Номер 4, страница 68 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел. Параграф 17. Свойства твёрдых тел. Темы докладов и проектов - номер 4, страница 68.

Условие.

4. Создание и применение новых материалов.

Решение.

3. Управление свойствами твердых тел.
Управление свойствами твердых тел — это комплекс методов, направленных на целенаправленное изменение их физических и химических характеристик (прочности, твердости, пластичности, электропроводности и др.) путем воздействия на их химический состав и внутреннюю структуру. Свойства материала определяются не только типом атомов, из которых он состоит, но и их взаимным расположением (кристаллической решеткой), а также наличием дефектов в этой решетке. Основные методы управления свойствами включают:
1. Термическая обработка. Этот метод заключается в нагреве материала до определенных температур, выдержке и последующем охлаждении с заданной скоростью.
- Закалка: Быстрое охлаждение нагретого металла (например, стали) для фиксации высокотемпературной структуры, которая при нормальных условиях является нестабильной. Это приводит к значительному увеличению твердости и прочности, но одновременно повышает хрупкость.
- Отжиг: Медленное охлаждение после нагрева, которое позволяет получить более равновесную, стабильную структуру, снять внутренние напряжения, повысить пластичность и облегчить обработку материала.
- Отпуск: Нагрев предварительно закаленного материала до относительно невысоких температур с последующим охлаждением. Этот процесс позволяет уменьшить хрупкость и внутренние напряжения после закалки, сохраняя при этом высокую твердость.
2. Механическая обработка (деформационное упрочнение). Пластическая деформация материала (например, ковка, прокатка, волочение) при температуре ниже температуры рекристаллизации. В процессе деформации в кристаллической структуре возникают и накапливаются дефекты, в первую очередь дислокации. Увеличение плотности дислокаций затрудняет их дальнейшее движение, что приводит к упрочнению материала — увеличению его прочности и твердости. Этот эффект называется наклепом.
3. Изменение химического состава.
- Легирование металлов: Введение в состав основного металла (например, железа) специально подобранных добавок (легирующих элементов, таких как хром, никель, молибден) для придания сплаву заданных свойств: коррозионной стойкости (нержавеющая сталь), жаропрочности, износостойкости и т.д.
- Легирование полупроводников: Введение в сверхчистый кристалл полупроводника (например, кремния $Si$) незначительного количества примесных атомов. Введение примесей V группы (например, фосфора $\text{P}$) создает избыток электронов и приводит к полупроводнику n-типа. Введение примесей III группы (например, бора $\text{B}$) создает недостаток электронов (дырки) и приводит к полупроводнику p-типа. Контролируемое легирование является основой создания полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, микросхем.
4. Химико-термическая обработка. Процесс, сочетающий термическое и химическое воздействие, при котором изменяется состав и структура поверхностного слоя изделия. Примеры: цементация (насыщение поверхности стали углеродом), азотирование (насыщение азотом) для повышения твердости и износостойкости.

Ответ: Управление свойствами твердых тел достигается через целенаправленное воздействие на их состав и микроструктуру. Ключевыми методами являются термическая обработка (закалка, отжиг), механическое упрочнение (наклеп), легирование (изменение химического состава металлов и полупроводников) и модификация поверхностного слоя, что позволяет получать материалы с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

4. Создание и применение новых материалов.
Научно-технический прогресс неразрывно связан с созданием новых материалов, обладающих уникальными свойствами, которые позволяют решать задачи, недоступные при использовании традиционных материалов. Разработка новых материалов ведется в нескольких ключевых направлениях:
1. Композиционные материалы (композиты). Это гетерогенные материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными свойствами, которые не растворяются и не смешиваются друг с другом. Обычно композит состоит из армирующего элемента (волокна, частицы), придающего прочность и жесткость, и матрицы (связующего), которая объединяет армирующие элементы и передает нагрузку.
- Примеры и применение: Углепластик (углеродные волокна в полимерной матрице) используется в аэрокосмической технике, автоспорте, производстве спортивного инвентаря благодаря высочайшему соотношению прочности к весу. Стеклопластик применяется в судостроении, автомобилестроении. Железобетон является классическим примером композита в строительстве.
2. Конструкционная (инженерная) керамика. В отличие от традиционной керамики, эти материалы создаются из сверхчистых порошков и обладают улучшенными механическими свойствами: высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и химической стойкостью.
- Примеры и применение: Оксид алюминия ($Al_2O_3$) и нитрид кремния ($Si_3N_4$) применяются для изготовления режущих инструментов, подшипников, деталей двигателей, работающих при высоких температурах. Диоксид циркония ($ZrO_2$) используется в медицине (зубные протезы) и для изготовления сверхпрочных ножей.
3. Наноматериалы. Материалы, структурные элементы которых (зерна, волокна, слои) имеют размеры в нанометровом диапазоне (от 1 до 100 нм). В таких масштабах начинают проявляться квантовые эффекты, и свойства вещества (механические, оптические, электронные) могут кардинально отличаться от свойств того же материала в макроскопическом состоянии.
- Примеры и применение: Углеродные нанотрубки и графен (моноатомный слой углерода) обладают рекордной прочностью и электропроводностью, что открывает перспективы их использования в электронике, композитах и медицине. Квантовые точки (наноразмерные полупроводники) применяются в дисплеях (QLED) и флуоресцентных метках для биологических исследований.
4. Метаматериалы. Искусственно созданные среды, чьи электромагнитные или акустические свойства обусловлены не столько составом, сколько особой периодической микроструктурой. Они могут обладать свойствами, не встречающимися в природе.
- Примеры и применение: Разрабатываются метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, которые могут стать основой для создания "плащей-невидимок" или суперлинз, позволяющих преодолеть дифракционный предел. Акустические метаматериалы используются для сверхэффективной звукоизоляции.
5. "Умные" материалы (Smart materials). Материалы, способные обратимо изменять свои свойства под воздействием внешних факторов, таких как температура, давление, электрическое или магнитное поле.
- Примеры и применение: Сплавы с памятью формы (нитинол), которые восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве, используются в медицине (стенты) и робототехнике. Пьезоэлектрики, генерирующие электрический заряд при деформации, применяются в датчиках и зажигалках.

Ответ: Создание новых материалов — это процесс разработки веществ с заранее заданными уникальными свойствами для нужд высоких технологий. Ключевыми современными классами материалов являются композиты, конструкционная керамика, наноматериалы, метаматериалы и "умные" материалы, находящие применение в авиации, электронике, медицине, энергетике и других передовых отраслях.