Сверх, сверх, сверх ...

Сверхчистые вещества. До недавнего времени технику удовлетворяли материалы, которые подходили под определение "технически или химически чистые". К первым, например, относились металлы с содержанием основного компонента 99,9%. Химически чистыми считались вещества, для которых этот показатель равнялся четырем девяткам - 99,99%.

После второй мировой войны требования техники к чистоте используемых веществ резко возросли. Понадобились материалы, очищенные не менее чем до пяти, а иногда и до восьми девяток. Атомная энергетика, к примеру, заказывала сверхчистые уран и торий, используемые в качестве ядерного горючего. Примесь бора в уране не должна была превышать стотысячных долей процента, иными словами, десятых долей грамма на тонну урана. Цирконий, идущий на оболочки урановых стержней, тщательно очищался от гафния. Графит для блоков урановых котлов подвергали специальной обработке, значительно уменьшающей примесь золы. Кроме того, атомной энергетике понадобились бериллий, цирконий, висмут, кадмий, литий, некоторые редкоземельные элементы - и все в сверхчистом состоянии.

Промышленности жаростойких материалов также оказались нужны сверхчистые вещества. Исследования показали, что сплавы хорошо противостоят нагреву в том случае, когда в них ничтожно мало примесей - меньше грамма на тонну. Наиболее вредные в этом смысле примеси - мышьяк, олово, свинец, висмут.

Еще более высокие требования у полупроводниковой техники. Определенных примесей не должно быть больше 10^-11% в алюминии, свинце, золоте, серебре, индии, висмуте, олове.

Надобность в сверхчистых веществах объяснялась еще и тем, что у многих из них обнаруживались свойства неожиданные. Скажем, железо и цинк обычно легко поддаются коррозии, но в хорошо очищенном виде успешно противостоят ей. Тугоплавкие металлы хром, ниобий, титан, вольфрам, молибден от века считались очень твердыми и в то же время очень хрупкими. После глубокой очистки они становятся податливыми: их удается прокатывать в фольгу. Сверхчистый алюминий легче технического. И чем лучше удается его очистить, тем он больше теряет в удельном весе. Кроме того, у него повышаются температура плавления, теплопроводность, электропроводность.

Очищенные германий и кремний служат для изготовления различных радиоэлектронных элементов, в частности, выпрямителей и усилителей. У этих устройств значительное преимущество перед традиционными электронными лампами. Они потребляют меньшую мощность, имеют более долгий срок службы, у них выше стойкость к вибрациям и ударам. Кроме того, все элементы на полупроводниках меньше по размерам. Не удивительно, что потребность в них растет год от года: мировое производство полупроводниковых диодов и транзисторов составляет несколько миллиардов штук в год.

Мощные кремниевые и германиевые выпрямители переменного тока нашли широкое применение в электротехнике, металлургии, на транспорте... Они обладают более высоким КПД по сравнению с другими видами трансформаторов, компактны, надежны в работе. Полупроводниковая техника воспользовалась и чистым селеном для производства детекторов, резонансных разрядников, люминофоров.

Квантовая электроника - еще одна область, требующая сверхчистых веществ. Оптические квантовые генераторы создавали сначала на основе монокристаллов рубина с небольшой добавкой окиси хрома. Сейчас же известно, наверное, около сотни различных соединений - рабочих элементов лазеров, и все они высокой степени чистоты. В твердотельных лазерах это сверхчистые окислы лантана, церия, иттрия, гадолиния и других редкоземельных элементов.

Космическая техника числится одной из первых в списке потребителей сверхчистых материалов. Прежде всего следует сказать о полупроводниковом кремнии, идущем на изготовление солнечных батарей. Каждая такая батарея состоит из определенного числа кремниевых диодов, преобразующих энергию Солнца в электрическую. Солнечные батареи стоят на искусственных спутниках Земли и космических кораблях.

Сверхочищенный цезий исследуют двигателисты. Они хотят приспособить его в качестве топлива для ионных ракетных двигателей. Такие двигатели будут мало весить, невелики по размерам и окажутся пригодными для корректировки орбиты спутников. Но, возможно, что появятся и мощные ионные двигатели на цезиевой плазме. По расчетам они в состоянии разогнать космический корабль до невероятной скорости - 160 тыс. км/ч.

