Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
191
носителей заряда фотонами (квантами энергии упругих колебаний,
обусловленных смещением атомов и молекул в кристалле), и в
результате подвижность носителей возрастает, замедляются
электромиграционные процессы.
Логические интегральные схемы с самой высокой плотностью
упаковки элементов могут быть изготовлены на
полупроводниковом кристалле. Ширина линии, или минимальный
размер элементов схемы может составлять 0,5 мкм, что примерно
равно
1/150 толщины человеческого волоса. Большинство обычных
интегральных схем имеет ширину линии 1-2мкм. Столь высокая
плотность упаковки достигнута благодаря тому, что для
формирования рисунка схемы использовалось не оптическое
излучение, а пучок электронов.
Биосхемы, как и логические интегральные схемы,
представляют определенный интерес в области новых технологий,
т.е. изготовление кристалла из органических
(углеродосодержащих
) молекул или из биологически активных
(или подобных им) молекул.
В электронной промышленности успехи в немалой степени
определяются достижением в области магнитных материалов. Один
из вариантов запоминающего устройства представляет собой
жесткий алюминиевый диск диаметром 350 мм с покрытием из
оксида железа, вращающегося с частотой 3000 об/мин. Такая
частота вращения соответствует линейной скорости
периферийных
точек диска более 160 км/час. Над вращающимся диском находится
магнитная головка, предназначенная для записи и считывания
данных. Фирма IBM (США) разработала головку, в которой
традиционная катушка из намотанного провода заменена
тонкопленочным проводником, осажденным в виде спирали на
поверхность кремниевой подложки. Магнитный сердечник
изготавливают из пермаллоя-сплава железа с никелем. Другим
решением является исключение магнитной головки вообще,
заменив ее магнитооптическими материалами. Наиболее
перспективными среди них являются пленки из аморфных сплавов,
содержащих редкоземельные элементы, такие, как гадолиний и
тербий, а также переходные металлы такие, как железо и кобальт. В
таких конструкциях используются лазерные устройства для
считывания данных на диске.
192
Материалы для фотоники. Успехи в создании материалов
для фотоники сопоставимы с достижениями в получении
сверхчистого кремния электроники. Стекло является наиболее
известным материалом фотоники.
Медь вытесняется стеклом, используемым в качестве
материала для соединений, по мере того, как на смену электронным
приходят фотонные системы связи. Почти все вновь проложенные
кабели для дальней связи
и многие новые местные кабели для
местной связи – оптические. Кроме того, стекловолоконные
световоды находят все большее применение в самих электронных
машинах.
Материалы для информатики и связи должны донести
световой сигнал на большее расстояние, она также должна быть
способной в передатчике превратить электрический сигнал в
световой, а в приемнике - преобразовать свет
обратно в
электрический сигнал. Для этих целей в материаловедении созданы
совершенно новые полупроводниковые соединения, свойства
которых абсолютно не похожи на свойства кремния. Новые сплавы
называют полупроводниковыми соединениями типа А
111
– В
V
по
номерам группы в периодической системы, к которым
принадлежат составляющие их элементарные компоненты. Они
используются в различных твердотельных лазерах и
светоизлучающих диодах для генерации световых сигналов, в
электрических повторителях, усиливающих сигнал после
прохождения через волокно, и в детекторах, превращающих сигнал
в электронный импульс.
Эволюция фотонной технологии привела, таким образом, к
сложному симбиозу фотоники и электроники: информация,
передаваемая только фотонами, генерируется, обрабатывается и
сохраняется устройствами, в которых существенную роль играют
как фотоны, так и электроны. Материалы для фотоники, как и
материалы для электроники- необязательно однородные. Напротив,
они являются чрезвычайно сложными композитами. Качество
очистки силикатного стекла (SiO
2
), применяемого в настоящее
время в оптических волокнах с малыми потерями (концентрация
включений: медь, железо, ванадий, гидраксиламон), которые
составляют несколько долей на миллиарды.
193
Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры
и степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один
микрометр на многие километры длины.
Такие материалы как фторид циркония, триселенид мышьяка,
иодид калия, состоят из слабосвязанных атомов относительно
большой массы и поэтому абсолютно прозрачны для
инфракрасного света с длиной волн от 2000 до 5000 нм. В
отличие
от кристаллических волокон производство стеклянных волокон -это
искусство, которое уже стало высокомеханизированным в
индустриальном масштабе.
