Час синтезувати каміння?
Учені всього світу не одне десятиліття б’ються над удосконаленням виробництва керамічних матеріалів під високими статичними тисками.
Тим часом відповідні оригінальні технології були запропоновані в Україні ще в 70-х роках минулого століття. І… залишилися на папері.
Керамічний ренесанс
Традиційно керамічна промисловість виробляла скло, посуд, будівельні та вогнетривкі матеріали. Зараз уже важко сказати, коли саме на промислову арену вийшла кераміка, яку тепер називають високотехнологічною. Можливо, першим її різновидом був карбід кремнію, виробництво якого одна з американських фірм почала близько 100 років тому. Уже тоді термін «кераміка» набув ширшого значення: крім традиційних матеріалів, виготовлених із глин, до неї почали зараховувати матеріали, одержувані з чистих, простих і складних оксидів, карбідів, нітридів…
Потім у «керамічну» сферу потрапили мікрокомп’ютери та найважливіші елементи електронної техніки: конденсатори, підкладки інтегральних схем, термістори… Зараз же під керамікою розуміють будь-які напівкристалічні матеріали, одержувані спіканням неметалевих порошків природного або штучного походження.
Не дуже давно у світових ЗМІ пролунав прогноз: незабаром настане керамічна ера. Стверджувалося, що в історії людської цивілізації вона посяде місце не менш важливе, ніж кам’яний або бронзовий вік. Учені розуміють гіперболічність таких прогнозів. Але при цьому віддають належне перспективності розвитку кераміки. Чому?
Кераміка надзвичайно багатофункціональна в порівнянні з іншими типами матеріалів. Серед її видів є такі, які з успіхом заміняють метали та полімери (протилежне можливе далеко не завжди). Додамо сюди більш високі в порівнянні з металами корозійну стійкість і стійкість до радіаційних впливів. Звідси — довговічність керамічних конструкцій у агресивних середовищах. Приміром, спроба заміни в космічних апаратах магнітної кераміки на напівпровідникові інтегральні елементи не вдалася. Виявилося, що останні під дією радіації перестають нормально функціонувати.
Ще одна безперечна перевага — доступність сировини. У тому числі для одержання безкисневої кераміки типу карбідів і нітридів кремнію, цирконію або алюмінію, які заміняють дефіцитні матеріали.
Технологія одержання конструкційної кераміки, як правило, менш енергоємна, ніж виробництво альтернативних металевих матеріалів. Крім того, вона набагато менше впливає на навколишнє середовище, ніж металургійне виробництво.
Про безпеку взагалі розмова особлива. Кераміка зі спеціальними електричними властивостями дозволяє створювати високоефективні протипожежні системи та системи попередження вибухів (електрохімічні детектори, або сенсори).
Незамінна кераміка й у медицині. Такі матеріали мають більшу біологічну сумісність, ніж метали та полімери, що дозволяє використовувати їх для імплантації штучних органів.
Кераміка відкриває можливості для створення різноманітних за властивостями матеріалів навіть у межах тієї самої хімічної композиції. Будь-який керамічний виріб складається з величезної кількости кристалів, розмір, форма й відносне розташування яких визначають їхні властивості. Звідси — перспектива подальшої мікромініатюризації приладів.
Це зовсім не всі з причин керамічного ренесансу — найважливішої тенденції сучасного матеріалознавства. Обсяги виробництва керамічних матеріалів у багатьох країнах світу зростають надзвичайно швидко. Передбачається, що в найближчі 20 років світовий обсяг виробництва кераміки збільшиться у 10 разів. Світові лідери — США та Японія. Америка лідерує в галузі конструкційної кераміки, призначеної в першу чергу для металообробних потреб. Японія домінує в галузі функціональної кераміки (основного компонента електронних пристроїв).
Неефективний ефект
Такий перспективний напрям потрапив у сферу пильної уваги й українських дослідників. Один із них — автор декількох оригінальних розробок у галузі техніки високих тисків Віталій Адамович. Ще в 70-ті роки минулого століття він створив принципово нову схему об’ємного стискання сипких речовин і спеціальну гідропресову установку, яка дозволяє створювати небачені статичні тиски (причому в робочих обсягах, у десять разів більших за наявні).
— У 60-ті роки я працював провідним конструктором в ОКТБ Інституту проблем матеріалознавства АН УРСР, а потім — керівником групи в науковому відділі, — розповідає Віталій Миколайович. — Ми займалися розробками в галузі високих статичних тисків. Це був час буму в створенні металевого водню, який астрофізики США хотіли одержати в земних умовах при статичному тиску близько 3 мільйонів атмосфер. Я розумів, що в наявних потужних гідропресах примітивних конструкцій (35 метрів заввишки й вагою більше 20 тисяч тонн) досягти таких тисків неможливо.
