Факты об алюминии, которые поражают: как построили алюминиевый мост

Трудно переоценить пользу металлов и минералов для нашей Родины. В годы Великой Отечественной войны алюминий сыграл главную роль в авиастроении. А никель сделал обшивку для самолетов и танков прочнее.

А как сегодня инженеры и ученые используют свойства этих металлов? Как новые сплавы позволяют вывести авиа- и автопромышленность на новый уровень? Об этом рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Алюминий – легкий и прочный металл, который не боится коррозии

В России построили первый на всем Евразийском континенте алюминиевый мост. 70-метровая переправа через реку Линду в Нижегородской области сделана из легкого металла. Уникальное сооружение, которое открыли в конце 2023 года, уже назвали "вечным". Ведь оно не требует регулярного технического обслуживания.

"Гарантийная эксплуатация этого моста – более 50 лет. Практически не обслуживаемое изделие получается. По сравнению с остальными мостовыми конструкциями, которые следует обслуживать по истечении, допустим, 20 лет", – рассказал заместитель главного инженера строительного предприятия Андрей Котелкин.

Алюминиевые сплавы в несколько раз легче стали, но при этом:

• прочные;
• не боятся коррозии, перепадов температур;
• дешевле в производстве.

На заводе в Чебоксарах не просто собрали уникальную конструкцию, а переписали историю мостостроения.

Дело в том, что сварка – одна из самых больших статей расходов при сборке таких конструкций. Например, аргонно-дуговая, которую обычно используют при возведении стальных мостов, влетает в копеечку.

На чебоксарском предприятии запустили совершенно другой процесс – сварку трением с перемешиванием.

Это способ без плавления металла. Для него используют термостойкий бур, который вдавливают между двух деталей и быстро раскручивают. От трения металлы разогреваются и становятся как пластилин. Бур перемешивает размягченный сплав и таким образом соединяет элементы.

"Общий километраж сварных швов – около 11 километров сварки трением с перемешиванием. Если сравнивать с такими же технологиями аргонно-дуговой сварки, то экономия произошла где-то на 30% от всех экономических показателей. Основная сварка моста производилась на оборудовании производства чебоксарского предприятия", – пояснил Котелкин.

Во времена ВОВ даже алюминиевую посуду переплавляли для нужд авиации

Легкость, прочность и долговечность алюминия делают его идеальным не только для мостостроения. Как известно, это еще и главный "крылатый" металл. Свою надежность алюминий доказал во время Великой Отечественной. В условиях войны даже алюминиевую посуду переплавляли для нужд авиации.

Металл использовали не только в обшивке самолетов, но и при изготовлении двигателей, винтов, шасси. Это снижало вес крылатого бойца, а значит, увеличивало полезную нагрузку.

"Общий объем выпускаемых чисто алюминиевым сплавом самолетов составил не более 15–20% от всех самолетов. Но что это обеспечило? То, что самолеты стали летать со скоростью не 200–300 километров, а 600 километров. Высота полета поднялась до 7 тысяч. Дальность – до 3–4 тысяч километров", – уточнил кандидат технических наук, доцент института Георгий Кравченко.

В мирное время алюминий активно используется в автостроении

В мирное время серебристый металл стали активно использовать не только в авиа-, но и в автостроении. 

Например, современный немецкий седан, который отличается невероятной плавностью хода. Его кузов больше чем наполовину сделан из алюминия.

Как делают "прозрачный" алюминий и в чем его польза

А из чего делают "прозрачный" алюминий и для чего он нужен? Не поверите, но показанный в программе прозрачный материал в руках у химика не стекло – это металл. Прозрачный оксид алюминия не новый сплав. Но до недавнего времени его производство было сложным и дорогим.

Однако филиппинские физики нашли способ сделать материал дешевым. Процесс больше не требует использования мощных лазеров и вакуумных камер. Все, что нужно:

• вода;
• кислота;
• электричество.

"Метод назвали "анодированием в масштабе капель". На алюминиевую поверхность наносятся микрокапли кислотного раствора, а затем с помощью электрического тока изменяются свойства материала. В результате получается прозрачный и сверхпрочный слой. Материал сохраняет все преимущества алюминия: он легкий, устойчивый к коррозии и повреждениям", – объяснил экономист, президент Университета Атенео-де-Манила Роберто Яп.

Такие сверхпрочные прозрачные покрытия повысят безопасность и снизят вес автомобилей, самолетов и поездов. А еще могут заменить стекла на смартфонах или окна в домах.

Сера была основным компонентом боеприпасов

А без еще одного минерала невозможно производство боеприпасов. Дымовые шашки, гранаты, патроны для винтовок и снаряды для пушек – везде есть сера. Химический элемент был ключевым для создания взрывчатки во время Великой Отечественной войны.

