Время синтезировать камни?
Ученые всего мира не одно десятилетие бьются над совершенствованием производства керамических материалов под высокими статическими давлениями.
Между тем соответствующие оригинальные технологии были предложены в Украине еще в 70-х годах минувшего века. И… остались на бумаге.
Керамический ренессанс
Традиционно керамическая промышленность производила стекло, посуду, строительные и огнеупорные материалы. Сейчас уже трудно сказать, когда именно на промышленную арену вышла керамика, которую теперь называют высокотехнологичной. Возможно, первой ее разновидностью стал карбид кремния, производство которого одна из американских фирм начала около 100 лет назад. Уже тогда термин «керамика» приобрел более широкое значение: помимо традиционных материалов, изготовляемых из глин, к ней стали относить материалы, получаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов, нитридов…
Затем в «керамическую» сферу попали микрокомпьютеры и важнейшие элементы электронной техники: конденсаторы, подложки интегральных схем, термисторы… Сейчас же под керамикой понимают любые полукристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения.
Не так давно в мировых СМИ прозвучал прогноз о скором наступлении керамической эры. Утверждалось, что в истории человеческой цивилизации она займет место не менее важное, чем каменный или бронзовый век. Ученые понимают гиперболичность подобных прогнозов. Но при этом отдают должное перспективности развития керамики. Почему?
Керамика исключительно многофункциональна в сравнении с другими типами материалов. Среди ее видов есть такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры (обратное возможно далеко не всегда). Добавим сюда более высокие в сравнении с металлами коррозийную стойкость и устойчивость к радиационным воздействиям. Отсюда — долговечность керамических конструкций в агрессивных средах. К примеру, попытка замены в космических аппаратах магнитной керамики на полупроводниковые интегральные элементы не удалась. Оказалось, что последние под действием радиации перестают нормально функционировать.
Еще одно несомненное достоинство — доступность сырья. В том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные материалы.
Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов. Кроме того, она намного меньше влияет на окружающую среду, чем металлургическое производство.
О безопасности вообще разговор особый. Керамика со специальными электрическими свойствами позволяет создавать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупреждения взрывов (электрохимические детекторы, или сенсоры).
Незаменима керамика и в медицине. Такие материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, что позволяет использовать их для имплантации искусственных органов.
Керамика открывает возможности для создания разнообразных по свойствам материалов даже в пределах одной и той же химической композиции. Любое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов, размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства. Отсюда — перспектива дальнейшей микроминиатюризации приборов.
Это далеко не все из причин керамического ренессанса — важнейшей тенденции современного материаловедения. Объемы производства керамических материалов во многих странах мира растут необычайно быстро. Предполагается, что в ближайшие 20 лет мировой объем производства керамики вырастет в 10 раз. Мировые лидеры — США и Япония. Америка лидирует в области конструкционной керамики, предназначенной в первую очередь для металлообрабатывающих целей. Япония доминирует в области функциональной керамики (основного компонента электронных устройств).
Неэффективный эффект
Столь перспективное направление находится в сфере пристального внимания и украинских исследователей. Один из них — автор нескольких оригинальных разработок в области техники высоких давлений Виталий Адамович. Еще в 70-е годы минувшего века он создал принципиально новую схему объемного сжатия сыпучих веществ и специальную гидропрессовую установку, позволяющую создавать небывалые статические давления (причем в десятикратно больших рабочих объемах, чем существующие).
— В 60-е годы я работал ведущим конструктором в ОКТБ Института проблем материаловедения АН УССР, а затем — руководителем группы в научном отделе, — рассказывает Виталий Николаевич. — Мы занимались разработками в области высоких статических давлений. Это было время бума в создании металлического водорода, который астрофизики США предполагали получить в земных условиях при статическом давлении около 3 миллионов атмосфер. Я понимал, что в существующих мощных гидропрессах примитивных конструкций (высотой 35 метров и весом более 20 тысяч тонн) достичь таких давлений невозможно.
Существовавшая ранее схема объемного сжатия сыпучих веществ под высоким статическим давлением многократно описана в технической литературе. Это простенькие приспособления из 2—3 металлических трехслойных дисков, которые вставлялись в гидропрессы с одним силовым гидроцилиндром. Невозможно было достичь требуемого давления до 60 Кбар и в шестипуансонном аппарате. Требовалась принципиально иная конструкция, позволяющая при нарастании статического давления многократно уменьшать исходный объем исследуемого вещества с изначально низкой плотностью (к примеру, графитошихты для синтеза алмаза). Предложенная мной схема предусматривала механическую поддержку пирофиллитом утонченной части конусного пуансона, что позволяло максимально нагружать его автономным усилием гидроцилиндра. В результате рабочий ход увеличивался в десятки раз.
