Справочник попаданца - альтернативщика. Технологии Том 1

Теофил «Записка о разных искусствах» Стекло

Манускрипт Теофила «Записка о разных искусствах»КНИГА ВТОРАЯ

Глава 1. «Устройство печи для приготовления стекла»

Если ты намерен приготовить стекло, то прежде всего наруби большое количество буковых дров и дай им хорошо высохнуть.

Затем сожги их на равномерном огне, на чистом месте и, тщательно собрав пепел, следи, чтобы в него не попала земля или небольшие камешки.

Затем печь из камня и глины длиною в 15 футов и шириною в 10 сложи следующим образом: прежде всего вложи основание (фундамент) печи толщиною в 1 фут с каждой продольной стороны печи; в середине сложи из камня и глины прочный и ровный под и раздели его на три равные части вдоль ширины печи так, чтобы две его части составляли одно целое и были бы отделены от третьей. Затем сделай в передней стороне печи — вдоль ширины ее — отверстия, через которые можно было бы положить в печь дрова и поднести огонь, и после того, как ты выложишь вокруг печи стену почти в 4 фута высотой, сделай второй прочный и совершенно ровный под и дай немного выступить разделяющей его перегородке. Затем в большой части печи сделай четыре отверстия на продольной стороне и четыре отверстия в другой части, в середине пода: в них ты будешь вставлять сосуды, с которыми работаешь. Дальше сделай два отверстия в середине печи, через которые могло бы подыматься пламя. Выложи вокруг стену, сделай два четырехугольных окна шириною и длиною в руку, по одному с каждой стороны, против отверстий: через ни будут вставляться и выниматься сосуды с содержимым.

В меньшей части печи еще сделай отверстие в середине пода, ближе к средней стенке, и окно высотою в руку в наружной передней стене, через которое можно вставлять и вынимать предметы, необходимые для работы. После того, как ты это устроил, придай внутренней части форму сводчатой печи, высотой в ½ фута, таким образом, чтобы сверху под был совсем ровный и имел бы по окружности борт высотой в 3 пальца, для того чтобы ничего из утвари, поставленной наверх, не могло упасть. Эта печь называется рабочей.

Глава 2. «О печи для охлаждения»

Сделай другую печь в 10 футов длины, 8 футов ширины, высотою же в 4 фута.

С передней стороны сделай отверстие для подачи дров и огня и с одной стороны — окно высотою в 1 фут, для того чтобы вставлять и вынимать все необходимое. Внутри сделай прочный ровный под. Эта печь носит название печи для охлаждения (остывания).

Глава 3. «О печи для нагревания стекла и об инструментах для выдувания»

Ты должен соорудить еще третью печь в 6 футов длиною, 4 фута шириною и 3 фута высотою. Отверстие, окно и очаг должны быть как в печи, описанной выше. Эта печь носит название печи для расширения и разглаживания. Для этой работы нужны такие инструменты: железная труба длиною в два локтя и толщиною в один дюйм, две пары щипцов, обитые с одной стороны железом, две железные ложки и еще другие из дерева и железа, по твоему усмотрению.

Глава 4. «О смешении пепла и песка»

После того как все это приготовлено, возьми хорошо высушенные в дыму буковые дрова и зажги сильный огонь с обеих сторон большой печи. Затем возьми две части вышеупомянутого пепла и одну часть песка, тщательно очищенного от земли и камешков — ты найдешь его у реки, — и смешай все на чистом месте. После тщательного перемешивания возьми железной ложкой эту смесь и всыпь в меньшее отделение печи, в верхний очаг, чтобы смесь варилась и, как только она начет подогреваться, мешай ее, чтобы от огня она не стала совсем жидкой и не сплавилась бы в комок; поступай таким образом ночь и день.

Глава 5. «О плавлении белого стекла и применяемых при этом сосудах»

Возьми белую глину, из которой делают горшки, высуши ее, прилежно перемели, и, влив воды, сильно разомни куском дерева и, вылепи сосуды, сверху широкие, а снизу узкие, имеющие у верхнего отверстия края, загнутые внутрь. После того, как сосуды высохли, захвати их щипцами и поставь в отверстия раскаленной печи, которые устроены для этой ели. Зачерпни ложкой сваренный с песком пепел, и вечером наполни им все сосуды, и подкладывай всю ночь сухие дрова, для того чтобы полученное из пепла и песка жидкое стекло полностью расплавилось.

Глава 6. «Как выделываются стеклянные плитки»

В ранний утренний час возьми железную трубку, вставь ее конец — если ты хочешь изготовить стеклянные плитки — в один из наполненных стеклом сосудов. И так как стекло к трубке пристает, то поворачивай ее в руке до того момента, пока стекло вокруг нее не соберется в нужном тебе количестве, тотчас быстро вытяни ее, приставь ко рту и умеренно дуй в нее, а когда отводишь ото рта, держи ее у щеки, чтобы при вдыхании ты не втянул пламя в рот. Имей также гладкий камень у окна печи, на котором ты мог бы слегка бить по горячему стеклу, для того чтобы оно всюду равномерно свешивалось. Быстро и часто вдувая, каждый раз немедленно удаляй трубку ото рта. Как только ты заметишь, что стекло начинает свешиваться в виде длинного пузыря, приложи его конец к пламени, и на расплавленном месте тотчас образуется дырка. Проделай специально заготовленным древком отверстие, равное ширине пузыря, в его середине, затем присоедини горло самой трубки, а именно, верхнюю часть к нижней таким образом, чтобы с каждой стороны соединения появились отверстия. Вслед за этим тотчас же прикоснись к стеклу вблизи трубки куском сырого дерева, встряхни немного, и оно отделится. Нагрей трубку в печи, пока не расплавится стекло, которое в ней содержится, и быстро приставь это к перехваченным отверстиям и пузырю стекла, и оно пристанет, приварится. Перенеси это тотчас же в пламя печи, чтобы в том месте, где ты отделил от трубки, стекло расплавилось и не появилась дыра. Увеличь отверстие при помощи круглого куска дерева до размеров другого отверстия, в середине намотай бор (стеклянную нить), отдели куском сырого дерева от трубки и передай ученику (мальчику), который, вставив в отверстие кусок дерева, перенесет в умеренно нагретую печь для охлаждения.

Этот сорт стекла отличается чистотой и белизной. Таким же образом и в таком же порядке выделывается остальное стекло, пока не опустеют все сосуды.

Глава 7. «О стекле шафранного цвета»

Когда ты замечаешь, что в каком-нибудь из сосудов стекло принимает цвет, близкий к шафранному, то оставь о плавиться до трех часов; получишь светло-шафранное стекло; приготовь из него сколько хочешь изделий по вышеописанному способу. Если хочешь, расплавляй стекло шесть часов, и тогда оно будет красновато-шафранного цвета. Изготовляй из него, что тебе будет угодно.

Глава 8. «О стекле пурпурного цвета»

Если стекло в сосуде отдает красно-желтым цветом, похожим на цвет мяса, то его следует употреблять лишь для обнаженных частей тела. Возьми, сколько тебе нужно будет, а остальную массу вари два часа, то есть от первого до третьего часа, и ты будешь иметь стекло светло-пурпурного цвета, вари его затем еще от трех до шести часов, и оно станет пурпурно-красным и безукоризненным.

Глава 9. «О растяжении стеклянных плиток»

После того как ты заготовил стекла этих цветов, сколько тебе было угодно, и стекло охладилось в печи, выставь всю твою работу, прикажи разжечь сильный огонь в печи, в которой стекло должно выравниваться и расширяться.

Когда печь накалится, возьми теплый кусок железа, расщепи стекло с одной сторон, положи его на раскаленный под печи, и когда оно начнет размягчаться, возьми железные щипцы и ровный кусок дерева, открой стекло с той стороны, где оно расщеплено, растягивай и выравнивай щипцами, сколько тебе будет угодно. После того, как оно полностью выровнено, быстро вынь его и перенеси в умеренно нагретую охладительную печь, так чтобы плитка не лежала в ней, а прислонялась к стене. Рядом с ней поставь другую выровненную таким же образом, а затем третью и все остальные. Когда они остынут, ты можешь ими пользоваться при составлении окон, раскалывая стекла на отдельные части, по своему желанию.

Глава 10. «Как делаются сосуды из стекла»

Если ты хочешь делать сосуды, то приготовь стекло по вышеописанному правилу, и после того, как ты выдул стеклянную массу по нужному тебе размеру ты не делаешь, как ранее, отверстия в основании, а отделяешь все это от трубки куском дерева, смоченным в воде, после чего быстро соединяешь нагретую трубку с этим основанием. Подняв сосуды, ты нагреваешь его на огне и круглым кусом дерева расширяешь дыру, образованную при отделении от трубки, придавая отверстию нужную тебе фору, и расширяешь основание вокруг трубки, так чтобы на нем образовалась впадина. Если ты хочешь приделать ушки к сосуду, чтобы его можно было брать за них, возьми тонкий кусок железа, опусти его острие в тигель со стеклом, так чтобы к нему пристало немного стекла, вытащи его, и приложи к сосуду в любом месте, и, когда стекло пристанет, нагрей его, чтобы оно лучше держалось. Этим ушкам придай любую форму, при этом сосуд держи у пламени, чтобы он был теплым, но не плавился. Возьми еще немного стекла из печи, так чтобы за ним потянулась нить, приложи его к сосуду, где тебе хочется, и над огнем обмотай этой стеклянной нитью сосуд так, чтобы она держалась. После этого, как обычно, отними трубку и поставь сосуд в печь для охлаждения. Таким образом ты можешь изготовить сколько угодно сосудов.

Глава 11. «О сосудах с длинным горлышком»

Если ты хочешь изготовить сосуды с длинным горлышком, делай это так. Когда ты выдул из стекла удлиненный пузырь, закрой трубку большим пальцем, так чтобы оттуда не выходил воздух, и размахивай над головой той трубкой вместе со стеклом, которое висит на ней, так, будто хочешь отшвырнуть ее. Когда горлышко вытянется, подними руку вверх, а трубка с сосудом пусть свисает при этом вниз. Это делается для того, чтобы горлышко не искривилось. Затем отдели его влажным куском дерева и поставь в печь для охлаждения.

Глава 12. «О различных цветах стекла»

В древних зданиях язычников находят различные сорта стекла для мозаичной работы, а именно: белое, черное, зеленое, шафранное, сапфирное, красное, пурпурное, непрозрачно и плотное, как мрамор; они попадаются в вид четырехугольных камней, из которых получают имитацию драгоценных камней и янтаря в оправе из золота, серебра и меди, о чем достаточно говорилось. Находят разные сосуды тех же цветов, собираемые опытными в этом деле франками. Они же плавят в своих печах сапфировое стекло, к которому добавляют немного светлого и белого стекла и изготовляют ценные сапфировые плитки, пригодные для окон. Таким же образом они получают пурпурное и зеленое стекло.

