, ahorrando energía, reduciendo el tamaño y. peso del motor, y también reemplaza El níquel, el cromo, el sodio y otros materiales metálicos importantes se consideran una revolución en los motores. Existen muchos métodos para preparar nitruro de silicio. El método más utilizado en la industria es reaccionar con nitrógeno puro a 1600 K para obtener silicio de alta pureza:
3Si+2N2 Si3N4
Químico. También se puede utilizar la fase de vapor. En el método de deposición, SiCl4_4 y N2 reaccionan bajo la protección de una atmósfera de H2, y el producto Si3N4 se acumula en la matriz de grafito para formar una capa densa de Si3N4. El nitruro de silicio obtenido por este método tiene una alta pureza y la reacción es la siguiente:
sicl 4+2 N2+6 H2→si3n 4+12 HCl
Cloruro de silicio, silicio carburo Las nuevas cerámicas como estas también se pueden utilizar para fabricar palas de motores, herramientas de corte, sellos mecánicos, cojinetes, toberas de cohetes, tubos de hornos, etc. , y tiene una gama muy amplia de usos.
Los materiales cerámicos fabricados utilizando las funciones especiales de la cerámica en propiedades físicas como el sonido, la luz, la electricidad, el magnetismo y el calor se denominan cerámicas funcionales. Existen muchos tipos de cerámica funcional con diferentes usos. Por ejemplo, de acuerdo con las diferentes propiedades eléctricas de la cerámica, se pueden fabricar materiales electrónicos como cerámica conductora, cerámica semiconductora, cerámica dieléctrica y cerámica aislante. Se pueden utilizar para fabricar diversos materiales electrónicos como condensadores, resistencias y materiales de alta temperatura. y dispositivos de alta frecuencia, y transformadores en la industria electrónica. Utilizando las propiedades ópticas de la cerámica, se pueden fabricar materiales láser sólidos, fibras ópticas, materiales de almacenamiento óptico y diversos sensores cerámicos. Además, las cerámicas también se utilizan como materiales piezoeléctricos, materiales magnéticos, materiales base, etc. En resumen, los nuevos materiales cerámicos inteligentes han penetrado en casi todos los campos de la ciencia y la tecnología modernas y sus perspectivas de aplicación son muy amplias.
En tercer lugar, los materiales magnéticos
Los materiales magnéticos son materiales electrónicos importantes. Los primeros materiales magnéticos utilizaban principalmente sistemas de metales y aleaciones. Con el desarrollo de la producción, la industria energética, la ingeniería de telecomunicaciones y la tecnología de radio de alta frecuencia necesitan con urgencia un material magnético de alto rendimiento con alta resistividad. A partir de nuevas investigaciones sobre magnetita y otros óxidos magnéticos, se desarrolló un nuevo material magnético: la ferrita. La ferrita es un material magnético a base de óxido. Es un óxido compuesto compuesto principalmente por óxido de hierro y otros elementos del grupo del hierro o elementos de tierras raras. Puede utilizarse para fabricar diversos dispositivos funcionales para la conversión de energía, la transmisión y el almacenamiento de información.
Los materiales magnéticos de ferrita se pueden dividir en tipo espinela (mfe2o 4); tipo granate (R3 Fe 5o 12); tipo magnetoplumbita (mfe 12o 19);
Donde m se refiere a un ion metálico divalente con un radio de ión cercano al Fe2+ y r es un elemento de tierras raras. Según los diferentes usos de la ferrita, se puede dividir en imán blando, imán duro, imán de momento magnético y piezomagnético.
El material magnético blando se refiere a un material de ferrita que se magnetiza y desmagnetiza fácilmente bajo un campo magnético débil. Las ferritas blandas con valor práctico son principalmente ferrita de manganeso-zinc Mn-Zn Fe2O4 y ferrita de níquel-zinc Ni-Zn FeO4. La estructura cristalina de la ferrita magnética blanda es generalmente espinela cúbica. Es un material con amplia aplicación, gran cantidad, variedad y alto valor de rendimiento entre varias ferritas. Se utiliza principalmente como cabezal para diversos componentes inductivos como filtros, transformadores y antenas, así como para grabación de cintas y vídeos.