В инфракрасных приборах нашли применение сверхчистые кристаллы хлоридов и бромидов кадмия и натрия, фториды лития и кальция, йодистый калий и т.д.

Развитие ядерной физики, атомной энергетики, применение радиоактивных изотопов потребовали создания разнообразной специальной аппаратуры для обнаружения и измерения ионизирующих излучений. Основной элемент подобной аппаратуры - счетчик, или детектор излучения. Он улавливает ионизирующее излучение и преобразует его в электрические сигналы. Счетчиками служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные устройства. В последних используют монокристаллы йодидов щелочных металлов.

В последние годы появились детекторы излучений на основе германия, кремния и других полупроводниковых материалов. По разрешающей способности они в десятки раз превосходят сцинтилляционные. Для изготовления новых счетчиков потребовался германий с ничтожной примесью кислорода - менее 10^-4%.

В МГД-генераторах найдет применение низкотемпературная цезиевая плазма. Чтобы получить ее, потребуется сверхчистый цезий.

Мы уже говорили о "преображении" алюминия под влиянием очистки. Помимо сказанного, следует добавить, что у него увеличивается отражательная способность. Полированный сверхчистый алюминий отражает до 90% света - на 10% больше, чем в обычном состоянии. Причем он отражает и видимую, и ультрафиолетовую части спектра. Сверхчистый алюминий - это покрытие рефлекторов и прожекторов.

Сверхтвердые материалы. В конце 1961 г. Киевский институт сверхтвердых материалов сообщил о получении первых синтетических алмазов. В последующие годы их производство значительно расширилось. Только за 10 лет (1962-1971 гг.) потребление алмазов в Советском Союзе возросло в 35 раз - в среднем на 45% в год. Природных кристаллов стало больше в 5,5 раза, а синтетических - в 295 раз! Сейчас в Советском Союзе из каждых 100 каратов алмазов, используемых в промышленности, 85 каратов приходится на долю искусственных, а при изготовлении алмазно-абразивного инструмента - 93 карата.

Каким же путем будет развиваться производство сверхтвердых материалов? Будут ли создаваться разнообразные марки алмазов для вполне определенных видов работы или лучше изготавливать один - два вида, но универсальных, пригодных для использования в разных областях? Специалисты склоняются в пользу первого пути. Они считают, что можно создавать кристаллы с заранее заданными свойствами для конкретных условий применения.

Киевским институтом сверхтвердых материалов создан целый ряд шлифовальных порошков, микропорошков и субмикропорошков из синтетических алмазов. Впервые в мире введен в действие стандарт на алмазные порошки. Он регламентирует прочность зерен для шлифовальных порошков, а для микропорошков - абразивную способность и шероховатость обработанной ими поверхности.

Алмазы марки АСО, идущие на приготовление шлифовальных порошков, имеют прочность в 5 раз меньшую, чем природные. Но в данном случае это положительный фактор: повышенная хрупкость обеспечивает высокие показатели при финишной обработке. Алмазы марки АСО обладают наивысшим коэффициентом шлифования, в 1,5-2 раза работоспособнее природных.

Благодаря твердым сплавам скорости резания в металлообработке возросли в 10 раз. Первое время с помощью абразивного инструмента из карбида кремния изготавливали инструмент простой формы с прямолинейным лезвием. Сегодня с его участием производят весь многолезвийный инструмент сложных профилей, а также многие виды штампов, деревообрабатывающие устройства, прокатные валки и т. д. Обработка твердых сплавов алмазным инструментом повышает эффективность их использования в несколько раз.

Изменились и режимы алмазной обработки. Раньше в основном применяли "щадящие" режимы, поскольку работали дорогими природными алмазами. Глубина шлифования измерялась сотыми долями миллиметров. Теперь же этот показатель увеличился в 10-20 раз! Производительность обработки выросла в десятки раз- до 2000-10 000 мм³/мин, а стоимость упала в 2-3 раза.