Глава 13. «О стеклянных сосудах, которые греки украшают золотом и серебром»

Греки изготовляют из тех же сапфирных камней [Теофил в данном случае имеет в виду не сапфир, а его имитацию из синего стекла] замечательные кубки, которые украшают золотом следующим образом. Они берут листовое золото (о нем мы уже говорили ранее), вырезают из него человееские фигурки или птиц, зверей или растения и, смочив водой, накладывают на кубок, где им хочется. Это листовое золото должно быть немного потолще. Затем они берут изготовленное светлое стекло или хрусталь, которые плавятся, едва и коснется огонь. Тщательно растирают его водой на порфировом камне и наносят кисточкой на золото тонким слоем. Когда оно высохнет, они ставят сосуд в печь, в которой оплавляется расписанное оконное стекло (об этом мы еще будем говорить), и разводят под ним огонь, сжигая высушенные в дыму буковые поленья. Когда пламя настолько сильно нагрело бок, что он слегка покраснел, они тотчас выбрасывают дрова и глушат печь, дают ей остыть. Золото держится после этого очень прочно.

Глава 14. «То же самое другим способом»

Они делают это и другим способом. Берут золото или серебро, размолотое в мельнице, как для книгописания, смешивают его с водой и покрывают им круги, а в них попеременно изображают различных зверей или птиц и сверху покрывают их тем светлым стеклом, о котором уже говорилось выше. Затем берут белое, розовое и зеленое стекла, употребляемые взамен драгоценных камней и янтаря, каждое в отдельности тщательно растирают с водой на порфировом камне и рисуют ими различные маленькие цветочки, орнаменты или другие украшения в пространстве между кругами и петлями, и окаймляют ими край. Все это наносится довольно толстым слоем и плавится в печи, как казано выше. Они изготовляют также пурпуровые или бледно-голубые кубки и сосуды со слегка вытянутым горлышком и окаймляют их нитями белого стекла. Из белого же стекла делаю и ручки. Они делают также различные вещи других цветов, по своему усмотрению.

Глава 15. «О греческом стекле, которое применяется в мозаике»

Франки делают стеклянные плитки наподобие оконного стекла из белого стела толщиною в палец; раскалывают его горячим железом на четырехугольные мелкие кусочки, покрывают их с одной стороны листовым золотом, накладывают сверху самое светлое, растертое стекло, как об этом сказано выше, и ставят их вместе на железную доску, о которой мы еще будем говорить, покрытую известью или золой, и варят в упомянутой печи, предназначенной для приготовления оконного стекла. Подобное стекло украшает мозаики, если располагать его между отдельными ее частями.

Глава 16. «О гончарных сосудах, раскрашенных различными красками»

Франки делают также глиняные чаши, ковши и другие глиняные сосуды, которые расписывают следующим образом: берут все виды красок, каждую в отдельности растирают с водой и к каждой краске подмешивают пятую часть стекла того же цвета, тщательно растертого с водой. Этими красками рисуют круги, дуги или четырехугольники, а в них — зверей, или птиц, или листья, или что-нибудь другое, что вздумается. После того, как сосуды расписаны таким образом, они ставятся в печь, которая применяется для оконного стекла. Разводится под ними огонь из сухих буковых дров, и охваченные пламенем сосуды накаляются. Вытаскивают дрова и закрывают печь. Эти сосуды можно во многих местах украсить золотыми листами или же, если захочется, размолотым золотом и серебром описанным выше способом.

Глава 17. «Как сделать из цветных стекол окно»

Если ты хочешь сделать из цветных стекол окно, то приготовь себе сначала деревянную доску, совершенно ровную и такой длины и ширины, чтобы ты мог поместить на ней то же окно дважды. Возьми мел, поскреби его ножом и обсыпь им всю доску, затем обрызгай ее водой и протри сукном. Когда доска станет сухой, измерь длину и ширину окна и с помощью циркуля и линейки начерти его на доске цинком или оловом; а если ты хочешь сделать оправу (бордюр), то отчерти его любой ширины и формы и укрась по своему желанию. Когда это сделано, набросай какие хочешь рисунки сначала цинком или оловом, а потом красной или черной краской. При этом тщательно вырисовывай все линии, потому что по ним ты будешь делать рисунок на стекле, соединяя тени и светлые места. Потом, установив разнообразие одежд, разметь цвета, отмечая каждый из них буквой. Возьми свинцовую посуду с мелом, растертым с водой. Сделай себе две или три кисточки из волос хвоста куницы или барсука, или белки, или кошки, или гривы осла. Возьми стекло, какое ты хочешь, но по размеру больше, чем-то пространство, в которое ты должен его вставить, наложи его на доску и мелом обведи на стекле контурный рисунок, который уже имеется на доске. Если стекло слишком темное и через него не видно линий на доске, возьми белое стекло и перенеси рисунок на него, а когда мел высохнет, наложи темное стекло на белое, держи его против света и проведи по нему все линии, которые будут просвечивать на свету. Таким же образом ты будешь разрисовать все виды стекла, хочешь ли ты изобразить лица или одежду, руки, ноги или кайму орнамента — все, где ты хочешь наложить краску.

Глава 18. «Как разрезать стекло»

Нагрей в очаге железный резец, тонкий, с утолщением на конце. Когда утолщенный конец накалится, приложи его к стеклу, которое ты хочешь разрезать, и вскоре на нем появится начало трещины. Если стекло окажется крепким, смочи палец слюной и коснись им того места, где прикладываешь резец; когда оно лопнет, проведи резцом по трещине, и стекло разрежется. Когда все стекло разрезано, возьми железный брусок длиной в ладонь и загнутый с обеих сторон, подравняй им все куски и пригони их друг к другу, каждое на своем месте. После этого возьми краску, которой ты будешь расписывать стекло. Ее ты приготовишь следующим образом.

Глава 19. «О краске, которой рисуют на стекле»

Возьми мелко истолченную медь и в маленькой железной посуде прокаливай ее до тех пор, пока она не превратится в порошок. Затем возьми кусочки зеленого стекла и греческого сапфира, разотри каждый в отдельности между двумя порфировыми камнями и смешай все это так, чтобы смесь составляли: одна треть порошка меди, одна треть зеленого стекла, одна треть сапфира. Тщательно и равномерно разотри все на этом камне с виной или уриной, положи в железную или цинковую посуду и осторожно пиши этим на стекле по линиям, которые начертаны на доске. Если ты хочешь писать на стекле буквы, то покрой сплошь соответствующие места этой краской и пиши их кончиком кисти.

Глава 20. «О трех красках для светов на стекле»

Если ты хочешь сделать все особенно тщательно, то свет и тени на одежде ты можешь сделать так, как это делают красками в живописи, а именно, следующим образом. Когда ты провел краской линии на одежде, то рассей их кисточкой пошире, так чтобы стекло было прозрачным там, где ты привык в живописи видеть свет. Пусть одна и та же линия будет сначала жирной, потом тоньше и, наконец, совсем тонкой. Тона меняются так, словно это три различные краски. Это правило ты должен также соблюдать, изображая брови, глаза, нос, и подбородок, молодые лица, голые ноги, и руки, и другие обнаженные части тела. Этот вид живописи основан на искусстве перехода одного тона в другой.

Глава 21. «Об орнаменте и живописи на стекле»

В картине на стекле тоже может быть орнамент сапфирово-синий, зеленый, белый, ярко-пурпурный — на одежде, мебели, фоне. Когда ты наложил на эти одежды первые тени и они высохли, покрой стекло, которое осталось свободным, светлой краской, не такой густой, как вторая тень, и не такой светлой как третья, — придерживайся середины. Когда краска высохнет, проведи концом кисти тонкие линии по обеим сторонам густой тени, так чтобы между этими линиями и тенью оставались тонкие полоски светлой краски. Остальное покрой кругами и извилинами, а в них сделай такие цветы и листья, какие делают в нарисованных буквах. Фон, который для букв покрывается краской, на стекле нужно покрыть тончайшим орнаментом. В этих кругах ты можешь иногда изобразить зверей, птиц и пресмыкающихся и обнаженные фигуры. Таким же образом ты можешь сделать фоном самое светлое белое стекло, а рисунки на нем покрыть синим, зеленым, пурпурным и красным. На сапфировом, зеленом и красном фоне, если он не сплошь покрыт, сделай одежды совершенно белыми, так как нет ничего прекрасней этого. На краях платья пиши этими тремя красками, как указано, орнамент, листья, цветы, гирлянды. Ты будешь пользоваться этими красками в твоих рисунках для изображения лиц, рук, ног, обнаженных частей тела вместо краски пош, названной в предыдущей книге. Не употребляй много шафранно-желтого стекла для одеж; употребляй его только для венков и в тех местах, где в живописи золото. Когда все это сделано и расписано, стекло нужно обжечь, а краску закрепить в печи, которую ты сложишь следующим образом.

Глава 22. «О печи, в которой обжигается стекло»

Возьми гибкие прутья и воткни их в землю в одном из углов дома таким образом, чтобы они были равномерно установлены в форме дуги. Дуги эти должны иметь в высоту 1— ½ фута, такую же ширину, длину же — больше двух футов. Тщательно смешай глину с водой и лошадиным навозом таким образом, чтобы ¾ глины приходилось на ¼ навоза. Когда все это хорошо смешано, добавь сухой соломы, изготовь продолговатые лепешки толщиной в кулак и покрой прутья, образовавшие дугу, этими лепешками с внутренней и внешней стороны. Наверху, в середине, оставь круглое отверстие, через которое может проходить рука. Приготовь также три железных стержня толщиной в палец и такой длины, чтобы они могли перекрыть ширину печи. Сделай для них с обеих сторон три отверстия, чтобы стержни можно было вставлять и вынимать. Затем положи дрова и разожги огонь в печи, пока твоя обмазка не высохнет.

Глава 23. «Как обжигается стекло»

Сделай себе железную доску по размеру внутренней части печи, лишь на два пальца короче и уже, насыпь на нее сухую негашеную известь или слой пепла толщиной в соломинку и прижми его таким же куском дерева, чтобы он лежал плотней. Эта доска должна иметь железную ручку, за которую ее можно брать, вкладывать и вынимать. Теперь осторожно положи на эту доску расписанное стекло таким образом, чтобы зеленое и сапфирово-синее лежало снаружи, со стороны ручки, а белое, желтое и пурпурное — внутри, так как оно более устойчиво по отношению к огню. После того как ты вставил в печь железные стержни, поставь на них доску. Затем возьми очень хорошо просушенные в дыму буковые дрова, разведи в печи умеренный огонь и осторожно усиливай его до тех пор, пока не увидишь, что пламя пробивается сзади и сбоку, между железной доской и стенами печи, и легко и равномерно лижет стекло. Когда стекло немного накалится, выгреби тотчас же огонь, тщательно закрой отверстие в печи и отверстие наверху, через которое выходит дым, и не открывай, пока печь сама не остынет. Известь и пепел на доске служат для того, чтобы стекло не потрескалось от сильной жары при соприкосновении с железом. Когда ты вынешь стекло, попробуй, сможешь ли ты сцарапать с него краску ногтем; если нет, то его не надо больше ставить в печь, если же краска отделяется от стекла, то помести его снова в печь. Когда все куски стекла обожжены таким образом, положи их опять на свое место на доске. Затем отлей прутья из чистого свинца, которым ты будешь скреплять куски стекла, следующим образом.