El material magnético duro se refiere a un material de ferrita que no es fácil de desmagnetizar después de la magnetización, pero que puede mantener el magnetismo durante mucho tiempo. También llamado material de imán permanente o material de imán permanente. La estructura cristalina de la ferrita dura es generalmente del tipo magnetoplumbita hexagonal, y un representante típico es la ferrita de bario BaFe12O19. Este material tiene buen rendimiento y bajo costo. No solo se puede utilizar como imán para equipos de telecomunicaciones, como grabadoras, teléfonos y diversos instrumentos, sino que también se puede utilizar en medicina, biología, impresión y visualización.
Mg-Mnfe3o4, Ni-Cu-Fe-2O-4 y ferrita de granada de tierras raras 3me 2 o 3·5fe 2 o 3 (Me es un ion metálico trivalente de tierras raras, como Y3+, Sm3++, Gd3++, etc.) son los principales materiales de ferrita giromagnética. La propiedad giromagnética de los materiales magnéticos se refiere al fenómeno de que cuando las ondas electromagnéticas se propagan en una determinada dirección en el material bajo la acción de dos campos magnéticos de CC mutuamente perpendiculares y campos magnéticos de ondas electromagnéticas, su plano de polarización seguirá girando alrededor de la dirección de propagación. El fenómeno giromagnético en realidad se aplica en la banda de microondas, por lo que el material de ferrita giromagnética también se denomina ferrita de microondas. Utilizado principalmente en radar, comunicaciones, navegación, telemetría, control remoto y otros equipos electrónicos.
Los materiales de momento magnético importantes incluyen ferrita de manganeso-zinc, ferrita de litio-níquel-zinc y ferrita de litio-manganeso-zinc con características de temperatura estable. Los materiales de momento magnético tienen las características de distinguir estados físicos, como "1" y "0" en computadoras electrónicas, "encendido" y "apagado" en varios interruptores y sistemas de control, y "sí" y "no" en sistemas lógicos. Casi todas las computadoras electrónicas utilizan ferrita de momento magnético para formar memorias de alta velocidad. Otro material magnético desarrollado recientemente es el material de burbujas. Esto se debe a que cuando el campo magnético de algunos materiales magnéticos de granate aumenta hasta un cierto tamaño, los dominios magnéticos formarán dominios de burbujas cilíndricas, que parecen burbujas flotando en el agua. Las burbujas de "sí" y "no" se pueden utilizar para representar los estados de información "1" y "0". La generación, desaparición, transmisión y división de burbujas y la interacción entre burbujas están controladas por circuitos y campos magnéticos, que pueden realizar las funciones de almacenamiento de información, registro y operaciones lógicas, y tienen importantes aplicaciones en ciencia y tecnología, como computadoras electrónicas y control automático.
Los materiales piezoeléctricos se refieren a materiales de ferrita que pueden estirarse o acortarse mecánicamente en la dirección del campo magnético después de la magnetización. En la actualidad, los más utilizados son la ferrita de níquel-zinc, la ferrita de níquel-cobre y la ferrita de níquel-magnesio. Los materiales piezoeléctricos se utilizan principalmente en dispositivos ultrasónicos, dispositivos magnetoacústicos y dispositivos de telecomunicaciones, computadoras electrónicas, dispositivos de control automático, etc. La energía electromagnética y la energía mecánica se convierten entre sí.
En cuarto lugar, los materiales superconductores
La resistencia de los materiales metálicos suele disminuir a medida que disminuye la temperatura. Cuando la temperatura desciende hasta cierto valor, la resistencia de algunos metales y aleaciones desaparece por completo. Este fenómeno se llama superconductividad. Las sustancias con superconductividad se denominan superconductores o materiales superconductores. La temperatura a la que la resistencia de un superconductor desaparece repentinamente se denomina temperatura crítica (Tc).