Дзержинский завод имени Свердлова в годы войны был флагманом в обеспечении фронта взрывчатыми веществами. Предприятие выпускало десятки тысяч тонн тротила ежегодно.

Как уфимские ученые предлагают использовать серу для защиты домов от сырости

Однако и в мирное время опасной сере ученые нашли множество неожиданно полезных применений. Например, при строительстве домов.

"Газобетон очень хорошо пропускает влагу. В необработанной части вода проходит через стенки. В пропитанной части у нас ничего не происходит. Влага также остается", – рассказал старший преподаватель кафедры физической химии и химической экологии ИХЗЧС Уфимского университета науки и технологий Булат Ахметшин.

Водоотталкивающим газобетон сделала специальная пропитка, которую изобрели ученые из Уфы. Достаточно нанести состав на стройматериалы, как образуется покрытие из наночастиц серы.

"Оказалось, что наш раствор универсальный. В настоящее время на рынке есть зарубежные, отечественные препараты, которые пригодны для обработки строительных материалов. Но большинство из них годятся только для бетона. Наш препарат, все равно, какой это бетон или кирпич, керамический кирпич, или силикатный, или гипс, – все равно гидрофобиризирует любое изделие", – пояснил доктор технических наук, профессор кафедры физической химии и химической экологии ИХЗЧС Уфимского университета науки и технологий Исмаил Массалимов.

Ученые смешивают ее со щелочью и проводят термохимическую реакцию – это процесс, в ходе которого происходит выделение или поглощение тепла. В результате получается состав, способный продлить срок эксплуатации любой постройки.

"Никакие процессы: ни гниения, ни бактерицидные, никакие не проходят. Если обработать подвальное помещение или помещение, которое подвержено воздействию влаги, то в нем не будет образовываться плесень", – добавил Массалимов.

Советская броня для танков была прочнее немецкой из-за никеля в составе

Никель – это еще один металл, который сыграл огромную роль в победе в Великой Отечественной войне.

Больше всего уникальных технологий того времени принадлежит ученым Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов "Прометей". В годы войны он назывался "Броневым институтом".

"Была разработана первая модификация нашей брони, которая не соответствует импортным аналогам. Наша собственная броня. Если немецкая броня, которая оказалась достаточно хрупкой, содержала хром, молибден и ванадий, то наша броня содержала никель, молибден и хром", – пояснил генеральный директор НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" Александр Каштанов.

Усовершенствованный сплав никеля изменит будущее авиации

Но никелю под силу и не такое. Если во время Великой Отечественной он сделал броню самолетов прочнее, то сегодня металл способен изменить будущее авиации.

"Мы изучаем макроструктуру образцов металла с помощью электронных микроскопов. Сейчас я аккуратно зафиксирую металлический образец в специальном держателе. А эта лента поможет обеспечить нам корректную электропроводимость", – рассказал старший научный сотрудник лаборатории высокоэнтропийных материалов ЮУрГУ Маджид Насери.

Инновационный материал разработали в российской лаборатории. Ученые Южно-Уральского университета совместно с коллегами из Ирана, Китая, Арабских Эмиратов и Великобритании сделали сплав на основе никеля, железа и хрома тверже и долговечнее.

"Уже 20 лет как научное сообщество открыло новый класс материалов – высокоэнтропийные сплавы. То есть те, что содержат не менее пяти компонентов. Их главное преимущество по сравнению с традиционными – в комбинировании свойств. Но обычно такие сплавы содержат дорогостоящие элементы, такие как кобальт, хром, ванадий. Из-за этого их сложно внедрить в промышленность. Но наша команда заменила элементы на более дешевые – железо, никель, молибден, хром и ниобий", – пояснил Насери.

• Материалы смешали при температуре свыше 1500 °C.
• После остывания образцы загрузили в пресс-формы и проштамповали.

После нескольких циклов структура материала стала более однородной, а его свойства улучшились.

"Эксперименты показали, что после штамповки зерна металлов в сплаве становятся почти на 65% мельче. Это делает материал более прочным и устойчивым к дефектам, которые могут возникать при интенсивной эксплуатации. Это происходит благодаря тому, что циклическая штамповка укрепляет связи между компонентами сплава, делая его структуру более плотной и однородной", – добавил старший научный сотрудник.

Из прочного металла планируют делать корпусы и крылья самолетов. Это поможет снизить вес воздушных судов, то есть уменьшить расход топлива. Износостойкость сплава позволит выдерживать экстремальные температуры, а значит, он подойдет даже для сборки реактивных двигателей. Во многом благодарить за такие уникальные свойства материала надо именно никель. Как и раньше, он стоит на защите Родины, только теперь еще и в космосе.