Глава 24. «О железных формах для литья»

Изготовь два куска железа шириной в два и толщиной в один палец, а длиной в локоть. Соедини оба куска с одной стороны, как дверные петли, так чтобы они были скреплены гвоздем и могли открываться и закрываться. К концу сделай их шире и тоньше, чтобы, когда они складываются, между ними было расстояние, как будто они приоткрыты. С помощью зубила и напильника плотно пригони их друг к другу, чтобы свет не проходил между ними. После этого отдели их друг от друга, и, взяв линейку, проведи на каждом из них по две параллельные линии верху донизу, так чтобы они приходились друг против друга, и сделай углубление нужной тебе глубины резцом, которым делают подсвечники и другие литые вещи. Поскреби между линиями на каждой створке для того чтобы когда ты нальешь свинец, они были как один кусок. Но отверстие, через которое наливают, сделай так, чтоб ни один кусок железа не мог сдвинуться при наливании.

Глава 25. «О железных прутьях для литья»

Вслед за этим сделай себе горнило, на котором ты будешь плавить свинце, а в горниле — углубление для большого глиняного горшка. Снаружи и изнутри обмажь его глиной, смешанной с навозом, для усиления прочности, а сверху разведи сильный огонь. Когда горшок высохнет, положи свинец внутрь горшка, чтобы при плавлении свинец стекал в него. Затем открой предназначенную для прутьев железную форму, поставь ее над углями, чтобы она стала теплой; имей кусок дерева длиною в локоть, конец которого, находящийся в руках, должен быть круглым, а другой конец — плоским и широким, размером в четыре пальца. На нем должен быть поперечный разрез, доходящий до середины и соответствующий ширине железа. Вставь теплое и свернутое железо в этот разрез и поддерживай его сверху немного согнутой рукой таким образом, чтобы нижняя часть покоилась на полу. Маленьким, теплым (нагретым) железным ковшом зачерпни расплавленный свинец и вылей его в железную форму. Тотчас же поставь ковш на огонь, чтобы сохранить его теплым, вынь железную форму из дерева и поставь его на землю, открой ножом, извлеки прут, сомкни снова и опять положи в дерево. Если свинец не весь вытечет в железную форму, то тогда используй более разогретый свинец. Действуй таким образом до тех пор, пока железо не наполнится, ибо если ты равномерно все это приготовляешь, то т можешь при одной топке отлить более сорока прутьев.

Глава 26. «О деревянный формах для литья»

Если у тебя нет железа, то отыщи еловое или какое-либо другое дерево, которое так же хорошо раскалывается. Что касается длины, ширины и толщины досок, то они должны быть такими, как указано выше. Дереву придай закругленную форму. Затем снаружи, на краях обоих кусков дерева, сделай посередине по две маленькие отметки в зависимости от ширины прута; возьми крученую тонкую льняную нить, намочи ее в красной краске и прикрепи ее (когда куски дерева разъединены) изнутри к одному куску от отметки, которую ты нацарапал наверху, к нижней отметке, так чтобы нить была натянута. Теперь приложи к этому куску дерева второй кусок и крепко придави, так чтобы после разъединения на обоих кусках осталась краска. Тогда вытащи нить, намочи ее опять в краске и приложи ко второй отметке, наложи другой кусок дерева и сдави. Если краска видна на обоих кусках, врежь ножом углубление для прута, какой хочешь ширины и глубины, но так, чтобы вырезанная часть не выходила за его пределы; в верхней части, где наливают свинец, должно быть отверстие. Когда это будет сделано, соедини куски дерева, связав их ремнем сверху донизу, и наливай свинец, затем развяжи ремень и вытащи прут. И опять свяжи, и налей, и делай это так долго, пока огонь не дойдет до конца углубления.

Потом ты уже сможешь отливать прутья таким образом так часто и так много, как тебе нужно. Когда тебе покажется, что прутьев достаточно, вырежь палочку шириной в два пальца, такой же толщины, как прут, и так раздели ее посередине, чтобы она была с одной стороны сплошной, а с другой, ГД вкладывается прут, имела углубление. Когда прут вставлен, обрежь его с обеих сторон ножом, прочисти скребком и подровняй его, как тебе нравится.

Глава 27. «Как составить и скрепить оконное стекло»

Когда это сделано, возьми чистое олово, подмешай туда одну пятую часть свинца и с помощью сделанной тобой железной или деревянной формы отлей столько прутьев, сколько тебе нужно, для того чтобы скрепить стекло. Возьми также сорок гвоздей длиной в палец, которые с одной стороны тонки и круглы, а с другой — четырехугольны и загнуты так, что в середине образуется отверстие. Затем возьми расписано и обожженное стекло и разложи на нерасписанной стороне доски в нужном порядке. Потом обведи голову фигуры свинцом и опять осторожно положи его на место, прикрепив со всех сторон тремя гвоздями с помощью приспособленного для этого молотка. То же самое ты делаешь с грудью, руками и одеждой. И так положи на место каждую часть и прикрепи снаружи гвоздями, чтобы он не могла сдвинуться с места. Для скрепления частей возьми длинный и тонкий кусок железа, утолщенный и закругленный на конце. Загнутая внутрь часть должна быть тонка, отшлифована и покрыта оловом. Положи этот паяльник в огонь. В это время возьми оловянные прутья, которые ты отлил, облей их воском с обеих сторон и поскреби свинец на поверхности в тех местах, которые нужно соединить. Нагретым паяльником приложи олово к тому месту, где встречаются две свинцовые поверхности, и держи его там, пока они не спаяются. Когда фигуры составлены, сделай таким же образом фон любого цвета и так постепенно сложи все окно. Когда оно готово и скреплено с одной стороны, переверни его на другую сторону и скрепи таким же образом.

Глава 28. «О драгоценных камнях, которыми украшают расписанное стекло»

Если ты хочешь на картинах, написанных на стекле, на крестах, на книгах или украшающих одежды, поместить поверх расписанного стекла драгоценные камни двух цветов, а именно гиацинты и изумруды без свинцовой оправы, то делай это так. Сделай кресты на сияниях вокруг голов или на книге, или украшения на краю платья, для которых в живописи используется золото или золотая краска, на окнах же — светлое шафранно-желтое стекло. Написав их по правилу золотых дел мастеров, определи места, где ты хочешь поместить камни, и, взяв кусочки светлого сапфирово-синего стекла, сделай из них гиацинты, а из зеленого стекла — изумруды, и распредели их так, чтобы между двумя гиацинтами всегда находился изумруд. Когда они расположены и закреплены на своих местах, возьми кисточку и обведи их густой краской, так чтобы между обоими стеклами ничего не попало. Вместе со всеми остальными обожги их в печи, и они будут так крепко держаться, что никогда не выпадут.

Глава 29. «Об обыкновенных окнах»

Если ты хочешь сделать обыкновенное окно, то начерти его сначала на деревянной доске, соблюдая размеры, нарисуй на нем разводы или что-либо другое, и после того, как ты выбрал различные краски, которые должны быть наложены на стекло, разрежь стекло на части, распиши, а затем соедини отдельные части стекла вместе, оправив их свинцом и скрепив гвоздями со всех сторон ранее указанным способом. Сделай деревянную раму, скрепив ее гвоздями, и вставь готовое окно, куда тебе нужно.

Глава 30. «Как восстанавливается разбитый сосуд»

Если какой-либо стеклянный сосуд случайно разбивается или трескается, его восстанавливают следующим образом. Возьми пепел, просей его через решето и тщательно смешай с водой. Наполни им разлитый сосуд и поставь сушиться на солнце. Когда весь пепел высохнет, приложи к сосуду отбитую часть. Будь осторожен, чтобы пепел или грязь не попали в место соединения. Возьми синее или зеленое стекло, которое легче всего плавится от жара, разотри его как следует с водой на порфировом камне и осторожно обмажь кисточкой трещину. Затем поставь сосуд на железную плиту, приподними немного сосуд, так чтобы пламя равномерно прогревало трещину, и поставь его в печь, предназначенную для оконного стекла. Положи снизу сухие буковые дрова и разведи легкий огонь. Когда сосуд и пепел нагреются, тотчас же усиль огонь, чтобы пламя увеличилось. Но как только ты заметишь покраснение сосуда, выгреби горячие угли, тщательно закрой печь и оставь так, пока она совсем не остынет. Вынув сосуд, вытряхни из него пепел, затем вымой его и можешь пользоваться им, как угодно.

Глава 31. «О кольцах»

Таким же образом из стекла делают кольца. Сложи маленькую печь, как указано выше, потом возьми пепел, соль, медь в порошке и свинец. Когда т смешаешь все это, выбери краску для стекла и сожги ее на огне. Найди деревянную палочку в пядь длиной и в палец толщиной и, отступив на треть от конца, прикрепи к ней деревянную шайбу в пядь шириной, так чтобы две трети палки были у тебя в руке, а шайба, крепко укрепленная на палке, находилась над твоей рукой и третья часть палки выступала над шайбой. Эта палка, заостренная на конце, должна иметь железный наконечник, похожий на острие копья. Этот наконечник имеет длину стопы, и палка должна быть так пригнана к нему, чтобы на месте соединения наконечник был равен палке по толщине, а дальше сужался и сходил на нет. Около печного отверстия справа, это значит, слева от тебя, вкопай в землю кусок дерева в руку толщиной, достигающий до печного отверстия. Слева от печи, т. е. по твою правую руку, недалеко от отверстия, в глине (на полу) выкопай маленькую ямку. Когда стекло раскалится, возьми палку с шайбой и железным наконечником, которая называется вертелом, опусти ее конец в сосуд со стеклом, и вытащи немного стекла, которое пристанет к ней, с силой воткни наконечник в дерево, так чтобы проткнуть стекло, нагрей его в огне, ударь два раза железным концом по дереву для того, чтобы стекло расплющилось, и быстро верти рукой с вертелом, чтобы окружность кольца была правильной. Продолжай вертеть так до тех пор, пока кольцо не опустится до шайбы, и тотчас брось его в ямку. Таким образом ты сможешь сделать колец сколько захочешь. Если ты хочешь иметь кольца других цветов, то, когда ты взял стекло и проткнул его железом, прибавь из другой посуды стекло другого цвета, намотай, как нить, на стекло кольца, затем нагрей стекло на огне, как сказано выше, и закончи таким же образом. Ты можешь также наложить стекло как гемму на кольцо другого вида, и, чтобы оно держалось на нем прочно, накали его на огне.