El físico holandés H. K. Onnes preparó con éxito helio líquido y alcanzó una temperatura baja de 4,2 K. En 1911, descubrió que la resistencia del mercurio caía repentinamente a cero alrededor de 4,2 K. Este fue el primer descubrimiento realizado por humanos. Superconductividad. Con más investigaciones, se descubrió que 26 metales de la tabla periódica de elementos son superconductores y que la temperatura de transición superconductora de un solo metal es muy baja. El metal con mayor superconductividad es el Nb, Tc-9,2K. Por lo tanto, poco a poco la gente recurre al estudio de la superconductividad de aleaciones y compuestos metálicos.
En abril de 1986, el científico suizo J.G. Bedeneau y otros descubrieron que los óxidos compuestos de bario, lantano, cobre y oxígeno pueden ser materiales superconductores con una alta Tc, y obtuvieron un superconductor con una Tc de 30K. el primer gran avance en la investigación de materiales superconductores. Desde entonces, científicos de todo el mundo han realizado extensas investigaciones sobre este tipo de material.
En febrero de 1987, científicos estadounidenses descubrieron que el bario hacía que la temperatura de transición superconductora de los materiales de óxido de cobre alcanzara los 98 K, rompiendo así la zona de temperatura del helio líquido y entrando en la zona de temperatura del nitrógeno líquido. El Instituto de Física, el Instituto de Química y la Universidad de Pekín de la Academia de Ciencias de China también han desarrollado con éxito cables y películas superconductores con una Tc de 83,7K. Japón ha desarrollado con éxito un material superconductor cerámico de alta temperatura de óxido de cobre, itrio, bario. Su composición es 0.6 Ba ~ 0.4Y ~ 1 ICU ~ 3O, comienza a mostrar superconductividad a 123K, y la resistencia es nula a 93 K. Actualmente están surgiendo nuevas series de óxidos, como Bi-Sr-Ca-CuO, TL -Ba-Ca-CuO, sus temperaturas de transición superconductoras superan los 65438 ± 020 K. Estos resultados de investigación han abierto un camino para que los materiales superconductores se pongan en uso práctico lo antes posible.
Vale la pena señalar que el tercer alótropo del carbono, C60, reacciona con metales alcalinos para producir AxC60 (A representa potasio, rubidio, cesio, etc.), que son todos superconductores. Temperaturas de transición enumeradas a continuación. Como puede verse en la tabla, la mayoría de los superconductores AxC60 tienen temperaturas de transición más altas que los superconductores de aleaciones metálicas. Esto permite a la gente ver el gran potencial de los superconductores orgánicos como el C60. Al mismo tiempo, debido a que su rendimiento es mejor que el de los superconductores de óxido metálico (cerámicos), los superconductores AxC60 serán un material superconductor prometedor.
Temperatura de transición superconductora de AxC60
K2 C60:19 Tc/K
Rb3C60:28 Tc/K
Cs3C60:30 Tc /K
Rb 2 sc60:30 Tc/K
RbCs2C60:33 Tc/K
Los materiales superconductores tienen una amplia gama de aplicaciones. Los imanes superconductores fabricados con materiales superconductores pueden generar fuertes campos magnéticos y son de tamaño pequeño, livianos y de bajo consumo de energía, lo que es mucho mejor que los electroimanes convencionales que se utilizan actualmente. Los materiales superconductores también se pueden utilizar para fabricar generadores superconductores de alta potencia, generadores de corriente magnética, dispositivos superconductores de almacenamiento de energía, cables superconductores, etc. La aplicación más llamativa de la tecnología superconductora es el tren maglev superconductor, que puede alcanzar velocidades de hasta 500 km/h. Los propulsores electromagnéticos superconductores se utilizan en la navegación oceánica, lo que significa que no se requiere ningún motor para lograr alta velocidad y eficiencia. y navegación silenciosa. Se pueden fabricar cojinetes superconductores sin fricción aprovechando todas las propiedades diamagnéticas de los superconductores. Ya sea en energía, electrónica, comunicaciones, transporte, tecnología de defensa militar, tecnología espacial, reacciones termonucleares controladas y medicina, los materiales superconductores desempeñarán un papel mágico con sus propiedades únicas.