Если световое излучение когерентно, тогда оптический
прибор начинает работать, как лазер. Это возможно осуществить на
основе сложных эпитаксиальных и строго легированных
материалах. Эпитаксиальные технологии дали дорогу новому
направлению в фотонике - инженерии запрещенной зоны, которая
позволяет получать новый материал. Такие смеси являются
тройными соединениями. К примеру, вариацией относительного
содержания галлия и алюминия ширину запрещенной зоны
тройного соединения арсенид галлия-алюминия можно
произвольно менять в пределах значения от 1,4 до 2,2 эВ,
соответствующих арсениду галлия и арсениду алюминия. Свет
распространяется в волноводах, Электронно - оптический
переключатель на кристалле ниобата лития
может управлять
световым потоком. Свет распространяется в волноводах,
образованных на кристалле окружающим материалом с меньшим
показателем преломления. Активный элемент не просто пассивно
пропускает свет, он также взаимодействует со светом, генерируя,
моделируя или переключая его.
Лазер на гетеропереходах делается из нескольких
полупроводниковых слоев разного состава и по-разному
легированных. Структура запрещенной
зоны в слоях вокруг
светоизлучающей области выполнена так, чтобы удерживать как
носители заряда, так и излученный свет. Большая ширина
запрещенной зоны окружающих слоев мешает попавшим в
светоизлучающую область электронам и дыркам покинуть ее.
Меньший показатель преломления окружающих слоев задерживает
свет точно так же, как это делает оболочка оптического волокна.
Материалы для
системы информации и связи.
Информация перерабатывается сетями кристаллов и передается
194
потоком электронов и фотонов по еще более разветвленным сетям
медных кабелей и стеклянных волокон. Постоянное расширение
функциональных возможностей систем информатики и связи
зависит от успехов в области разработки новых материалов.
Функциональная нагрузка современных электронных машин и без
данных довольно высока. Для достижения этого сначала пришлось
научить генерировать и передавать электрические сигналы
, затем
управлять ими, усиливать и переключать их. Каждый шаг вперед
связан с использованием новых материалов или методов обработки,
более изощренных по сравнению с теми, которые не
использовались на предыдущей стадии развития.
Так, в конце XIX века функция электрических систем
сводилась к генерации и передаче электрической энергия. Для
выполнения этой простой задачи
нужны были самые обычные
материалы: железо для поддерживания магнитных полей в
генераторах, медь в качестве проводника электрического тока и
стекло для изоляции цепей. Вначале электрический ток можно
было включать и выключать лишь механически. В 1906 г. был
изобретен вакуумный триод, стало возможным электронное
управление электрическими цепями. Чтобы сделать электронные
лампы им
понадобились такие материалы, как вольфрам и торий,
для изготовления катодов, испускающих электроны. Вакуумный
триод вплоть до 50 годов оставался главным компонентом всех
электронных систем.
Для более сложных тем был изобретен в 1948 г.
полупроводниковый транзистор. Он требовал в 10
6
раз меньше
мощности. На базе транзистора были настроены цифровые
компьютеры. Для изготовления полупроводниковых приборов в
материаловедении основное внимание было перенесено на
вещества такие, как германий и кремний.
С появлением компьютеров на транзисторах стали создаваться
машины, предназначенные для переработки информации
В конце 50-х годов в связи с разработкой интегральных схем
размеры
транзисторов существенно уменьшились. В интегральной
схеме транзисторы, резисторы, конденсаторы,и соединения между
ними изготавливаются на единой пластине из полупроводникового
материала. Для изготовления таких пластин (подложек)
наибольшее распространение получил кремний. В этой связи была
разработана технология выращивания бездефектных кристаллов
195
кремния и повышения плотности размещения элементов на
монокристаллической подложке. Это объединение на микроуровне
привело к резкому увеличению функциональных возможностей
систем обработки информации.
Потребность в задаче больших обьемов информации
обусловило развитие в технике - фотоники. В фотонной системе
информация передается импульсами света. Источником света
может быть полупроводниковый лазер или светоизлучающий диод,
а пропускающей
средой - волоконный световод из кварцевого
стекла толщиной не более диаметра волоса. Световые импульсы
(несущие информацию) можно передавать по световоду с гораздо
большей скоростью, чем электрические системы по коаксиальному
кабелю.
Развитие фотоники ускорилось после изобретения лазера в
1958 г. Материаловеды разработали лазеры на основе
многокомпонентных полупроводниковых соединений, таких как
арсенид – фосфид,
индий-галлий и нашли способы изготавливать
стекло настолько чистое и прозрачное, что световодный сигнал
может пройти по нему сотни километров, прежде чем его
потребуется восстанавливать.
Фотонный компьютер может перерабатывать информацию в
1000 раз быстрее электронного. Подавляющая часть
материаловедения и основная доля стоимости в современной
информационной системе или системе связи приходится на
реализацию такой простой функции, как обеспечение перемещения
электронов и фотонов из одной точки пространства в другую.
Алюминиевые проводники, соединяющие элементы схемы на
кремниевом кристалле, обычно имеют длину всего несколько
микрон. Изготавливают многослойные печатные платы (до 8-и
слоев на органической основе, покрытой эпоксидной смолой).