Стекло и изделия из него

1. Производство силикатного стекла

Стекло структурно аморфно и изотропно. Все виды стекол при формировании проходят процесс преобразования от вязкой жидкости до стеклообразного состояния. Скорость остывания при этом должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить кристаллизацию расплава, получаемого плавлением сырья (шихты). Температура варки стекол варьируется от +300 до +2500℃ и зависит от состава стеклообразующих расплавов, включающих оксиды, фториды, фосфаты и другие компоненты.

Состав и технологии стёкол

Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относятся:

Оксиды:

·SiO₂;

·B₂O₃;

·P₂O₅;

·TeO₂;

·GeO₂.

Фториды:

·AlF₃.

Основные группы стекла по химическому составу

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стёкла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и так далее.

Виды силикатных стёкол

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и карбоната кальция (CaCO₃). В результате получается соединение состава Na₂O·CaO·6SiO₂.

В качестве главной составной части в стекле содержится 70—75 % диоксида кремния (SiO₂), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.

Второй компонент — оксид кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло он идёт в виде извести. Древние египтяне получали оксид кальция из щебня морских раковин, а в Средние века он приготавливался из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел стали богемские стеклоделы в XVII веке.

Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов — натрия (Na₂O) или калия (K₂O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16—17%. На стекло они идут в виде соды (Na₂CO₃) или поташа (K₂CO₃), которые при высокой температуре разлагаются на оксиды. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.

Различаются три главных вида стекла:

·Содово-известковое стекло (1Na₂O : 1CaO : 6SiO₂);

·Калийно-известковое стекло (1K₂O : 1CaO : 6SiO₂);

·Калийно-свинцовое стекло (1K₂O : 1PbO : 6SiO₂).

Натриево-кальциевое стекло

«Содовое стекло» («кронглас», «крон») можно с лёгкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддаётся обработке, а кроме того, чистое и светлое.

Калиево-кальциевое стекло

«Поташное стекло», в отличие от натриевого, более тугоплавкое, твёрдое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает сильным блеском. Оттого что раньше его получали непосредственно из золы, в которой много железа, стекло было зеленоватого цвета, и в XVI веке для его обесцвечивания начали применять перекись марганца. А так как именно лес давал сырьё для изготовления этого стекла, его называли ещё лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.

Свинцовое стекло

Свинцовое стекло (хрусталь, «флинтглас», «флинт») получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким показателем преломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Боросиликатное стекло

Включение оксида бора вместо щелочных составляющих шихты придаёт этому стеклу свойства тугоплавкости, стойкости к резким температурным скачкам и агрессивным средам. Изменение состава и ряд технологических особенностей, в свою очередь, сказывается на себестоимости — оно дороже обычного силикатного. Используется для изготовления лабораторной посуды.

Кварцевое стекло

Чисто кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO₂. Особенности кварцевого стекла — прозрачность для ультрафиолетовых лучей, тугоплавкость и близкий к нулю коэффициент температурного расширения. По последней причине оно устойчиво к перепадам температуры и неравномерному нагреву. Одна из основных современных областей использования — баллоны галогенных ламп, работающие при высоких температурах, и колбы ультрафиолетовых газоразрядных ламп. Также его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения (см. выше — кластофульгуриты), образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка (этот факт лежит в основе одной из исторических версий происхождения технологии).

Состав некоторых промышленных стёкол

Осветлённое стекло Улучшение процессов удаления и нейтрализации окрашивающих примесей при изготовлении архитектурных и интерьерных листовых стёкол позволило производителям заявить о выпуске «осветлённого» стекла различных торговых марок, характеризующегося улучшенной передачей цвета объектов, находящихся за стеклом, и бо́льшим светопропусканием. В переводных описаниях фирменных стёкол встречается термин «просветлённое», однако никакого оптического просветления эти стёкла не имеют, являясь просто обесцвеченными в массе. Красители, глушители В производстве стекла большое значение имеют красители, которые не только влияют на цвет готовой продукции, но и меняют, ускоряют ход физико-химических реакций при варке стекломассы. Глушителями называют добавки, увеличивающие рассеивание света в стекле, от лёгкой опаловости до полной молочной непрозрачности. С древних времён стёкла окрашивали, добавляя в расплав соединения металлов, чаще всего оксиды. Например, в современном производстве для получения жёлтого стекла используют CrO₃, голубого — CuO, зелёного — FeO, Fe₂O₃, оливково-коричневого — V₂O₃, V₂O₅, фиолетового и сиреневого — NiO и Mn₂O₃. Окраска стекла зависит не только от вида оксида, но и от его количества. Например оксид кобальта (II) в малых количествах даёт голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее. Оксид меди (II) в натриево-кальциевом стекле даёт голубой цвет, а в калиево-цинковом — зелёный. Внутренние напряжения в стеклянных изделиях При остывании изделия или заготовки из стекла неравномерное охлаждение, сложная форма, неоднородности расплава приводят к образованию внутренних механических напряжений в массе материала. Если остывающая слишком быстро заготовка не лопнет сама — дальнейшая механическая обработка, случайный несильный удар, перепад температуры могут разрушить такое стекло, даже если воздействие кажется незначительным. Из-за перераспределения напряжений в аморфной массе стекла с течением времени изделие может треснуть и вообще без видимых причин. Для снятия внутренних напряжений применяют длительный отжиг стекла при температуре, при которой ещё можно пренебречь изменением формы изделия, но стекло уже обретает достаточную текучесть. Массивные литые изделия охлаждают очень медленно, например, заготовки зеркал уникальных телескопов — по нескольку месяцев. Наличие напряжений в стекле можно проконтролировать при помощи полярископа: напряжённые участки стекла по-разному вращают плоскость поляризации проходящего света, и прибор наглядно демонстрирует внутреннее состояние материала. В то же время стекло в ряде случаев поддаётся закалке, создающей контролируемое напряжение сжатия в поверхностных слоях. Улучшение механических свойств стекла Теоретическая прочность (разрывная) идеального стекла, по разным оценкам, в 20—30 раз больше прочности конструкционных сталей[34]. Основной же недостаток реальных стёкол — хрупкость — обусловлена наличием поверхностных и внутренних микродефектов, становящихся центрами, с которых начинается разрушение стеклянной детали. Увеличить прочность можно либо сглаживая эти дефекты, либо заставляя поверхность стекла работать только на сжатие при любых реальных нагрузках на деталь. Сглаживание поверхностных дефектов достигается полировкой — механической, химической или огневой (оплавление поверхности). Например, химическая полировка травлением в плавиковой кислоте может увеличить прочность стекла с десятков-сотен до 5000МПа. Последнее значение близко к естественному пределу, обусловленному реально достижимой однородностью внутренней структуры. Однако тонко отполированное стекло должно быть немедленно и надёжно защищено от новых микроповреждений, наносимых в результате обычного обращения (прикосновения в пыльной атмосфере и т. д.). Без этого прочность стекла быстро снижается до уровня, близкого к исходному. Суть второго способа состоит в создании в поверхностных слоях стекла предварительного напряжения сжатия, компенсирующего растяжение внутренних слоёв в работающей детали. Это достигается закалкой, нанесением стеклоэмалевых покрытий, изменением химической структуры поверхности. Закалка, то есть быстрое охлаждение, аморфного материала, каким является стекло, приводит к тому, что затвердевшие и остывшие поверхностные слои продолжают сжиматься остывающими и твердеющими внутренними, как бы «замораживается» разница линейных размеров между внешними холодными и внутренними горячими слоями и обусловленные ею деформации и напряжения. Горячая эмалировка создаёт на поверхности слой стекла эквивалентной прочности с предварительно подобранным меньшим температурным коэффициентом линейного расширения, и даже при сравнительно медленном остывании детали до нормальной эксплуатационной температуры этот слой оказывается сжатым. Химическая модификация поверхности — это либо удаление щелочных ионов из кремнезёмной структуры в горячем состоянии, что уменьшает ТКЛР поверхности (приближая к кварцевому стеклу), либо обмен ионов натрия на более крупные (калия и т. д.) при небольшой температуре, вызывающий «распухание» поверхностного слоя (пример — известное «Gorilla Glass» для дисплеев смартфонов). Закалённое стекло при ударе (автомобильная авария, разбитая дверь или архитектурная панель) разрушается на мелкие тупоугольные осколки, напоминающие крупу и не наносящие серьёзных травм. Отсюда произошёл англоязычный термин «safety glass» («безопасное стекло»). В России для такого стекла встречается название «сталинит», обусловленное временем внедрения его в широкую практику автомобилестроения и военного производства. Способом усиления и защиты готовых стеклянных конструкций (окна домов и автомобилей, экраны телефонов и планшетов) является наклейка на них различных полимерных плёнок толщиной порядка 0,1—2,0мм. Защитные плёнки достаточно тверды, чтобы противостоять царапинам, и достаточно эластичны и вязки, чтобы не растрескиваться при ударном разрушении стекла. Прочность толстых «бронирующих» плёнок для окон и витрин при надлежащем креплении их к раме позволяет некоторое время противостоять выбиванию окна металлическим инструментом. Созданы даже плёнки, придающие стеклу пулестойкость. Армирование (строительные стёкла типа «морозко»), вопреки распространённому мнению, ослабляет стекло, делает его более хрупким по сравнению с таким же монолитным стеклом. Армирующая проволока в архитектурных панелях служит для удержания крупных осколков незакалённого стекла и попутно для декоративных целей. Резка, механическая обработка Резка стекла — раскалывание его по нанесённой риске, служащей концентратором напряжений и определяющей направление раскола. Напряжение можно создать как традиционным изгибом, так и локальным нагревом пламенем или электрической спиралью. Линия реза не обязательно должна быть прямой — точечный нагрев позволяет вести трещину по достаточно крутым кривым. Наносимая риска должна быть достаточно глубокой, но при этом иметь ровные чистые края без сколов; рекомендуется предварительно смазывать стекло маслом или керосином. Риска должна быть свежей — из-за естественной аморфной текучести стекла нанесённая черта «заплывает», и через несколько минут разломить стекло будет уже труднее. В качестве резца раньше использовался алмаз, теперь же — почти исключительно твёрдые сплавы. Резцы из твёрдых сплавов позволяют производить сверление и даже токарную обработку стекла, но основным способом механической обработки являются различные виды шлифовки, от простой формовки краёв интерьерного стекла и гравировки на столовой посуде до изготовления лабораторных шлифов и прецизионных фасонных деталей. Из специфических абразивов можно отметить применявшийся ранее «крокус» (оксид железа(III)) и вытеснивший его «полирит» (диоксид церия) для обработки автомобильных стёкол, а также общеизвестную «пасту ГОИ» (Государственного оптического института) на основе оксида хрома(III). Стекло, подвергнутое закалке, не может быть обработано в дальнейшем для получения точных деталей. При любом режущем воздействии оно мгновенно раскалывается на части по всей площади. Для нанесения надписей, изготовления дифракционных решёток и подобного микрорельефа на стекло применяется травление по маске в плавиковой кислоте. Спаиваемость стёкол с металлами Для электровакуумного производства, лабораторной техники, электроники важна способность стёкол образовывать устойчивый газонепроницаемый спай с определёнными металлами и сплавами. На заре электровакуумной техники для изготовления паяных вводов в стекло использовалась проволока из платины, температурный коэффициент расширения (ТКР) которой равен таковому для распространённых силикатных стёкол. Для массового производства такой спай, естественно, не годился. По мере увеличения потребностей электроламповой промышленности работы велись в трёх направлениях — разработка специальных стёкол с ТКР, равным ТКР применённого металла, создание материала ввода с ТКР, соответствующим распространённому стеклу, и совершенствование технологии спайки материалов с разными ТКР. В первом случае результатом было создание «молибденовых», «вольфрамовых», «титановых» и т. п. стёкол, название которых не имеет отношения к химическому составу, но говорит о согласованности по ТКР с соответствующим металлом; пример — «ножка» лампы накаливания со впаянными молибденовыми держателями нити. Во втором — был создан «платинит», биметаллическая проволока из никелевой стали, покрытой медью в количестве четверти от общей массы проволоки; ТКР этих металлов, суммируясь в такой пропорции, соответствуют ТКР боросиликатного стекла, а медь, покрытая плёнкой окcидов, легко образует газоплотный шов характерного кирпичного цвета, который можно видеть во всех люминесцентных и радиолампах. В третьем случае, в отличие от первых двух, образуется «несогласованный» спай (например, боросиликатного стекла с медной деталью), устойчивый в основном благодаря упругости тонкостенной металлической детали и в узком температурном диапазоне.

