Tendinte moderne in stiinta si tehnologia materialelor compozite

Tendinte moderne in stiinta si tehnologia materialelor compozite

Secolul al 20-lea a fost martorul unei dezvoltari uluitoare a stiintei si tehnologiei, cu impact asupra omului sub toate aspectele vietii. Trei stiinte majore s-au dezvoltat si au marcat secolul:

fizica, stiinta care a reusit intelegerea structurii atomilor prin prisma mecanicii cuantice;

• biologia (cu ramurile sale, biofizica, biochimia si genetica), prin care s-a reusit intelegerea structurii celulei si a mecanismelor vietii;
• informatica, prin care s-au dezvoltat in simbioza mijloacele de comunicare si de calcul.

Inceputul secolului al 21-lea surprinde omenirea in fata unor noi provocari: modificari neprevazute de clima, aparitia unor noi agenti patogeni, poluarea la toate nivelurile si sub toate formele posibile (chimica, electromagnetica, etc.), radiatia radioactiva, epuizarea unor surse de energie, terorismul cu toate formele lui (atacuri bacteriologice, atacuri cu arme conventionale, atacuri cu gaze de lupta).

In aceste conditii, stiinta omenirii isi regrupeaza fortele, incercand sa ofere solutii fundamentale, care sa poata fi preluate de tehnologia moderna.

O abordare cu totul diferita este avuta in vedere pentru modul in care va fi condusa dezvoltarea stiintei si tehnologiei materialelor, in secolul nostru.

Noua abordare consta in dezvoltarea cercetarilor in directia apropierii de nivelul structurii atomice, folosind asa-numita electronica la scara nano sau nano-electronica. Prin miscarea catre dimensiuni mai mici se urmareste cresterea densitatii de integrare, a functionalitatii sistemelor si a performantei acestora (spre exemplu, cresterea vitezei de operare si scaderea puterii consumate).

Datorita nano-electronicii va fi posibil ca, in viitor, sa se creeze sisteme atomice si molecule artificiale, sisteme multifunctionale integrate la scara atomilor. Stiinta materialelor are un rol esential in pregatirea saltului tehnologic de maine prin crearea de noi materiale si noi structuri, dar, nu in ultimul rand, prin descoperirea de noi fenomene fizice si proprietati specifice la scara atomica.

Realizarile de varf in domeniul materialelor avansate prefigureaza, printr-o linie de extrapolare pe termen mediu, evolutia stiintelor, in particular cea a fizicii materiei condensate, precum si impactul tehnologic la scara nanometrica.

Cercetarea fundamentala in domeniul materialelor avansate trebuie sa fie dirijata catre descoperirea relatiilor dintre proprietatile care determina functionalitatea materialului, compozitia chimica si structura lui. Este important de remarcat ca diferite proprietati de material sunt determinate de comportarea colectiva a moleculelor, atomilor si electronilor iar aceasta comportare ar putea fi extrem de neliniara pentru

scari de timp si de marime diferite. Intelegerea fundamentala este esentiala daca vrem ca functionalitatea materialelor sa fie asigurata pe perioade lungi de timp.

Incercam in cele ce urmeaza sa aratam, in mod sintetic, care sunt principalele linii directoare ale noii evolutii in stiinta si tehnologia materialelor compozite avansate:

Stiinta si ingineria materialelor compozite. Compozitele sunt materiale in care se imbina doua faze complet diferite: fie o faza cristalina si una amorfa, fie o matrice amorfa sau cristalina in care se introduce o a doua faza sub forma dimensionala diferita: de exemplu, fibre, placi, clusteri, aglomerari fractale, etc

Intelegerea fenomenologiei unui material neomogen, cu bariere structurale si electronice abrupte, este deosebit de actuala. Matricile cu nanotuburi de carbon au proprietati fizice foarte diferite de cele ale componentilor. In compozite efectele sinergice trebuie investigate in scopul maximizarii acestora. Problemele fundamentale ale interactiunilor fizice si chimice se afla pe prim plan si stabilirea legitatilor este importanta pentru toate celelalte domenii ale starii condensate a materiei. Relevanta asupra aplicatiilor este remarcabila.

Materialul plastic amestecat cu oxidul de siliciu conduce la un material cu rezistenta mecanica de cateva ori mai mare decat cea a polimerului. Proprietatile exceptionale de disipare a energiei mecanice sunt deosebit de importante pentru utilizare la socuri (ciocnirile vehiculelor, lovirea cladirilor la cutremure, etc.). Proprietatile de absorbtie si disipare a energiei mecanice sunt legate de procesele care au loc la scara nanometrica (dimensiunea particulelor de silice este de ordinul a 50 nm iar microporii au circa 2 nm diametru. Compozitele sunt usoare, pot fi dure ca otelul si rezistente la caldura.

Exploatarea proprietatilor fundamentale ale materialelor compozite pentru crearea de structuri macroscopice cu proprietati superioare: rezistente la tractiune, la soc, usoare, elastice etc., reprezinta    o provocare tehnologica.

Materialele cu gradient functional sunt materiale noi la scara nanometrica, bazate pe combinatii de componente cu proprietati radical diferite. Proprietatile acestor materiale sunt determinate, in mare masura, de interfetele dintre componente, la care gradientii de compozitie sunt mari. Cele doua tipuri de astfel de materiale sunt: a) materiale bazate pe straturi subtiri si multistraturi de compozitii foarte diferite si b) materiale bazate pe nanoparticulele unui component inglobate in matricea altuia.