В Советском Союзе получены синтетические алмазы сорта "баллас" и "карбонадо", выпускаются "кубонит" и "эльбор", создан новый сверхтвердый материал "славутич". Все они хорошо зарекомендовали себя на различных видах работ. Славутичем, например, оснащены буровые долота, мерительный инструмент.

Промышленный потенциал высокоразвитой страны в большой мере определяется количеством сверхтвердых материалов, используемых в технике. Расчеты показывают, что если полностью перейти на алмазную обработку, то на 1 млн. т стали потребуется 400 тыс. каратов алмазов. В 1970 г. во всем мире выплавлено 566 млн. т стали. Для ее обработки потребовалось бы 180 млн. каратов (без учета потребностей СССР). На самом же деле использована только четвертая часть этого количества. Выводы, как говорится, напрашиваются сами.

Сверхлегкие конструкционные материалы. Наиболее легкие материалы можно получить при легировании литием магния. У этих сплавов небольшой удельный вес - 1,3-1,65 г/см³, хорошие прочностные характеристики и повышенная пластичность. Их можно обрабатывать даже при комнатной температуре.

Конструкции из магниево-литиевых сплавов отличает высокая жесткость. По этому параметру они превосходят конструкции того же веса из стали и титана. У легких сплавов повышенная теплоемкость, они хорошо переносят низкие температуры, выдерживают удары высокоскоростных частиц. Все эти свойства делают магниево-литиевые сплавы незаменимыми в авиации и космонавтике.

Не удивительно, что именно из них изготавливают части ракет и комических кораблей. Например, в США они использованы в ракете "Аджена", что позволило снизить ее вес на 22 кг. Кожух и крышка приборного отсека ракеты "Сатурн 1-В" стали весить наполовину меньше, когда их сделали не из алюминия, а из магниево-литиевого сплава. Выигрыш в 20 кг принес тот же сплав, использованный в конструкции счетно-решающего устройства космического корабля. Это не так уж мало: уменьшение веса ракеты всего на 1 кг приносит экономию в 22 тыс. долларов.

Магниево-литиевая броня сможет надежно защитить космические корабли от метеоритов. Она же годится для военных целей. Так, из нее был изготовлен корпус бронетранспортера: машина стала легче и в связи с этим более маневренна.

Новые сплавы хорошо работают при сверхнизких температурах. Поэтому специалисты прочат их в строительный материал для хранилищ криогенных жидкостей, в частности криогенного топлива. Различные организации изготавливают сейчас довольно большой ассортимент изделий из магниево-литиевых сплавов. Выпускаются, например, рамы, кронштейны, облицовочные плиты и листы, коробки для электронных приборов, детали гироскопов, тепловые щиты и экраны. В самолетостроении легкий и прочный материал служит для изготовления аварийных трапов, дверей, обтекателей - всюду, где требуются высокая технологичность материала и повышенная удельная жесткость.

Магниево-литиевые сплавы со специальными физическими свойствами могут быть использованы в химическом машиностроении, радиотехнике, радиоэлектронике и т.д. Сейчас трудно определить все области, в которых имеет смысл внедрять сверхлегкие сплавы.

Можно только сказать, что они понадобятся повсюду, где решающий показатель для конструкций - вес и где нужен материал необычных физических свойств.

Сверхтекучие жидкости. Известна фотография: у двух одинаковых цистерн стоят пожарные и наполняют их из брандспойтов. Из одной цистерны уже льется через край, а в другой не долито еще на четверть объема. Шланги у пожарников одного диаметра, подают воду одинаковые серийные насосы, заливка цистерн продолжается одно и то же время... Условия во всем одинаковые, а результаты - разные. Просто к одному из брандспойтов подают воду с добавкой полиокса - полимерного вещества с высоким молекулярным весом. Оно сделало воду в первой цистерне сверхтекучей, та потекла по шлангам в несколько раз быстрее и быстрее заполнила первую емкость.

Полиокс - это полиэтиленоксид, вещество, отличающееся от известных полимеров окиси этилена очень большой длиной своих молекул. Молекулярный вес необычного полимера может сильно меняться - от 100 до 500 тыс. Полиокс полимеризуется таким образом, что в ходе реакции его линейная молекула растет: каждое новое молекулярное звено поочередно присоединяется к концу уже готовой цепи.