Производство стекла включает в себя два основных метода: процесс выдувания листового стекла, в результате которого получается листовое стекло, и выдувание стеклоизделий для производства бутылок и других емкостей. На протяжении истории стеклоделия это делалось различными способами. Производство стеклянной тары Если говорить в общих чертах, то современные заводы по производству стеклянной тары состоят из трех частей: "цех подготовки сырья", "горячий цех" и "холодный цех". В цехе подготовки сырья осуществляется обработка сырья; в горячем цехе - собственно производство: плавильные печи, формовочные машины и печи для отжига; а в холодном цехе - оборудование для проверки и упаковки продукции. Система пакетной обработки (batch house) Подготовка шихты - это один из начальных этапов процесса производства стекла. В цехе подготовки шихты сырье просто хранится в больших бункерах (подается с помощью грузовика или железнодорожного вагона) и выдерживается в течение 1-5 дней. Некоторые системы подготовки шихты включают в себя обработку сырья, например, просеивание/сортировку сырья, сушку или предварительный нагрев (т.е. стеклобоя). Независимо от того, автоматизированная это система или ручная, цех подготовки шихты отмеряет, собирает, смешивает и доставляет сырье для производства стекла (шихту) по желобам, конвейерам и весам в печь. Шихта поступает в печь в «бункер для загрузки шихты». Различные типы стекла, цвета, требуемое качество, чистота/доступность сырья и конструкция печи влияют на состав шихты. Горячий конец Горячий конец стекловаренной печи - это место, где расплавленное стекло превращается в изделия из стекла. Стекломасса поступает в печь, затем проходит процесс формования, внутренней обработки и отжига. В следующей таблице приведены наиболее распространенные значения вязкости, применимые для крупномасштабного производства стекла и экспериментальной плавки стекла в лабораторных условиях:

Печь Шихта подается в печь с медленной скоростью, контролируемой системой пакетной обработки. Печи работают на природном газе или мазуте и работают при температурах до 1575℃. Температура ограничивается только качеством материала верхнего строения печи и составом стекла. Типы печей, используемых при производстве тарного стекла, включают "торцевые" (с торцевым обжигом), "боковые" и "кислородно-топливные". Обычно размер печи определяется производительностью в метрических тоннах в сутки (MTPD). Процесс формования В настоящее время существует два основных метода изготовления стеклянных емкостей: метод "выдувания и обжимания" только для емкостей с узким горлышком и метод "прессования и выдувания", используемый для банок и конических емкостей с узким горлышком. В обоих методах струя расплавленного стекла, находящегося в пластичном состоянии (при температуре 1050–1200℃, разрезается режущим лезвием, образуя твердый цилиндр из стекла, называемый «стеклянной заготовкой». Заготовка имеет заранее заданный вес, достаточный для изготовления бутылки. Оба процесса начинаются с того, что стеклянная заготовка под действием силы тяжести падает вниз и по желобам и направляющим попадает в пустые формы, две половинки которых плотно зажимаются, а затем закрываются сверху перегородкой. В процессе «надувания и выдувания» стекло сначала выдувается через клапан в перегородке, в результате чего оно опускается в «кольцевую форму», состоящую из трех частей, которая удерживается в «кольцевом держателе» под заготовками для формирования «готового изделия». Термин «готовое изделие» описывает детали (такие как уплотнительная поверхность крышки, винтовая резьба, фиксирующее ребро для крышки с защитой от несанкционированного вскрытия и т. д.) на открытом конце емкости. Затем сжатый воздух продувается через стекло, в результате чего получается полый и частично сформированный контейнер. На втором этапе для придания окончательной формы снова подается сжатый воздух. Контейнеры изготавливаются в два основных этапа. На первом этапе отливаются все детали ("готовое изделие") вокруг отверстия, но сам корпус контейнера изначально изготавливается гораздо меньшего размера, чем он будет в конечном варианте. Эти частично изготовленные контейнеры называются "полуфабрикатами", и довольно быстро им придается окончательная форма методом выдувания. "Кольца" уплотняются снизу с помощью короткого поршня. После завершения процесса "уплотнения" поршень слегка втягивается, позволяя образовавшемуся слою кожи размягчиться. Затем через поршень подается воздух "противоудара", чтобы сформировать заготовку. Перегородка поднимается, и заготовки открываются. Заготовка переворачивается по дуге к "стенке формы" с помощью "кольцевого держателя", который удерживает заготовку за "край". Когда прижимное кольцо достигает конца своей дуги, две половины формы смыкаются вокруг заготовки. Прижимное кольцо слегка приоткрывается, чтобы ослабить давление на "отливку", а затем возвращается в исходное положение. "Последний удар", наносимый через "пуансон", выдувает стекло в форму, придавая ему окончательную форму.

Этапы процесса выдувания контейнеров

В процессе прессования и выдувания заготовка формируется с помощью длинного металлического поршня, который поднимается вверх и выталкивает стекло, чтобы заполнить форму для колец и заготовок. Затем процесс продолжается, как и прежде: заготовка переносится в форму для окончательной формовки, и стекло выдувается в форму. Затем контейнер извлекается из формы с помощью механизма «выталкивания» и удерживается над «охлаждающей плитой», где воздушное охлаждение помогает охладить все еще мягкое стекло. Наконец, с помощью «выталкивающих лопаток» бутылки перемещаются на конвейер, в котором имеются воздушные карманы, удерживающие бутылки в вертикальном положении после приземления на «охлаждающую плиту»; теперь они готовы к отжигу. Формовочные машины Формовочные машины удерживают и перемещают детали, из которых формируется емкость. Машина состоит из 19 основных механизмов, предназначенных для формирования бутылки, и, как правило, приводится в действие с помощью сжатого воздуха (высокого давления – 3,2 бар и низкого давления – 2,8 бар), при этом механизмы синхронизированы с помощью электроники для координации всех движений механизмов. Наиболее широко используемым устройством формовочной машины является отдельная секция (или ИС-машина). Эта машина состоит из 5–20 одинаковых секций, каждая из которых содержит один комплект механизмов для изготовления емкостей. Секции расположены в ряд, и заготовки подаются в каждую секцию через движущийся желоб, называемый распределителем заготовок. Секции производят одновременно один, два, три или четыре контейнера (называемых «одно-, двух-, трех- и четырехсекционными»). В случае использования нескольких заготовок «ножницы» разрезают заготовки одновременно, и они параллельно попадают в пустые формы. Формовочные машины в основном приводятся в действие с помощью сжатого воздуха, и на типичном стекольном заводе будет установлено несколько больших компрессоров (общей производительностью 30–60 тыс. куб. футов в минуту) для обеспечения необходимого количества сжатого воздуха. Однако в последнее время в машинах стали использоваться сервоприводы, которые обеспечивают более точное цифровое управление процессом формовки. Печи, компрессоры и формовочные машины выделяют большое количество отработанного тепла, которое, как правило, охлаждается водой. Горячее стекло, которое не используется в формовочной машине, отводится в сторону, и это отводимое в сторону стекло (называемое «стеклянным боем») обычно охлаждается водой, а иногда даже перерабатывается и измельчается на водяной бане. Часто требования к охлаждению распределяются между башнями-охладителями, расположенными таким образом, чтобы обеспечить резервное охлаждение во время технического обслуживания. Внутренняя обработка После процесса формования некоторые емкости, в частности те, которые предназначены для хранения алкогольных напитков, подвергаются обработке для повышения химической стойкости внутренней поверхности, называемой "внутренней обработкой" или удалением щелочи. Обычно это достигается путем впрыскивания газообразной смеси, содержащей серу или фтор, в бутылки при высоких температурах. Газ, как правило, подается в емкость либо вместе с воздухом, используемым в процессе формования (то есть во время последнего этапа выдувания емкости), либо через сопло, направляющее поток газа в горловину бутылки после формования. Такая обработка делает емкость более устойчивой к воздействию щелочи, что может привести к повышению уровня pH продукта, а в некоторых случаях к разрушению емкости. Отжиг Когда стекло остывает, оно сжимается и затвердевает. Неравномерное охлаждение может привести к тому, что стекло станет более хрупким из-за внутренних напряжений: сначала охлаждается поверхность, затем, по мере остывания и сжатия внутренних слоев, возникает напряжение. Равномерное охлаждение достигается путем отжига. Печь для отжига (известная в промышленности как леер) нагревает емкость примерно до 580℃, затем охлаждает ее в течение 20–60 минут в зависимости от толщины стекла. Холодный конец Роль холодного цеха в производстве стеклянных емкостей заключается в выполнении заключительных этапов производственного процесса: нанесении полиэтиленового покрытия для повышения износостойкости и смазочных свойств, проверке емкостей на наличие дефектов, маркировке емкостей и их упаковке для отправки. Покрытия На стеклянную тару обычно наносят два поверхностных покрытия: одно на горячем конце, непосредственно перед отжигом, и другое на холодном конце сразу после отжига. На горячем конце наносится очень тонкий слой оксида олова (IV) либо с использованием безопасного органического соединения, либо неорганического хлорида олова. Системы на основе олова не являются единственными используемыми системами, хотя они наиболее популярны. Тетрахлорид титана или органотитанаты также могут быть использованы. Во всех случаях покрытие делает поверхность стекла более адгезивной к покрытию на холодном конце. На холодном конце наносится слой, как правило, полиэтилена воска с помощью эмульсии на водной основе. Это делает стекло скользким, защищая его от царапин и предотвращая слипание контейнеров при их перемещении на конвейере. В результате получается невидимое комбинированное покрытие, придающее стеклу практически не царапающуюся поверхность. Из-за уменьшения повреждений поверхности в процессе эксплуатации покрытия часто называют упрочняющими, однако более правильным определением могут быть покрытия, сохраняющие прочность. Процесс изготовления флоат -стекла Флоат-стекло - это лист стекла, изготовленный путем плавления расплавленного стекла на слое расплавленного металла, обычно олова, хотя в прошлом использовались свинец и различные сплавы с низкой температурой плавления. Этот метод обеспечивает равномерную толщину листа и очень ровные поверхности. Современные окна изготавливаются из флоат-стекла. Большая часть флоат–стекла - это натриево-известковое стекло, но относительно небольшие количества специального боросиликатного и стекла для плоских дисплеев также производятся с использованием процесса флоат-стекла. Процесс производства флоат-стекла также известен как процесс Пилкингтона, назван в честь британского производителя стекла Пилкингтона, который стал пионером этой технологии (изобретенной сэром Аластером Пилкингтоном) в 1950-х годах.

