Классификация и требования к материалам электронной техники

Наиболее эффективными способами  промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава:

а) центробежная закалка; б) закалка на диске; в) прокатка расплава; г) центробежная закалка; д) планетарная закалка

 

На рисунке приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1–0,2 мм, так и широкие — до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава:

а) протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия  расплава);б) вытягивание нити из вращающегося барабана; в) вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 — расплав; 2 — охлаждающая жидкость; 3 — стекло; 4 — форсунка; 5 — смотка проволоки.

 

Во всех установках для закалки  из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.

Для получения тонкой аморфной проволоки  используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

В первом методе представленном на рисунке 4а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей. Во втором методе представленном на рисунке 4б) струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана, где затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре, рисунок 4в). Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2–5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.

 

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕТОДА ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

 

Разработаны методы получения аморфных пленок, ленты, проволок, волокон и порошков. Аморфную ленту толщиной 20–40 мкм используют для магнитных экранов, защищающих электрокабели от помех, для трансформаторов с низкими удельными потерями энергии, для магнитных головок магнитофонов и т. п. Из ленты и проволоки делают вибраторы, реле, пружины, сейсмодатчики и т. п. Высокопрочные волокна используют для армирования волокнистых металлических композитов и бетона аэродромных полос. Аморфные ленты — исходный материал для получения материалов с микрокристаллической (0,1–1,0 мкм) и нанокристаллической (менее 0,1 мкм) структурами, обладающими повышенной прочностью.

Методы получения аморфных материалов различны в зависимости от вида и  назначения материала. Для получения  лент, проволоки и порошков используют методы быстрой и сверхбыстрой кристаллизации, для получения тонких пленок — осаждение металла из паровой фазы на подложку, а для получения аморфных слоев на поверхности изделий — ионную имплантацию.

Наибольшее распространение в  производстве аморфных сплавов получил  способ получения лент закалкой продавливаемых через профильные сопла расплавов на вращающийся холодильник. Этот метод обеспечивает высокую производительность технологического процесса, необходимое качество и однородность продукции, возможность автоматического управления. Тот же принцип используется и при непрерывном производстве литой проволоки.

Подавляющая масса аморфных и нанокристаллических  материалов, выпускаемых промышленно в настоящее время в мире, относится к магнитомягким материалам. Годовые объемы производства сплавов этого класса исчисляются тысячами тонн, большая часть их объема — аморфные электротехнические стали (АЭС).

Конкурентоспособность АЭС определяется достигнутым уровнем удельных потерь при перемагничивании и стоимостью (при современных методах производства и технологиях), близкой к цене традиционных трансформаторных сталей. При этом существенным фактором является практически одинаковый уровень затрат и расход материалов при изготовлении обычных трансформаторов и из АЭС.

В настоящее время в США, Японии, Европе, странах Юго-Восточной Азии эксплуатируется более 100 тыс. единиц трансформаторов с магнитопроводами из аморфных электротехнических сталей. Недавно изготовлен и начал работать крупнейший в Европе трехфазный трансформатор 1600 кВ·А с сердечником из аморфной стали.

Производство и использование АЭС в России еще плохо развито, хотя парк трансформаторов, подлежащих замене вследствие выработки гарантированного ресурса, составляет не менее 130 тыс. единиц в год. Замена только этой части трансформаторного парка (без его расширения), благодаря уменьшению потерь холостого хода, дает экономию около 27 млн. кВт·ч/год. Для изготовления такого количества трансформаторов требуется около 3,5 тыс. т в год аморфной ленты. ЦНИИ Чермет и ВНИИ Метмаш разработали технологию и оборудование для производства аморфных сталей, позволяющие организовать их выпуск в таких количествах. Экономические расчеты показывают, что использование аморфных сталей в сердечниках силовых трансформаторов становится выгодным при цене сталей менее 3,3 дол./кг. Разработанная технология позволяет при указанных объемах производить аморфные стали, себестоимость которых укладывается в эти рамки и очень близка к себестоимости классических трансформаторных сталей.