5. Fibra óptica y materiales láser
(1) Fibra óptica
La fibra óptica, denominada fibra óptica, es un nuevo tipo de material que tiene estado en auge en los últimos 10 años. El centro de la fibra óptica es un filamento de cristal hecho de vidrio óptico especial estacional ultrapuro o de alto índice de refracción, llamado núcleo. La piel exterior del núcleo de fibra es una piel exterior de fibra hecha de vidrio o plástico de bajo índice de refracción. Las fibras ópticas tienen la capacidad de transmitir ondas de luz.
El núcleo de la fibra óptica es un medio ópticamente denso y la funda exterior es un medio ópticamente escaso. Después de que la luz ingresa al núcleo de la fibra, solo puede propagarse dentro del núcleo de la fibra (reflexión total). Después de innumerables reflexiones totales, se propaga hacia adelante en forma de zigzag y finalmente llega al otro extremo del núcleo de la fibra. Este es el principio de transmisión de señales de fibra óptica, como se muestra en la siguiente figura:
Actualmente, se utilizan ampliamente fibras estacionales de alta pureza, fibras de vidrio componentes y fibras plásticas. La principal materia prima de la fibra óptica estacional es la fibra estacional refinada (SiO2), que está compuesta por SiCl4:
SiCl4+2H2O=SiO2+4HCl
En la industria, la arena de cuarzo natural se generalmente se usa en hornos eléctricos La reducción de carbono se usa para obtener silicio crudo o silicio cristalino con un contenido de silicio del 95% al 99%, y luego se usan cloro y silicio crudo para sintetizar tetracloruro de silicio en un horno de cristalización;
SiO2+2C Si+2CO ↑ Si+2Cl2 SiCl4
El SiCl4 preparado mediante este método contiene muchas impurezas, como BCl3, SiHCl3, PCl3, etc. Se requieren más destilación y purificación. Las materias primas de fibra óptica son ricas en recursos y sus propiedades químicas son extremadamente estables. Además del ácido fluorhídrico, tiene una fuerte resistencia a la corrosión de diversos reactivos químicos. Por tanto, se utiliza en diversas líneas de comunicación. Además de la fibra óptica estacional, también se están desarrollando otros tipos de materiales de fibra óptica.
En la actualidad la mayor aplicación de la fibra óptica es en la comunicación, es decir, la comunicación por fibra óptica. La capacidad de información de la comunicación por fibra óptica es muy grande.
Por ejemplo, un cable del tamaño de un lápiz compuesto por 20 fibras ópticas puede atender 76.200 llamadas al día, mientras que un cable de 3 pulgadas (3 × 2,54 cm) de diámetro y compuesto por 1.800 hilos de cobre sólo puede atender 900 llamadas al día. Además, la comunicación por fibra óptica tiene las ventajas de peso ligero, antiinterferencias, resistencia a la corrosión, buena confidencialidad, materias primas ricas, etc., y puede ahorrar una gran cantidad de metales no ferrosos. Por tanto, la fibra óptica es un material de comunicación ideal.
Componentes ópticos fabricados con fibras ópticas, como haces de fibras ópticas, haces de fibras ópticas de imágenes, paneles de fibras ópticas, etc. , puede desempeñar un papel especial que los elementos ópticos ordinarios no pueden desempeñar. Además, se pueden fabricar varios sensores para medir temperatura, corriente, presión, velocidad, sonido, etc. Utilice la combinación de fibra óptica y algunos componentes sensibles o las características de la propia fibra óptica. En comparación con los sensores existentes, tiene muchas ventajas únicas y es particularmente adecuado para su uso en entornos hostiles, como interferencias electromagnéticas severas, espacios pequeños, entornos inflamables y explosivos.
(2) Materiales láser
El láser es uno de los grandes inventos del siglo XX. Desde la primera oscilación láser utilizando rubí como material de trabajo en 1960, ha habido un rápido desarrollo en la teoría básica de los láseres, sus aplicaciones y la investigación sobre materiales y dispositivos láser. El láser es un tipo especial de luz que utiliza el principio de emisión estimulada para oscilar en una cavidad resonante. En comparación con la luz ordinaria, tiene las características de buena monocromaticidad, buena coherencia y alto brillo, y se utiliza ampliamente en ciencia y tecnología.