Этапы производства стекла К основным компонентам при изготовлении стекла относятся такие вещества, как: кремнезем, SiO₂ и Na₂CO₃. Двуокиси кремния в промышленном стекле содержится порядка 40-80%, а в кварцевом – 96-100%. Во время стекловарения очень часто в качестве кремнезема используют кварцевый песок. При производственной необходимости его могут дополнительно обогатить. Для осветления используют такие вещества, как сульфат, хлорид натрия, нитрат аммония и другие. Прежде чем приступить к варке стекла, все компоненты тщательно просеиваются, сушатся и тщательно перемешиваются до получения однородной массы (порошка). Если есть необходимость, то их дополнительно измельчают. Следующим этапом идет помещение шихты в печь для варки стекла. После того, как она нагрелась, из нее испаряются гигроскопические и химически связанные частички воды. На этапе силикатообразования происходит разложение всех компонентов. Изначально они выглядят как спекшийся конгломерат. С ростом температуры в печи начинают плавиться отдельные силикаты. Растворяясь, они образуют непрозрачную массу. Данный этап завершается при достижении температуры отметки в 1200ºС, когда остатки шихты уже растворились и расплав стал прозрачным. На этом производство стекла в России не завершается. Стеклообразование – это процесс растворения зерен кварца в силикатном расплаве. В результате образуется однородная стекломасса. Данный процесс протекает намного медленнее, нежили силикатообразование, и занимает до 90% времени провара шихты. В процессе варки стекломассы при температуре 1500-1600℃ из нее удаляются остатки газов. Производство стекла в России включает еще один этап – осветление. Тут, для ускорения процесса, добавляют осветлители, которые еще и снижают поверхностное натяжение стекломассы. При помощи огнеупорных мешалок весь расплав тщательно перемешивается. Также, через него могут пропускать сжатый воздух или газ. Параллельно с осветлением идет еще и процесс гомогенизации. На этом этапе идет усреднение полученной стекломассы по составу при ее перемешивании. Производство стекла в России завершается таким этапом стекловарения, как охлаждение (студка). При этом выдерживается та вязкость стекломассы, которая в дальнейшем позволит сформировать готовую продукцию. В основном, это температура порядка 700-1000ºС. На данном этапе самое главное очень медленно понижать температуру. Производство любого стекла определяется установленными технологическими нормами. Формирование же готовых изделий из полученной стекломассы происходит механическим способом (прессовка, прокатка, выдувание и т.п.) на специальном стеклоформующем оборудовании. Следующим этапом идет отжиг. Тут выдерживается определенная температура, при которой стекло немного мягкое. Это позволяет снять напряжение в стекле, которое появляется при быстром охлаждении. Подготовка и изготовление шихты Производство стекла начинается в обычном песчаном карьере. Это сырье является основой техпроцесса. Кварцевый песок – это ресурс, требующий высокого уровня очистки. Чтобы очистить от пыли и глины, его промывают на специальных установках. После этого из него удаляют окиси металлов и просушивают. Финальный этап подготовки песка – загрузка в вибрационные сита. Они просеивают его таким образом, чтобы диаметр крупинок не превышал 1 мм. Очищенный песок поставляется на производство стекла, где выгружается и доставляется в хранилище с помощью конвейера или транспортера. Это главный компонент шихта, но далеко не единственный. Сегодня при изготовлении стекла используются различные добавки, которые влияют на протекание техпроцессов или на характеристики самого материала. С помощью них можно придать стеклу большую прочность, повысить его светопропускаемость и т.д. В состав шихты зачастую входят: ·кремнеземное сырье;

·сода;

·доломит;

·кокс, сульфат соды;

·силикат натрия, лития или калия;

·известняк;

·полевой шпат и прочее. Эти компоненты поступают из хранилищ в смесительную установку уже взвешенными и подготовленными. Они перемешиваются при определённом уровне влажности и температуре. При этом такие элементы, как сульфат натрия и сода, понижают необходимую температуру для плавления состава, что существенно уменьшает энергозатраты на производство стекла. В шихту также может добавляться измельченное битое стекло. Оно является отличным кремнезёмным сырьем, не требующим дополнительной обработки и подготовки. Благодаря этому производство становится безотходным. Изготовление стекломассы Готовая смесь по конвейеру попадает в стекловарную печь, температура в которой составляет около 1600℃. После того, как шихта становится жидкой, она перемещается в другую часть печи, а на место расплава засыпается новая партия. Этот процесс не останавливается, и может подаваться около 1,5 тонны каждую минуту. На следующем участке температура ниже и составляет порядка 1000°С. Тут расплав приобретает однородность, из него выводятся пузырьки газов. Готовая стекломасса должна остыть и приобрести необходимую вязкость, для того чтобы перейти к этапу формования. Формование материала В зависимости от вида производства стекла формование может выполняться различными способами: ·выдувание;

·прессование;

·центробежное формование;

·прессовыдувание;

·прокатка;

·вытягивание;

·формование на расплаве металла.

Последний способ наиболее распространенный и используется для изготовления листового стекла. Для этого стекломасса переправляется в специальную ванну, на дне которой находится расплавленное олово. Тут она равномерно растекается и образует длинную ленту. За счет контакта с оловом она становится гладкой и ровной, растекаясь по нему, как масляная капля по поверхности воды. Длина и толщина ленты может корректироваться с помощью специальных устройств, которые растягивают или ограничивают её. Этот метод производства стекла является одним из наиболее распространенных.

Оборудование для производства стекла Оборудование для производства стекла по технологии флоат имеет такой состав: ·стекловарительный агрегат – это регенеративная печь с поперечной подачей пламени, которое обеспечивает природный газ;

·склад для сырьевых материалов;

·склад для стеклобоя и участок для его переработки;

·шихтосмесительная установка с высотными сило;

·печь с отделением в виде ванны;

·участок для флоат расплава;

·линия для формировки, резки и отгрузки стекла;

·система возврата отходов;

·различные вспомогательные склады и здания, выполняющие задания по производству и хранению вторичных сырьевых компонентов. Способы производства стекла Стекло представляет собой твердое вещество, которое широко используется при строительных работах и получается при затвердении охлажденной жидкости. Благодаря своему набору полезных свойств стекла, которые проектируют для сооружений, могут максимально пропускать солнечный свет, не теряя при этом тепла, которое сохраняется внутри. Структура представляет собой расплавы жидкого сульфата натрия в комбинации с кремнеземом, которые находятся в переохлажденном состоянии. По старым методикам этот материал получали при помощи кварца (расплавленный песок). Но на современном этапе стали использовать более модернизированные способы для производства так называемых листовых стекол. Процесс изготовления стекла и различные способы поэтапного производства Стекло является одним из древнейших материалов, которые использует человек в повседневности. На данный момент считается, что такую науку как производство стекла первой освоила Месопотамия с древним Египтом. Это было более чем пять с половиной тысяч лет назад. Технология производства стекла не остановилась с того момента и начала активно развиваться. А использование этого материала, полученного природным образом (вулканического или же обсидианового) началось ещё раньше в каменном веке, и из-за его редкости на тот момент, оно было частым торговым товаром. В наше же время с современными технологиями изготовить или приобрести его не составляет особого труда. Способы производства стекла шагнули далеко вперед с древних времен, и сейчас оно используется в различных сферах нашей жизни. При этом выделяют десятки различных типов самостоятельных материалов для изготовления различных изделий и использования в строительстве. Стекло – это материал, что может менять свои технические свойства в зависимости от компонентов, из которых его изготовили. Благодаря этому оно может менять механическую прочность и термическую стойкость, прозрачность, возможность образования газонепроницаемости от совмещения с определенными металлами и сплавами. Основным элементом, имеющим наибольший процент в составе стекла (от 40 до 96%) является кварцевый песок или же оксид кремния (IV) SiO₂. Вторым по важности находится окись кальция СаО, дающая химическую стойкость стеклу и придающая блеск. Далее следуют различные оксиды щелочных металлов натрия (Na₂O) или калия (K₂O), благодаря которым стекло поддается плавке и выделке. Самым распространенным стеклом считается силикатное, а именно то, что используется в производстве окон, тары, различной посуды. Его состав начисляет 71-74% SiO₂, от 5 до 7% CaO, ~15% Na₂O и остальное в виде различных добавок Al₂O3, MgO, Fe₂O₃, SO₃.

Следующий способ появился во времена, так называемой, второй революции в стекловарении. В этот период появились стеклодувная трубка и понтия. Которые дали новый импульс в производстве стекло.

Все слышали про стеклодувную трубку, представляют, зачем она нужна и как работает, а вот про понтию, чаще всего, мало кто слышал. Это такая палка, с керамическим набалдашником, на которую закрепляют заготовку изделия, снятую со стеклодувной трубки, для последующих манипуляций, например для формования горла у вазы. Так вот, благодаря двум этим приспособлениям, появилась технология изготовления плоского стекла, называемая в России лунным способом, а зарубежом – краун (crown). По этой технологии, при помощи стеклодувной трубки, сначала формируется большой пузырь, который после выдувания отделяется от трубки и прикрепляется на понтию. После этого понтия начинает интенсивно вращаться, а исходная заготовка, до действием центробежных сил, превращается в плоский круглый диск. Хороший мастер мог отформовать диск размером до 1,5 м, и которого впоследствии вырезали стекло квадратной формы. Основным недостатком этого метода можно назвать утолщение в центральной части диска – след пот понтии, который называется «бычий глаз».