Одно из замечательных свойств полиокса в том, что он может растворяться в воде в любых соотношениях. Между ним и водой образуется прочная молекулярная связь. Она заставляет молекулы воды вытягиваться вдоль длинных полимерных молекул. Именно поэтому водный поток с добавкой полимера становится сверхтекучим, обретает большую подвижность. Достаточно смешать с водой ничтожное количество полиокса, как она потечет в 2,5 раза быстрее обычного.

Исследования показывают: происходит это потому, что в текущей воде исчезают турбулентные потоки. Предположим, что скорость струи в трубе решено увеличить вдвое обычным способом, применив более мощные насосы. Тогда мощность соответственно придется поднять в 8 раз. Такое увеличение объясняется тем, что основная часть энергии будет тратиться на образование вихревых потоков. Молекулы полиокса так "выстраивают" молекулы воды, что те образуют определенные структуры, которые гасят водные вихри и уменьшают трение внутри струи; вода становится сверхтекучей.

Многие тонны бетонного раствора поступают на строительные площадки. В трубах бетонная пульпа часто расслаивается: на выходе появляется одна вода, а твердое составляющее оседает. Полиокс, добавленный в раствор, сделал его "более быстрым", он не успевает стать неоднородным. И тут же выявилось еще одно свойство полимера - он сгущал бетонный раствор.

В Среднеазиатском научно-исследовательском институте природного газа проводились исследования другого полимера со свойствами полиокса. Это полиакриламид - линейный полимер с молекулярной массой в несколько миллионов. Эксперименты показали, что после добавки 0,01-0,1% полиакриламида коэффициент гидравлического трения снижается на 50-80%. Вода с 0,07-процентной добавкой била из шланга вдвое дальше. Полиакриламид уменьшает коррозию стальных и чугунных труб. Следует отметить, что с его помощью удается гораздо дольше держать воду в сверхтекучем состоянии, чем с помощью полиокса.

Ученые объясняют действие полимера тем, что длинные цепочки его молекул ориентируются по оси потока и тем самым влияют на его структуру. Гипотеза была проверена простым экспериментом. Полиакриламид добавили в кислую среду. Известно, что в ней молекула этого вещества становится похожей на запутанный клубок, явление сверхтекучести не должно иметь место. Что и подтвердилось. А в нейтральной и щелочной среде, где молекулы имеют вид нитей, наблюдалась сверхтекучесть.

В институте было исследовано и другое высокомолекулярное соединение - полиизобутилен. Десятые доли процента его добавляли в дизельное топливо и газовый конденсат Лубарекского месторождения, которые прокачивали по гидравлической системе из трубопроводов, насоса и резервуаров. При движении потока со скоростью 5 м/с удельные потери напора уменьшались на 30-60%. Уменьшалась и потребная мощность электродвигателя насоса на 5%.

В Советском Союзе более 2 млн. га полей орошается машинным способом. В ближайшие годы масштабы применения машинного способа возрастут. Дополнительно потребуется громадное количество энергии. Ее" ли воду, идущую на поля, сделать сверхтекучей - снизить потери на сопротивление в трубопроводах хотя бы на 15-20%, то, возможно, удастся сэкономить количество энергии, вырабатываемое двумя-тремя такими электростанциями, как Нурекская. Придать воде сверхтекучие свойства имеет смысл и при осушении болот, в тепловых сетях, системах охлаждения.

Сверхнизкое трение. Статистические подсчеты показывают, что современные машины и механизмы выходят из строя в основном из-за износа трущихся деталей. Простои приносят миллиардные убытки. Считалось, что износ вызван только механическими причинами. Твердые частицы, попавшие между трущейся парой, оказывают на поверхности режущее действие. Были попытки полностью исключить попадание твердых частиц в плоскость контакта. Однако это не устранило износа. Другая гипотеза указывала на атомарно-молекулярное схватывание твердых тел - молекулярную сварку. Впоследствии сварное соединение разрушалось и начинался износ.