Наявна раніше схема об’ємного стискання сипких речовин під високим статичним тиском багаторазово описана у технічній літературі. Це простенькі пристрої з 2—3 металевих тришарових дисків, які вставлялися в гідропреси з одним силовим гідроциліндром. Неможливо було досягти необхідного тиску до 60 Кбар і в шестипуансонному апараті. Була потрібна принципово інша конструкція, яка дозволяє при наростанні статичного тиску багаторазово зменшувати вихідний об’єм досліджуваної речовини з низькою густиною (приміром, графітошихти для синтезу алмазу). Запропонована мною схема передбачала механічну підтримку пірофілітом стоншеної частини конусного пуансона, що дозволяло максимально навантажувати його автономним зусиллям гідроциліндра. У результаті робочий хід збільшувався в десятки разів.
За словами Віталія Адамовича, розроблена ним конструкція гідропресової установки універсальна, її можна використовувати для багатьох технічних процесів, які вимагають надвисоких статичних тисків. У ній шість силових джерел тиску: чотири гідроциліндри працюють на стискання камери високого тиску, а два змінюють форму підтримки пірофіліту в зоні зовнішнього каскаду. Звідси — багаторазово збільшений робочий хід пуансонів, які нарощують тиск у центрі робочої камери. Установка дозволяє досягати у твердій фазі 3 Мбар, у рідині — 30 Кбар, у середовищі газу — 45 Кбар за температури 1650° С. А це, за розрахунками вчених — теоретичні умови переходу графіту в справжній алмаз.
— У 1969 році, — веде далі Віталій Миколайович, — уряд виділив 50 мільйонів рублів комплексному об’єкту АН СРСР — Інституту фізики високих тисків — для створення гідропреса зусиллям 50000 тонно-сил. А Новокраматорському машзаводу виділили 20 мільйонів рублів для проектування та виготовлення цього гідропреса висотою 34 метри й вагою 5000 тонн. Його більше півроку проектували на НКМЗ близько сотні фахівців. У ньому вчені обіцяли синтезувати алмаз завбільшки з куряче яйце й «шматок» металевого водню. Я повідомив Академію наук і Радмін СРСР, що цей гідропрес — непрацездатна конструкція і величезні гроші будуть, як то кажуть, викинуті на вітер. Згодом практика це підтвердила: у 1978-му після першого й останнього «експерименту» цій купі металобрухту благополучно дали спокій.
Я від самого початку пропонував за ті ж гроші виготовити десять (!) розроблених мною гідропресових установок (кожна зусиллям до 25000 т-с, висотою 12 м, вагою 350 т). Строк виготовлення однієї установки не перевищив би трьох років. Це дозволило б із упевненістю говорити про синтез алмазу й спробу синтезу металевого водню.
А для виготовлення надміцних керамічних пластин невеликих розмірів для різального інструменту нового покоління була розроблена спецгідропресова установка зусиллям близько 5000 т-с, висотою 6 м і вагою 45 т. У ній реально можна досягти 70 Кбар у твердій фазі й синтезувати технічний алмаз більших фракцій.
Щоб зачеканити керамічні різці в металеві бурові коронки, фрези, потрібна інша гідропресова установка для холодного формоутворення з тиском робочої рідини 14—18 Кбар. Під таким тиском всі метали-сплави переходять у пластичний стан без нагрівання. Шляхом обтиснення в рідині керамічна пластина «намертво» закріплюється в металевій обоймі. Зауважу, що розроблена мною рідинна установка з діаметром робочої камери 200 мм, висотою 3,5 м і вагою 25 тонн у багато разів дешевше аналога виробництва швейцарської фірми ASEA.
Наша країна реально могла стати світовим лідером із виробництва надміцного різального інструменту. Це обіцяло, звичайно, величезний економічний ефект. На жаль, тоді мене не почули, як не чули й багато років потім… Хоча я стукався в багато дверей.
Добре було на папері…
І з листа директора інституту надтвердих матеріалів, академіка НАНУ Миколи Новикова: «…Мультиплікатор тиску В.М. Адамовича завдяки конструктивним особливостям… забезпечує розширення технологічних можливостей за рахунок підвищення тиску, що розвивається мультиплікатором. Підвищення робочого тиску в мультиплікаторі досягається завдяки можливості забезпечити в міру його підвищення пропорційне скріплення найбільш навантажених деталей — циліндричної втулки та пуансонів. Це… раціональне технічне вирішення, яке підтверджується його широким використанням у патентній літературі…».
Із листа кандидата технічних наук, лауреата Державної премії України в галузі науки й техніки Олексія Мужилка: «Шановний Віталію Миколайовичу!.. За дорученням «Цивільного контролю»… розглянутий комплект поданих вами документів і матеріалів, а також ваша робота «Апаратура, обладнання та методи створення максимально досяжних статичних тисків»… Ваша робота досить цікава й оригінальна, … значно випереджає досягнутий рівень знань. Уважаємо: для ухвалення остаточних рішень із широкого впровадження ваших розробок необхідно провести науковий семінар із залученням вітчизняних і зарубіжних учених, які працюють у різних галузях науки й техніки».
Із висновку учасників наукового семінару, який відбувся в Київському політехнічному інституті: «1. Роботу В.М. Адамовича у галузі створення гідроприводу й гідропресових установок високих параметрів схвалити. 2. Для якнайшвидшого завершення науково-конструкторських розробок доцільно створити тимчасовий творчий колектив із представників зацікавлених підприємств та організацій…»
Однак, здається, час синтезувати каміння в Україні ще не настав.