Одна из важнейших причин сдерживания  развития аморфных электротехнических сталей в России — отсутствие жесткого ограничения потерь энергии в нормативной документации на отечественные силовые трансформаторы, как это было 10–15 лет назад, когда снижение уровня потерь энергии при перемагничивании не в несколько раз, а всего на 4–5 % считалось большим достижением в области энергосбережения.

Нанокристаллические сплавы появились  позже аморфных — их разработка и начало промышленного производства в мире относятся к началу 90-х гг. XX в. Объединение аморфных и нанокристаллических материалов в один класс и совместное их рассмотрение целесообразны, так как нанокристаллическая структура в технически важных случаях формируется на основе трансформации аморфного состояния. Наноматериалы также называют ультрадисперсными (УДМ).

УДМ используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов в атомной энергетике, в термоядерной технике (мишени для лазерно-термоядерного синтеза), в качестве добавок к моторным маслам, восстанавливающим поверхности трущихся деталей, как конструкционные сверхпрочные материалы (сопла), в качестве шлифующего и полирующего материала при финишинге (конечной обработке) изделий электронной техники — полупроводников, диэлектриков и т. п.

В оборонной промышленности УДМ  применяется в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок “Стелс”, в новых видах взрывного оружия (графитовая бомба — контейнер, начиненный высокопроводящим УДМ-П графитом, выводящим из строя энергосистемы противника). Трубчатые графитовые нановолокна (фуллерены), обладающие сверхвысокой прочностью, перспективны для армирования композиционной суперброни для танков и бронежилетов. Фуллерены используются также как элементная база в микро- и наноэлектронике, а также в качестве защитных покрытий, в частности для защиты от лазерного излучения.

В медицине УДМ применяют для  защиты персонала от рентгеновских  лучей (перчатки, фартуки и т.п. из резины с УДП-свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрого усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения, полученные в результате катастроф, боевых действий и т. п.).

Необычность свойств УДМ позволяет  утверждать, что начиная с 90-х  гг. ХХ в., научно-технический процесс стал определяться нанотехнологиями. В настоящее время специалисты, занимающиеся нанотехнологиями, вплотную подходят к решению вопроса о создании из нескольких атомов нужных структур, не существующих в природе, но смоделированных на компьютере специально для получения заданных свойств. В мире вопросам УДМ уделяется самое серьезное внимание. В конце 80-х гг. ХХ в. США и Япония ежегодно тратили на исследования в области УДМ 110–120 млн. дол. Рынок УДМ в США в 1996 г. составил 42 млн. дол., а в 2000 г. он уже оценивался в 154 млн. дол.

Метод, совмещающий в себе элементы литья и штамповки (обработка  металлов в полутвердом состоянии), основан на открытии, сделанном в Массачусетском технологическом институте в начале 70-х гг. XX в. Процесс, основанный на этом открытии был назван реолитьем (тиксолитьем или перемешиваемым литьем). Для тиксообработки необходимо наличие бездендритной структуры. Такая структура получается с помощью магнитогидродинамического перемешивания.

Полутвердоштампованные детали (автомобильные диски, тормозные цилиндры и клапаны, турбинные лопатки, кожухи, корпуса электродвигателей) вытесняют традиционно-штампованные, литье, вытачиваемые детали. Достоинства полутвердой штамповки состоят в возможности полной автоматизации процесса, высокой производительности (от 120 до 360 деталей в час весом от 20 г до 13,6 кг), отсутствии последующей механической обработки, снижении дефектов из-за усадки и образования пор при кристаллизации. К недостаткам процесса можно отнести высокую стоимость сырья, специфического оборудования, высокие требования к квалификации персонала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Золотухин И.В. «Физические свойства аморфных металлических материалов». М: Металлургия, 1986.
2. Стародубцев Ю.В. Аморфные металлические материала. Силовая электроника. №2, 2009 г.
3. Основы технологий отраслей национальной экономики / Под ред. В.В. Глухова: Учебное пособие. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. 246 с.