Este nevoie de cunoasterea structurilor cu diferite dimensiuni ce implica combinatii de sisteme puternic corelate. Intelegerea acestora poate duce la noi proprietati in care multistratul ca atare poate fi privit ca un nou material daca straturile componente sunt suficient de subtiri, adica mai subtiri decat lungimea de coerenta

Este necesara producerea unor structuri perfect controlabile tehnologic, reproductibile, lipsite de defecte sau cu un minim de defecte.

Ceramicile electronice de tip perovskit (piezoceramicile) sunt extrem de importante pentru aplicatii tehnice. Fragmentele de structuri de tip perovskit pot fi combinate cu multe alte elemente structurale. Se genereaza astfel noi materiale cu proprietati deosebite. Este importanta realizarea unor legaturi intre elemente diferite si, de aceea, potrivirea geometrica este esentiala. Prezenta vacantelor de oxigen sporeste adaptabilitatea componentelor structurale. Substituirea a doua tipuri de cationi mareste potentialul de modificare a proprietatilor ceramicilor, precum si abilitatea de a incorpora diferite elemente structurale. Supraconductorii de oxid de cupru compoziti sunt graitori in aceasta privinta. In multe cazuri, stoichiometria oxigenului difera de cea ideala. Vacantele de oxigen sunt adesea ordonate si formeaza suprastructuri. Oxidarile si reducerile influenteaza proprietatile ceramicilor. Proprietatile piezoceramicilor pot fi astfel controlate cu finete. Studiul fundamental al perovskitilor este obiectul unei cercetari continue.

Sunt avute in vedere clase noi de materiale feroelectrice cu avantaje aplicative, precum compozitele ceramica/polimer. Se combina faze cu proprietati diferite.

Proprietatile mecanice si electrice ale compozitelor pot fi modificate cu multe ordine de marime in functie de modul in care se conecteaza fazele individuale. Se pot obtine senzori de presiune sensibili si ieftini. Cu ajutorul dopantilor (Ca, Pb, Mn, negru de fum) se pot controla usor temperatura Curie, anizotropia, polarizabilitatea si pierderile dielectrice, precum si rezistivitatea materialului.

Cvazi-cristalele sunt aliaje metalice cu continut mare de aluminiu, care prezinta o simetrie cristalografica interzisa (axe de ordin 5). Cvazi-cristalele pot fi formate prin multe combinatii de elemente. Studiile fundamentale sunt inca la inceput. Putem exemplica:

Producerea de imbracaminte pentru militari, cu efect de vindecare a ranilor, la scurt timp dupa aparitia acestora.

Crearea de noi materiale super-rezistente prin mimarea unor materiale produse in sfera bio (de exemplu materialul pentru veste anti-glont, Kevlarul, foloseste fibre produse de o specie de paianjen).

In cazul supraconductorilor de temperatura critica ridicata, materialele cu oxid de cupru sunt greu de inlocuit, deoarece scara de energie asociata magnetismului (care este implicat fundamental in mod fundamental in supraconductie) este foarte inalta, depasind pe cea din cazul altor materiale supraconductoare.

Materiale noi pot fi gasite doar in afara si in pofida teoriei cvazi-unanim acceptate astazi (starea de supraconductie este o stare rezonanta a legaturii de valenta dopata, cu pronuntat caracter d). Cercetarea de material se va dezvolta in continuare, incluzand noi clase, ca de pilda, cea a compusilor cu bor, la care s-au observat recent temperaturi critice suficient de inalte. Este importanta perfectionarea tehnologiei de obtinere a supraconductorilor ceramici.

Se va pune la punct tehnologia circuitelor de microunde cu supraconductori calzi. Cercetarile tehnologice pentru obtinerea de multistraturi de inalta calitate, lipsite de defecte vor preceda aplicatiile in domeniul dezvoltarii de magnetometre sensibile pentru medicina, pentru scopuri militare si pentru defectoscopie nedestructiva (bazate pe jonctiuni Josephson). Se are in vedere crearea de circuite ultrarapide.

In cazul materialelor structurate artificial, se vor avea in vedere in mod special dispozitivele optoelectronice. Se va pune le punct tehnologia pentru obtinerea structurilor cu compozitie modulata. Tinand seama de proprietatile cristalelor fotonice, se pot construi oglinzi de foarte inalta reflectivitate pentru anumite lungimi de unda ale radiatiei electromagnetice.

Ceramicile piezoelectrice vor fi procesate astfel incat sa se obtina catalizatori performanti, supraconductori si electrozi de oxigen. In toate cazurile, morfologia produselor trebuie controlata, jucand un rol principal. Dezvoltarea unor tehnologii de preparare controlate pentru fazele care prezinta proprietati specifice fizico-chimice, morfologice, structurale si compozitionale, necesita studii experimentale sistematice.

Cvazi-cristalele sunt sugerate pentru aplicatii. Se are in vedere un compozit promitator: material polimeric in care se introduce pulbere cvazi-cristalina de Al-Cu-Fe.

Particulele de Al-Cu-Fe sporesc rezistenta la uzura a polimerului. Se presupune ca acest fapt se datoreste combinarii duritatii cvazi-cristalitelor, cu coeficientul de frecare mic si conductivitatea termica redusa a polimerului.

Pentru aplicatii de anvergura, la acoperiri rezistente, este nevoie de o cercetare experimentala extinsa, avand in vedere sensibilitatea acoperirilor la fazele prezente in material.

Se va incerca aplicarea cvazi-cristalelor in cataliza, stocarea hidrogenului, generarea de termo-electricitate si drept absorbanti optici.