La sustancia utilizada para generar la luz láser se llama láser 11. Hay dos tipos de sustancias: sólidas, gaseosas y líquidas. Aquí presentamos principalmente materiales láser sólidos. La sustancia de trabajo del láser endógeno consta de dos partes: iones activos (los iones que realmente generan el láser) y el material de la matriz (el medio que propaga el rayo). Hay tres categorías de elementos que forman iones activados: la primera categoría son los elementos de transición, como el manganeso, el cromo, el cobalto, el níquel y el vanadio; la segunda categoría son los elementos de tierras más raras, como el neodimio, el holmio, el disprosio, el erbio, tulio, iterbio, lutecio, gadolinio, europio, samario, praseodimio, etc. La tercera categoría son los elementos radiactivos individuales, como el uranio. Actualmente los iones activadores más utilizados son Cr3++ y Nd3++. Los materiales de matriz incluyen cristales y vidrio, y cada ion activado tiene uno o varios materiales de matriz correspondientes. Por ejemplo, el Cr3+ penetrado en un cristal de alúmina tiene un buen rendimiento de generación de láser, pero cuando se mezcla con otros cristales o vidrios, el rendimiento luminoso es muy pobre y es posible que ni siquiera produzca luz láser. Actualmente existen cientos de materiales para trabajar con láser, pero hay cuatro principales con valor práctico: rubí (Al2O3:Cr3++), granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Y3L5O12: Nd3+), aluminato de itrio dopado con neodimio (YAlO3:Nd3++). , Vidrio de neodimio.
Ruby es el primer material que oscila con láser y emite luz roja con una longitud de onda láser de 694,2 nm. Ruby se basa en cristal de Al2O3, dopado con Cr2O3 con una fracción de masa de 5×10-4. El ion activo es Cr3++. Las materias primas para la preparación de monocristales de rubí deben ser de gran pureza. Por lo general, el alumbre de amonio [NH4Al (SO4) 2.12h2o] y el dicromato de aluminio purificado recristalizado [(NH4)2Cr2O7] se mezclan en una determinada proporción y se calientan a 1050 ~ 1150.
NH4Al(SO4)212H2O Al2(SO4)3+2nh 3 ↑+ SO3 ↑+ 25H2O ↑
Al2(SO4)3 Al2O3+3SO3 ↑
2(NH4)2cr2o 7·4nh 3 ↑+ 2cr2o 3+3 O2 ↑+ 2H2O ↑
Prepare una mezcla de Al2O3 y Cr2O3 y luego use el método de llama o el método Czochralski para preparar el monocristal de rubí. .
El granate de itrio y aluminio dopado con neodimio y el aluminato de itrio dopado con neodimio son materiales de trabajo con láser con Y3Al5O12 y YAlO3 como materiales de matriz respectivamente, y diferentes concentraciones de Nd3++ como iones activos.
El ion activo del vidrio de neodimio es Nd3++. Cuando se utiliza vidrio compuesto de sílice de abulón K2O como material de matriz, el rendimiento de la generación del láser es mejor. La mayor ventaja de utilizar vidrio como material de trabajo del mismo láser es que puede fundir materiales de gran tamaño y buena uniformidad óptica, y la fracción de masa de iones activados se puede aumentar a 0,02 ~ 0,04. En la investigación de la fusión nuclear, se han logrado resultados eficaces utilizando un láser de vidrio de neodimio como fuente de luz potente para desencadenar la reacción de fusión.
Verbo intransitivo nanomateriales
La mayoría de sustancias son sustancias sólidas, y sus tamaños de partículas son generalmente del orden de micras.
Una partícula contiene innumerables átomos y moléculas, y luego el material exhibe las propiedades macroscópicas de una gran cantidad de moléculas. Cuando el tamaño de las partículas se procesa a un tamaño nanométrico mediante métodos especiales, la cantidad de moléculas contenidas en la nanopartícula se reduce considerablemente. Este tipo de material intermedio compuesto de partículas ultrafinas con un tamaño de partícula de nanoescala (1 ~ 100 nm) se denomina nanomateriales. Los nanomateriales son estructuralmente muy diferentes de los materiales cristalinos y amorfos tradicionales. Debido a que los nanomateriales tienen partículas ultrafinas, una gran cantidad de partículas y una gran superficie, la proporción de átomos en la interfaz de las partículas es extremadamente grande y generalmente representa alrededor del 50% del número total de átomos. efectos de superficie, efectos de interfaz, efectos de tamaño pequeño, efectos cuánticos, etc. , exhibiendo así una serie de propiedades físicas y químicas únicas y mostrando amplias perspectivas de aplicación en los campos de la electrónica, metalurgia, química, biología, medicina y otros campos.