По словам Виталия Адамовича, разработанная им конструкция гидропрессовой установки универсальна, ее можно использовать для многих технических процессов, требующих сверхвысоких статических давлений. В ней шесть силовых источников давления: четыре гидроцилиндра работают на сжатие камеры высокого давления, а два изменяют форму поддержки пирофиллита в зоне внешнего каскада. Отсюда — многократно увеличенный рабочий ход пуансонов, осуществляющих нарастание давления в центре рабочей камеры. Установка позволяет достигать в твердой фазе 3 Мбар, в жидкости — 30 Кбар, в среде газа — 45 Кбар при температуре 1650 оС. А это, по расчетам ученых — теоретические условия перехода графита в алмаз чистой воды.
— В 1969 году, — продолжает Виталий Николаевич, — правительство выделило 50 миллионов рублей комплексному объекту АН СССР — Институту физики высоких давлений — для создания гидропресса усилием 50000 тонно-сил. А Новокраматорскому машзаводу выделили 20 миллионов рублей для проектирования и изготовления этого гидропресса высотой 34 метра и весом 5000 тонн. Его более полугода проектировали на НКМЗ около сотни специалистов. В нем ученые обещали синтезировать алмаз величиной с куриное яйцо и «кусок» металлического водорода. Я сообщил в Академию наук и Совмин СССР, что этот гидропресс — неработоспособная конструкция, и огромные деньги будут, что называется, выброшены на ветер. Впоследствии практика это подтвердила: в 1978-м после первого и последнего «эксперимента» эту груду металлолома благополучно оставили в покое.
Я изначально предлагал за те же деньги изготовить десять (!) разработанных мной гидропрессовых установок (каждая усилием до 25000 т-с, высотой 12 м, весом 350 т). Срок изготовления одной установки не превысил бы трех лет. Это позволило бы с уверенностью говорить о синтезе алмаза и попытке синтеза металлического водорода.
А для изготовления сверхпрочных керамических пластин небольших размеров для режущего инструмента нового поколения была разработана спецгидропрессовая установка усилием около 5000 т-с, высотой 6 м и весом 45 т. В ней реально достичь 70 Кбар в твердой фазе и синтезировать технический алмаз более крупных фракций.
Чтобы зачеканить керамические резцы в металлические буровые коронки, фрезы, нужна иная гидропрессовая установка для холодного формообразования с давлением рабочей жидкости 14—18 Кбар. Под таким давлением все металлы-сплавы переходят в пластическое состояние без нагрева. Путем обжатия в жидкости керамическая пластина «намертво» закрепляется в металлической обойме. Замечу, что разработанная мной жидкостная установка с диаметром рабочей камеры 200 мм, высотой 3,5 м и весом 25 тонн во много раз дешевле аналога производства швейцарской фирмы ASEA.
Наша страна реально могла стать мировым лидером по производству сверхпрочного режущего инструмента. Это сулило, естественно, огромный экономический эффект. Увы, тогда меня не услышали, как не слышали и много лет потом… Хотя я стучался во многие двери.
«Гладко было на бумаге…»
Из письма директора института сверхтвердых материалов, академика НАНУ Николая Новикова: «…Мультипликатор давления В.Н. Адамовича благодаря конструктивным особенностям… обеспечивает расширение технологических возможностей за счет повышения давления, развиваемого мультипликатором. Повышение рабочего давления в мультипликаторе достигается благодаря возможности обеспечить по мере его повышения пропорциональное скрепление наиболее нагруженных деталей — цилиндрической втулки и пуансонов. Это… рациональное техническое решение, что подтверждается его широким использованием в патентной литературе…».
Из письма кандидата технических наук, лауреата Государственной премии Украины в области науки и техники Алексея Мужилко: «Уважаемый Виталий Николаевич!.. По поручению «Гражданского контроля»… рассмотрен комплект поданных вами документов и материалов, а также ваша работа «Аппаратура, оборудование и методы создания максимально достижимых статических давлений»… Ваша работа достаточно интересна и оригинальна, … значительно опережает достигнутый уровень знаний. Считаем: для принятия окончательных решений по широкому внедрению ваших разработок необходимо провести научный семинар с привлечением отечественных и зарубежных ученых, работающих в разных областях науки и техники».
Из заключения участников научного семинара, состоявшегося в Киевском политехническом институте: «1. Работу В.Н. Адамовича в области создания гидропривода и гидропрессовых установок высоких параметров одобрить. 2. Для скорейшего завершения научно-конструкторских разработок целесообразно создать временный творческий коллектив из представителей заинтересованных предприятий и организаций…»
Однако, кажется, время синтезировать камни в Украине еще не наступило.