Чаще всего центральная часть шла в брак и на переплавку, хотя в старых зданиях можно встретить стекла и данным дефектом. Метод просуществовал достаточно долго, вплоть до середины 19 века.

Но время шло, и метод производства лунных стекол перестал удовлетворять постоянно растущим аппетитам людей. Стеклоделы начали задумываться, как получить большой лист тонкого стекла, желательно прямоугольного, при имеющихся средствах производства. Не знаю где и когда зародился данный метод, но он был гениален в своей простоте. Фактически мы не далеко ушли от лунных стекло, но вместо выдувания пузыря и его раскручивания, начали выдувать большой стеклянный цилиндр. Метод получил название холявный или еще его называют методом производства стела цилиндрическим способов.

Халяву мастер-стеклодув формовал в специальную яму, постоянно раскачивая и вращая заготовку, для равномерного формования. Работа очень тяжелая, особенно учитывая температуру у стекловаренной печи. После того, как заготовка немного затвердевала, круглые концы отрезались, а вдоль цилиндра делался надрез. Далее заготовку помещали в специальную «правильную печь», где ее нагревали до пластичного состояния и разравнивали на гладкой поверхности специальными приспособлениями. Сейчас такой прием используют при производстве лобового остекления, только не для придания плоской формы, а наоборот, криволинейной, данный способ называется моллированием. После раскатки заготовки отправлялись в печь отжига.

В наше время листовое стекло производят двумя различными способами: ·Фурко. ·Флоат. Технология стекла по методу «Фурко» основана на прокатывании горячей стекломассы через специально предназначенные валики. Затем смесь транспортируется в камеру охлаждения. Тут осуществляется разделение ее на листы. Технология изготовления стекла «Флоат» методом подразумевает под собой поступление стекломассы в виде ленты в охлаждающий расплав с оловом. Нижняя поверхность при этом получается идеально гладкой. А поверхностное натяжение делает верхнюю поверхность ровной. Затем стекломасса проходит стадию охлаждения. В связи с тем, что на данном этапе стекло охлаждается неравномерно, возникают напряжения. Они существенно снижают механическую прочность данного материала. Для устранения этого, стекло подвергается термическому отжигу. Данная технология лежит в основе всего современного производства стекла. Обусловлено это тем, что такой метод имеет неоспоримые преимущества: ·высокая производительность; ·идеально гладкая поверхность; ·минимальные оптические дефекты; ·минимизация оптических искажений готовой продукции; ·отсутствие дополнительной обработки стекла; ·декоративное оформление. 1.Методом Фурко, который разработал в 1902 году Эмиль Фурко.

В конце 19, начале20 века процесс производства стекол халявным методом автоматизировали и вместо стеклодува появились установки механического вытягивания, где использовались воздушные насосы. Особенно распространена автоматизация была на фабриках Пилкингтон, где получали цилиндры до 13 метров в длину. Халявный метод, особенно после автоматизации был не плох, правда множество операций очень усложняли его, не позволяя производить стекла в больших объемах. Также стоит отметить низкое качество поверхности стекол, оно было волнистое с оптическими искажениями, сейчас бы оно однозначно отправилось в брак. Поэтому постоянно шли поиски новых методов производства, более экономичных и массовых. И вот, в 1905 году, бельгийский инженер Эмиль Фурко предложил способ вертикального вытягивания стекла, он же метод Фурко или ВВС. Данный подход позволил значительно удешевить производство стекла, причем поверхность стекла была огненно-полированная, а не кованная с дефектами поверхности на которой формовали. Правда были и свои дефекты у ВВС, но обо всем по порядку. В чем особенность метода Фурко? Первое, что вытяжная машина являлась единым целым с печью и находилась в ее студочной части. Такой подход сразу упрощает производство, убирая кучу этапов и делая выработку непрерывной. Суть метода заключается в том, что на поверхности стекломассы находится шамотная лодочка с щелью, из которой под действием гидростатического давления вытекает постоянный поток стекломассы. Скорость вытягивания регулируется глубиной погружения лодочки.

Во время процесса вытяжки стекло поступает в шахтную камеру, где протягивается роликами, охлаждается и отжигается, специально для этого есть специальные окна, открытие которых регулирует процесс отжига.

Толщину стекла регулировали размерами щели, скоростью вытягивания и температурой в зоне вытяжки. Также была проблема с пластичностью еще не затвердевшего стекла, при вытяжке она сужалось, примерно, как растянутая резинка сужается посредине. Для предотвращения этого эффекта применялись бортодержатели и водное охлаждение.

Стекло, из-за применения валиков, имело волнистость, ведь во время вытяжки оно имеет пластичность. Также свой вклад в качество продукции вносила и лодочка, со временем, из-за разрушения, она становилась неровной, в конечном итоге влияло на разнотолщинность. Еще и включения появлялись, как напоминание о лодочке. Со временем появился безлодочный метод, где использовалось специальное погружное тело, что позволило убрать недостатки вносимые лодочкой. Методы ВВС и БВВС широко применялись во 20 веке, все советские здания были остеклены стеклами, произведенными по данным технологиям. Как раз это те самые «отекшие» стекла в школах.

2.Флоат (плавающий метод), разработанный в 1959 году фирмой «Пилкингтон», данный способ популярен до сих пор, и с его помощью производят более 90% стекла.

Мы подходим к основному методу производства листового стекла в наше время, созданному Аластаром Пилкингтоном. Он же флоат-процесс. Рассмотрим этот метод в рамках современной технологической линии.

Этапы производства стекла таким способом включают в себя:

1.Все компоненты для производства стекольной массы измеряются с большой точностью на электронных весах и отправляются в печь.

Все начинается с подготовки шихты, в специальном помещении, на автоматической линии взвешиваются все компоненты, согласно рецептуре. После компоновки, шихта поступает в смесители, где тщательно перемешивается. Кроме минеральных компонентов в шихту замешивается до 25% боя стекла. Нужно это для снижения температуры варки и улучшения провара шихты. Стекольное производство достаточно безотходное.

После подготовки, шихта транспортируется в печной зал. Способов транспортировки много, и ленты и тележки. Далее шихта с помощью загрузчика подается в печь.

2.Далее при температуре 1600°С все превращается в сплошную массу. Ее доводят до однородного состояния с удалением пузырьков газа.

Стекловаренные печи, используемые в производстве листового стекла очень большие. Производительность у них где-то 1000т в стуки. Вместе с рекуператорами, которые уходят в нижние уровни, имеет высоту с трехэтажный дом.

Такая печь именуется ванной, непрерывного типа. Работает минимум 10 лет, после на ее месте собирается новая печь и производство продолжается. Питается газом, причем горелки, расположенные с двух сторон, работают попеременно, делается так для прогрева рекуператоров, которые в свою очередь подогреваю воздух, подающийся к горелкам. Все это необходимо для экономии топлива и повышения температуры варки. Пройдя всю длину печи, стекломасса попадает в студочную часть, где охлаждается до 1100℃. От туда непрерывной лентой стекло поступает в флоат-ванну, наполненную жидким оловом.

3.После этого полученную массу окунают в ванну с оловом температурой около 1000℃, при этом стекло благодаря более низкой плотности, чем у металла, плавает на его поверхности (основной принцип этого метода производства). В дальнейшем стекло охлаждается и приобретает гладкую поверхность.

В флоат-ванне стекло распределяется по поверхности олова, благодаря тому, что плотность олова выше плотности стекла. Так как поверхность расплавленного металла идеально ровная, то и стекло приобретет бездефектную «огненно-полированную» поверхность. Для регулировки толщины получаемого стекла регулируют вязкость стекломассы, за счет изменения температуры выработки. Больше температура →ниже вязкость →тоньше стекло.

4.В зависимости от количества загруженных расходных материалов определяется толщина стекла. После покидания оловянной ванны температура массы снижается до 600℃, которая всё ещё достаточно велика.

5.Чтобы снизить температуру до приемлемых 250℃ стекло прокатывают на валиках через охлаждающий тоннель.

После флоат-ванны стекло попадет в длинный лер (туннельную печь отжига). Там со стекла снимаются напряжения. Самая длинная часть технологической линии.

6.Далее остывшее сплошное полотно начинают нарезать на листы нужного размера, отходы при этом идут повторно в печь, обеспечивая безотходное производство.

После отжига, лента стекла режется на необходимые размеры автоматическим резчиком. Происходит автоматический контроль качества стекла, а бракованные куски отправляются на переработку. Произведенное стекло складируется и отправляется потребителю.

Вот так выглядело раньше и выглядит сейчас производство листового стекла. Одна из самых крупных стекольных технологий.

Детальнее об изготовлении особых видов стекла Использование данного материала не ограничивается только окнами или кухонными изделиями. Например, для декоративных целей (витражи, облицовка, архитектура) используют стекло разных цветов. Производство цветного стекла по технологии несколько отличается от обычного. Цветное и декоративное Существует несколько разных способов для получения цветного стекла, в соответствии с которыми получают различные оттенки. Окраска зависит от добавлений в стекольную массу различных оксидов таких металлов как медь, кобальт, железо, ванадий, титан, а также некоторых сернистых соединений кадмия, свинца, меди. В зависимости от выбранного элемента и его массы получается цвет окраски и её интенсивность. Есть две технологии производства цветного стекла: 1.Первая занимается получением стекла, которое окрашивают в массе. Это простой способ, мало чем отличающийся от производства обычного материала. Просто во время этапа получения стекольной массы добавляют различные красители, придающие нужные цвета и оттенки. Дополнительно также выдерживают определенный температурный режим, так как различные красители по-разному реагируют на температуру и могут улетучиваться. Минусом данной технологии считается высокий расход красителя. 2.Вторая технология является более сложной в производстве, но при этом использование красителя в данном случае более экономно. Она заключается в том, что стекло изготавливается из двух слоёв. Один из них это обычный прозрачный стекольный лист, а второй – либо тонкий лист крашеного стекла, либо нанесенная цветная оксидная пленка. Основной сложностью в данном методе является слежение за линейным коэффициентом расширения первого и второго слоя, который должен быть одинаковым. Если он будет различаться, то тот пласт, у которого коэффициент больше, растрескается при производстве. Также к подвиду цветного материала можно отнести декоративные изделия. Производство декоративного стекла обычно отличается приданием обычному различной архитектурной формы и нанесению на него орнаментов при помощи специальных принтеров либо химического травления. Жидкое стекло Следующим необычным видом является жидкое стекло, или как его ещё принято называть в торговой сфере, – силикатный клей. Оно широко используется в строительстве, канцелярии, производстве различных материалов, устойчивых к агрессивной среде, изготовлении моющих средств. Свойства силикатного клея объясняют такую широкую сферу использования: ·отличная химическая связь, позволяющая склеивать различные материалы;

·способность к увеличению водонепроницаемости;

·повышение термо- и огнеупорности;

·хорошие антисептические свойства, предотвращение образования гнилости и грибка. Производство жидкого стекла впервые освоил в 1818 году немецкий химик Ян Непомук фон Фукс. В эксперименте он использовал действие щелочи на кремневую кислоту. В наше время такое стекло получают посредством автоклава при помощи обработки кремнезёма растворами гидроксида натрия или сплавлением соды с кремниевым песком. Оптическое стекло Также распространенной областью для применения стекла является оптика. Собственно без стекла эта ветвь промышленности не могла бы и существовать. Оптическое стекло встречается нам везде, где только можно: в медицине и астрономии, в приборах для фото и видео, различном высокоточном оборудовании. Производство оптического стекла является трудоёмким процессом, где очень важна чистота, точность и порядок. Производство оптического стекла можно разделить на два этапа: 1.Производство. Стекло особого состава варится в огнеупорных горшках около 24 часов при температуре 1500℃, при этом помешивается платиновыми или керамическими мешалками. Далее оно осветляется при помощи ввода в массу веществ-осветлителей. После замедленного охлаждения, что длится 6-8 дней, заготовки извлекаются и наиболее качественные отправляются на обработку.