Los nanomateriales tienen puntos de fusión bajos. Por ejemplo, el punto de fusión del oro es de 1064°C, mientras que el punto de fusión de las nanopartículas de oro es de sólo 330°C, que es casi 700°C más bajo. Otro ejemplo es que el punto de fusión del polvo de nanoplata cae de 962°C de plata metálica a 100°C. La reducción del punto de fusión de los nanometales no sólo permite preparar aleaciones mediante sinterización a baja temperatura, sino que también crea las condiciones para la fundición de metales no miscibles en aleaciones.
Los nanomateriales tienen grandes superficies y una alta actividad superficial, y pueden utilizarse para fabricar diversos catalizadores de alto rendimiento. Por ejemplo, las nanopartículas de compuestos de Ni o Cu-Zn son excelentes catalizadores para la hidrogenación de algunos compuestos orgánicos y pueden reemplazar los costosos catalizadores de platino o catalizadores negros de nanoplatino que pueden reducir la temperatura de hidrogenación del etileno de 600 °C a temperatura ambiente; polvo de nanoníquel Como catalizador de reacción para combustible sólido para cohetes, la eficiencia de combustión se puede aumentar 100 veces. Además, su selectividad de reacción catalítica también muestra especificidad. Por ejemplo, la reacción de oxidación interna de aldehído del catalizador de níquel soportado en silicio muestra que cuando el diámetro de las partículas de níquel es inferior a 5 nm, la selectividad de la reacción cambia drásticamente, la reacción de descomposición del aldehído se controla eficazmente y la tasa de conversión de etanol aumenta considerablemente.
Debido a deficiencias como la alta fragilidad y la alta temperatura de sinterización, el rango de aplicación de los materiales cerámicos es limitado. Las nanocerámicas, por el contrario, tienen buena tenacidad y ductilidad. Los resultados muestran que los materiales nanocerámicos de TiO2 y CaF2 pueden producir aproximadamente un 100% de deformación plástica en el rango de 80 ~ 180 ℃, tienen una tenacidad excelente y la temperatura de sinterización se reduce. Puede alcanzar una temperatura similar a la de las cerámicas ordinarias a 600 ℃ por debajo de. la de las muestras de granos grandes. Estas propiedades permiten que los materiales nanocerámicos se procesen en frío a temperatura ambiente o temperaturas subaltas. Si las partículas nanocerámicas se procesan y forman a temperaturas subaltas y luego se recocen en la superficie, se puede obtener una cerámica de alto rendimiento con una dureza cerámica normal en la superficie y la dureza del material de nanomadera en el interior.
Los nanomateriales también pueden utilizarse ampliamente en campos biomédicos, como la separación celular, la tinción celular, etc. Debido a que las nanopartículas son mucho más pequeñas que los glóbulos rojos (6 ~ 9 um), pueden moverse libremente en la sangre. Por tanto, mediante la inyección de diversas nanopartículas que son inofensivas para el cuerpo humano, se pueden examinar y tratar las lesiones. El estudio de la nanobiología puede ayudarnos a comprender la estructura fina de las macromoléculas biológicas y su relación con la función a escala nanométrica, y a obtener información sobre la vida, especialmente información diversa dentro de las células. Utilizando nanosensores, se puede obtener información bioquímica e información electroquímica de diversas reacciones bioquímicas.
La aparición de los nanomateriales ha traído nueva vitalidad y desafíos a muchas disciplinas como la física, la química y la biología. La nanotecnología seguramente se convertirá en la tecnología más importante del siglo XXI, y la gente recomprenderá y transformará el mundo objetivo en la nanoescala.