Разработка полевых транзисторов позволила более близко
подойти к
пределу интегральных схем. Не большее напряжение,
прикладываемое к металлическому затвору над каналом, управляет
потоком электронов или положительных дырок от истока к стоку.
Эти области приобретают нужные электрические свойства после
легирования кремния примесными атомами. Исходя из
потребляемого числа примесных атомов, можно найти
технологический предел минимальных размеров транзисторов:
менее 400 постоянных решеток по 1-
й оси координат. Для кремния
196
постоянная решетки составляет 5,4 · 10
-8
см. Поэтому минимальный
практический размер транзистора составляет 10
-4
см по одной из
осей координат, а его площадь – 10
-8
см
2
. Таким образом на одном
кристалле размещается 100 млн. транзисторов.
Лазеры необходимо улучшать по крайней мере в двух
направлениях:
Во- первых, они должны генерировать гораздо более
«чистый» свет, при помощи лазера, излучающего одну
спектральную линию на целом ряде выбираемых частот.
Во – вторых, в фотонной технологии должна применяться
технология молекулярно – лучевой эпитаксии.
Во
всем мире широко используется дисплей на основе
жидких кристаллов, магнитные диски для хранения информации
заменяются оптическими дисками. Для разработки портативных
приемников, телевизоров и компьютеров остро стоит задача
источников электрического питания.
§5. Материалы для аэрокосмической техники
Разработка новых материалов наряду с достижениями в
технологии изготовления деталей, будет играть ключевую роль в
авиационно-технических системах будущего. Среди материалов
будущего это прежде всего композиты и сплавы для деталей
конструкций, суперсплавы: керамические и стеклокомпозиты для
двигателей, и углерод - углеродистые композиты (углеродные
волокна в углеродной матрице) для применения в условиях
высоких температур и в местах, где жаростойкость и способность
противостоять
абляции (уносу массы с поверхности твердого тела потоком
горячих газов) являются критическими
Например, «Восточный экспресс», разрабатываемый в США, -
это летательный аппарат, который должен стартовать с обычной
взлетной полосы, проходить сквозь плотные слои атмосферы и
лететь с большой скоростью за пределами атмосферы.
Заатмосферный летательный аппарат бросает вызов разработчикам
новых материалов, поскольку он должен двигаться с высокой
скоростью как в атмосфере, так и за
ее пределами. Предполагается,
что аппарат сможет пересечь воздушное пространство над Тихим
океаном менее чем за два часа.
197
В том, что касается изготовления деталей и конструкций,
основной целью является снижение веса, а, следовательно, и затрат
на топливо. В виде “сэндвичевой” структуры, состоящей из двух
тонких слоев титана и составного титанового напыления. Конусная
носовая часть, например, шаттла может служить примером
использования новых материалов в аэрокосмических конструкциях.
Конус сделан из углеродного
композита “многоразового
использования”, состоящего из слоев: углеродного волокна с
углеродом в качестве связующего материала и с покрытием из
карбида кремния. Материал предназначен для того,чтобы
противостоять тепловому воздействию во время вхождения
корабля в плотные слои атмосферы. Конус подвергается проверке
при температуре 1300
0
С. Например, титановая заготовка ракетной
пусковой установки F-15 формируется в условиях
сверхпластичности, т. е. подвергается сильной деформации при
температуре ниже точки плавления металла. Сверхпластичное
прессование является примером взаимосвязи между структурой и
процессом: для того чтобы выдержать такую сильную деформацию,
металл должен иметь чрезвычайно тонкую зернистую структуру.
Для камеры сгорания двигателей у
звуковых самолетов
используются тугоплавкие материалы и интерметаллические
соединения (титан-алюминий, никель, алюминий и др.),
конструкционная керамика (карбид кремния , нитрид кремния),
углерод - углеродные композиты).
Двигательные системы заатмосферных самолетов
охлаждаются жидким водородом, при этом он нагревается и
превращается в газ, который и служит топливом. Необходимыми
материалами для этих двигателей являются сплавы на основе
никеля и карбида с соответствующим жаростойким покрытием.
Внешняя оболочка заатмосферного космического корабля
нуждается в интенсивном охлаждении жидким металлом, поэтому
она выполняется, как правило, трехслойный: внешний слой
термоустойчивого металлического сплава, затем слой
изолирующего материала, и третий слой состоит из органического
композиционного материала. Другой важной частью конструкции
должен стоять криогенный резервуар, теплоизолирующая
емкость
для поддержания низкой температуры жидко - водородного
топлива. Резервуар обычно изготавливают из нетеплопроводного
материала, который практически не проводит тепло. Для спутников
198
и ракет нужны прочные и твердые материалы, с малым удельным
весом, жаростойкие, малорасширяющиеся – применяются при
высокой температуре окружающей среды и обладающие большей
электро - и теплопроводностью.