Истинную картину износа установил следующий эксперимент. Два прозрачных цилиндра прижали друг к другу торцами, и один из них заставили вращаться вокруг общей оси. Затем через цилиндры пропустили пучок света. Проявились отдельные светлые пятна. Это были те места, в которых торцы цилиндров касались,- свет проходил через них, не преломляясь. Площадь пятен невелика, поэтому здесь возникают очень высокие давления, сильный нагрев. В зонах касания образуются знакопеременные напряжения: они сжимают поверхность перед ними, а за ними - растягивают. Эти напряжения приводят к механическому и термическому разрушению поверхностного слоя. Происходит сдвиг частиц.

Препятствовать износу, по мнению специалистов, можно было с помощью смазки, увеличивая твердость поверхностного слоя. Однако хороших результатов получить пока не удалось. Советские ученые И.В. Крагельский и Д.Н. Гаркунов нашли новый метод борьбы с износом, который позволяет осуществить практически безызносное трение. Его суть в том, что прочность тончайшего поверхностного слоя предельно снижается, он освобождается от пленок окислов. Поверхностный слой становится очень подвижным и обеспечивает быструю релаксацию возникающих при трении напряжений и восстановление дефектов. Работа ученых зарегистрирована как научное открытие.

Процесс избирательного переноса складывается поэтапно. Сначала происходит избирательное растворение атомов. Из твердого раствора, скажем, из медного сплава, контактирующего со стальной поверхностью, переходят в смазку ионы олова, свинца, цинка. На поверхности сплава образуется двойной электрический слой, который не дает больше развиваться этому процессу.

Итак, остаются ионы чистой меди, которые обволакиваются смазкой. При движении обеих поверхностей между ними возникает электростатическое поле. Под его влиянием коллоидные частицы и ионы металла начнут двигаться в сторону противоположно заряженной поверхности. При трении меди о сталь последняя заряжается отрицательно, а медь - положительно. В результате движения частиц обе поверхности окажутся покрытыми тончайшими слоями меди. Перенос частиц закончится, поверхности станут зеркально-гладкими, сила трения уменьшится в 10 раз, и износ практически прекратится.

Таким образом, можно уверенно утверждать, что более износостойко твердое тело с мягким поверхностным слоем на твердой подложке. Последние исследования авторов показали, что избирательный перенос осуществляется для пар трения из разных и одинаковых материалов. Для одноименных пар необходима металло-плакирующая смазка, содержащая частицы меди или другого металла.

Другой способ достижения сверхнизкого трения разработан советскими учеными Е.А. Духовской, В.С. Онищенко, А.Н. Пономаревым, А.А. Силиным, В.Л. Тальрозе. Они предложили обрабатывать поверхности радиационной бомбардировкой. Ударяющиеся о них частицы отдают энергию материалу, возбуждают его атомы. Те перераспределяют между собой полученную энергию и в результате происходит "залечивание" микродефектов. Поверхность становится идеально гладкой. Правда, пока практическому применению способа препятствуют конструктивные сложности: облучение должно происходить в вакууме. Но в космических устройствах использовать его вполне реально.

Итоги девятой пятилетки показывают, что четыре пятых национального дохода получено за счет повышения производительности общественного труда. Производительность труда в промышленности повысилась на 34%, строительстве - на 29, на железнодорожном транспорте- на 24%. Выпуск продукции машиностроения - одной из отраслей, в наибольшей мере определяющей технический прогресс и эффективность народного хозяйства, - увеличился в 1,7 раза, в том числе вычислительной техники - в 4 раза, приборов и средств автоматизации - в 1,8 раза. И многие высокопроизводительные, высокоточные, ультрасовременные устройства используют сверхъявления.

Эту же тенденцию - еще большего использования сверхъявлений - мы будем наблюдать в десятой пятилетке. Ведь партия и правительство много внимания уделяют техническому перевооружению производства, широкому внедрению прогрессивной техники и технологии. В партийных документах говорится об исследованиях, открывающих новые пути и возможности для преобразования производительных сил страны, создания техники и технологии будущего. А это значит, что должное место в подобных работах отводится и использованию сверхъявлений.