Основная концепция в материаловедении будущего для
аэрокосмической техники – это возможность получать материалы с
требуемыми свойствами (рис. 27.). Одним из высших достижений
материаловедения является получение абсолютно новых сплавов
быстрого отверждения. Ключевым материалом здесь являются
форсированное охлаждение материала, находящегося вначале в
жидкой фазе, до твердого и порошкообразного состояния с
последующим прессованием. Скорость охлаждения может
превышать миллион градусов в секунду. Этот процесс придает
алюминиевым сплавам большую удельную прочность, твердость и
жаропрочность. Последующая механическая обработка не влияет
на свойства материалов, поэтому
они могут применяться для
изготовления деталей обычными методами. Перспективными в
материаловедении являются современные технологии:
сверхпластическая деформация, дифузионное соединение и
изготовление по “точной форме”. При сверхпластической
деформации существенное изменение формы материала
происходит под воздействием высоких температур и низкого
давления.
Основная концепция в материаловедении будущего для
аэрокосмической техники – это возможность получать материалы с
требуемыми свойствами. Одним из высших достижений
материаловедения является получение абсолютно новых сплавов
быстрого отверждения. Ключевым материалом здесь являются
форсированное охлаждение материала, находящегося вначале в
жидкой фазе, до твердого и порошкообразного состояния с
последующим прессованием. Скорость охлаждения может
превышать миллион градусов в секунду. Этот процесс придает
алюминиевым сплавам большую удельную прочность,
твердость и
жаропрочность. Последующая механическая обработка не влияет
на свойства материалов, поэтому они могут применяться для
изготовления деталей обычными методами. Перспективными в
материаловедении являются современные технологии:
сверхпластическая деформация, дифузионное соединение и
изготовление по “точной форме”. При сверхпластической
199
деформации существенное изменение формы материала
происходит под воздействием высоких температур и низкого
давления. При диффузионном соединении детали соединяются при
высоких температурах и давлении.
Рис. 27. Новые материалы, применяемые для производства турбинных
лопаток авиационных двигателей.
Связывание происходит вследствие диффузии атомов через
соединяемые твердые поверхности: плавление, как при сварке, не
происходит. При изготовлении “по точной форме”
порошкообразный материал принимает окончательную форму
нужной детали, которая не требует дальнейшей механической
обработки. Технология состоит в сжатии порошка в стеклянном,
керамическом или стальном контейнере, имеющей форму детали.
Соединения обладают низким
удельным весом и устойчивостью к
высоким температурам.
Растущий вопрос на конструкционные керамические
материалы в ближай
шее десятилетие будет сконцентрирован в
областях, где решающими фактора
ми являются теплостойкость и
износостойкость материала. Керамические ро
торы
200
турбонагнетателей имеют меньшую массу и, следовательно, могут
быстрее
набирать рабочую скорость.
Достижения технологии материалов в аэрокосмических
летательных аппаратах позволили перейти на новую технологию
получения лопаток реактивных турбин. Ранее они ковались из
никеля. Важнейшим достижением материаловедения является
направления кристаллизация (литье по моделям). Благодаря
градиенту температуры и регулируемой скорости охлаждения
столбчатые кристаллы материала лопатки выстраиваются вдоль
основной оси. Направленная кристаллизация существенно
продлевает срок
службы лопатки: разрушение начинается обычно
на границах зёрен, перпендикулярных оси лопатки, а в материале с
направленной кристаллизацией такие границы отсутствуют. Для
предохранения от окисления, коррозии и сульфидирования
ракетным топливом вплоть до температуры 1100°С лопатки
покрывают покрытиями: хрома, алюминия и иттрия легированным
железом, кобальтом или никелем.
Для того чтобы достичь желаемого уровня
эффективности в
использовании дозвуковых самолетах нужно иметь
усовершенствованные материалы как для корпуса, так и для
двигателя. Алюминий, титан и стали останутся основными для
корпусов дозвуковых самолетов. Однако эти материалы должны
быть улучшены. Из других композитов: органическая матрица -
углеродные волокна в ближайшем будущем будут изготавливать
более 40% деталей дозвукового самолета. Новым направлением
является использование композитов содержащих термопластичные
волокна в стекло - и углепластике. Эти композиты хорошо
выдерживают сжатие, не разрушаются при обработке и
эксплуатации.
§6. Материалы для автомобильного транспорта
В последние годы во всем мире важное значение стало
уделяться экологической безопасности автомобиля. В том числе и
материалов, из которых изготовлены элементы его конструкции:
законы ряда стран, прежде всего стран Западной Европы,
ограничивают применение таких экологически вредных веществ, как
кадмий, барий, свинец, ртуть, хлор, асбест и др., требуют, чтобы
автомобильные детали и узлы были пригодны либо ко вторичной