2.Обработка. Заготовки распиливаются алмазными пилами на различные формы. Далее происходит их длительное шлифование абразивами с различной зернистостью, а также промывка, пока не получится линза нужного размера и требуемых свойств. Процесс производства стекла данного типа требует высокой технологичности производства и неумолимого следования стандартам, иначе большого количества брака не избежать. Кварцевое стекло Интересным видом, о котором следует знать, является кварцевое стекло. Данный материал с очень высоким содержанием кремнезёма (более 90%) имеет уникальные свойства, такие как низкий показатель преломления, широкую область прозрачности для лучей всего спектра излучения, высокая термостойкость и низкая электрическая проводимость. Благодаря этому оно незаменимо в производстве оборудования для различных лабораторий, радиотехнических изделий и в других точных отраслях. Производство кварцевого стекла отличается особой трудоёмкостью. Расплав кварца имеет очень высокую вязкость и размягчается при температурах свыше 1700℃, из-за чего оно плохо поддается обработке и осветлению. При этом расплав быстро испаряется, что ограничивает время обработки. Гнутое стекло Гнутое или же моллированное стекло обычно используется для всяких витрин, оригинальных полок, прочей мебели и в автомобильной промышленности. Производство гнутого стекла имеет ограничение в максимальных размерах листа моллированного стекла из-за свойств материала. Его получают при помощи медленного нагрева стекольного полотна до 650℃. После чего материал размягчается и под своим весом начинает гнуться, облегая заготовку определённой формы. Процесс длится от 2-х до 20-ти часов. После чего гнутый лист стекла медленно охлаждают и поддают закаливанию, придавая изделию прочность и меньшую травмоопасность при разбитии на неострые осколки. Закаленное (каленое) стекло Закаленное стекло – это качественное изделие, требуемое в различных отраслях, где необходима высокая безопасность от травм. Оно широко используется в строительстве, производстве различных витрин для магазинов, медицине, изготовлении безопасной посуды, автомобильной, мебельной и железнодорожной промышленности. Главными свойствами, которое обеспечивает производство каленого стекла, являются его высокая механическая и стойкость к нагреву, а также повышенная безопасность при разрушении. Хотелось бы выделить характеристику безопасности: при разбитии такого стекла оно ломается на огромное множество осколков, что имеют тупые неострые грани, за счёт чего не могут наносить тяжёлых травм человеку. Производство закаленного стекла состоит в обработке обычного стекольного листа, которое подвергают нагреву до закаливающей температуры. Она составляет около 650–680℃, после чего стекло относительно быстро охлаждают потоком воздуха с обеих сторон. При этом требуется равномерное распределение воздуха по стеклу. Это образует на поверхностных слоях мощные остаточные напряжения сжатия, а внутренний слой растягивается, благодаря чему данный материал принимает свои важные особенности.

Технология производства стекла

Для того, чтобы произвести изделие из стекла, которое смогло бы отвечать всем требованиям самых взыскательных покупателей, наличие одного кварцевого песка недостаточно. И в этот момент подключается техотдел производства, где изготавливают стекло. Профессионалы своего дела составляют рецепт смеси материалов, которые используются для варки стекла. При правильно подобранной пропорции ингредиентов получается высококачественная стекломасса. Изготовление стекла и различных изделий из данного материала в последние годы стремительно набирает обороты. Связанно это с большим спросом потребителей. Без стекла сейчас трудно представить нынешний мир. Оно используется повсюду. Технология производства стекла от самого начала и до появления конечного продукта состоит из больших инвестиций и досконального знания химических формул самого изготовления. Для больших компаний это основополагающие требования.

Стекло представляет собой жидкость, которая находится в твердом состоянии при температуре окружающей нас среды Земли. Эти аморфные тела поучаются в процессе охлаждения расплавов, которые имеют разный химический состав и обладают особенностями твердых тел. Какие ингредиенты используются? Базовое сырье для получения стекла и изделий из него – это кварцевый песок, сульфат натрия либо сода, мел или известняк, доломит и пегматит. Помимо данных материалов, в состав шихты, в зависимости, какая технология производства стекла используется, добавляют кислотные и стеклообразующие окислы, а также другие связующие компоненты, которые способны придать стеклу определенные особенности. К данным ингредиентам относятся: ·осветлители (трехокись мышьяка, селитра); ·красители (медь, кобальт, окислы железа, марганец и хром). Технология варки стекломассы Технология стекла на данном этапе состоит из приготовления шихты, варки и охлаждения стеклянных изделий. Вам достаточно совсем немного изменить технологию, как стекломасса получит совсем другое строение. Оно может стать плотнее, волокнисто либо ячеисто. Технология изготовления стекла позволяет вам изменять химический состав стекломассы. Такими манипуляциями вы можете корректировать: ·прочность стекла; ·теплофизические и диэлектрические характеристики; ·способность пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи. К примеру, боросиликатное стекло, в котором отсутствуют щелочи, широко используется для изготовления арматуры из бетона, а также других химически устойчивых труб из стекла. Отличается данный материал высокой механической прочностью, низким уровнем линейного расширения и химической стойкостью. Технология производства стекломассы предполагает использование материалов в следующем пропорциональном соотношении: 70% песка, 30% соды и извести. Вдобавок к этому могут быть использованы красители, поташ, оксид свинца и др. Все компоненты необходимо очень тщательно перемешать до получения однородного состава. Затем смесь засыпается в печь, где происходит ее расплавление и варение при температуре 1450-1550℃. После получения качественной стекломассы она быстро охлаждается, чтобы не было кристаллизации. Затем стекло нарезают на листы необходимого размера. Из чего делают стекло? Классический состав самого распространенного силикатного стекла включает кварцевый песок, соду и известь в определенных пропорциях: Из очищенного кварцевого песка добывают диоксид кремния. Эта основа составляет 70–75% смеси. Сода (оксиды щелочных металлов) — не более 17%. Она придает смеси податливость к плавке. Смесь только из песка и соды позволяет получить жидкое стекло, которое растворяется в воде. Известь (карбонат кальция) — 12–16%. Этот компонент придает блеск и стойкость стеклу, делает его нерастворимым в воде. Для придания материалу особых свойств в базовый состав добавляют различные красители и химические вещества. Смесь измельчают и отправляют в плавильные печи. При температуре от 700 до 2 500℃ она превращается в однородную жидкую аморфную массу. Ее выливают в формы, где она остывает и превращается в нужные изделия. Метод1 Использование печи 1.

Приобретите кварцевый песок. Кварцевый песок — это основной ингредиент для производства стекла. Стекло без примесей железа ценится за прозрачность, так как если в стекле содержится железо, стекло будет казаться зеленоватым. oНадевайте маску, если вы работаете с очень тонкозернистым кварцевым песком. При вдыхании он может раздражать горло и легкие. oКварцевый песок можно купить в интернет-магазинах. Он довольно дешевый, мешок весом 25 кг стоит в районе 200 рублей. Если вы хотите работать в промышленных масштабах, то для больших партий специализированные продавцы могут предложить хорошие цены — иногда менее 2000 рублей за тонну. oЕсли вы не можете найти песок, который содержит мало примесей, эффект зеленоватого оттенка можно компенсировать добавлением небольших количеств диоксида марганца. А если вы хотите зеленоватое стекло, оставьте железо как есть! 2.

Добавьте к песку карбонат натрия и оксид кальция. Карбонат натрия (называемый кальцинированной содой) снижает температуру получения промышленных стекол. Однако он вызывает разъедание стекла водой. Поэтому, чтобы нейтрализовать это явление, в стекло дополнительно вводят оксид кальция, или известь. Для того, чтобы сделать стекло более стойким, в него вводят оксиды магния и/или алюминия. Обычно эти добавки занимают не более 26–30 процентов в составе стекла. 3.

В зависимости от назначения стекла, добавьте другие химические вещества. Наиболее распространенная добавка для декоративных стекол — это оксид свинца, который обеспечивает блеск хрусталя, а также его низкую твердость, облегчающую резку, а также низкую температуру образования расплава. Линзы очков могут содержать оксид лантана, который используется из-за своей преломляющей способности, тогда как железо способствует поглощению железа стеклом. oСвинцовый хрусталь может содержать до 33% оксида свинца, однако чем больше свинца, тем больше опыта требуется для того, чтобы сформовать расплавленное стекло, поэтому многие стеклоделы выбирают низкое содержание свинца. Базовое сырье для получения стекла и изделий из него – это кварцевый песок, сульфат натрия либо сода, мел или известняк, доломит и пегматит. Помимо данных материалов, в состав шихты, в зависимости, какая технология производства стекла используется, добавляют кислотные и стеклообразующие окислы, а также другие связующие компоненты, которые способны придать стеклу определенные особенности. К данным ингредиентам относятся: ·осветлители (трехокись мышьяка, селитра); красители (медь, кобальт, окислы железа, марганец и хром). 4.

Добавьте компоненты для получения желаемого цвета стекла, если это необходимо. Как было отмечено выше, примеси железа в кварцевом стекле придают ему зеленоватый вид, поэтому оксид железа добавляется для повышения зеленоватого оттенка, как и оксид меди. Соединения серы дают желтоватый, янтарный, коричневатый и даже черный оттенок, в зависимости от того, сколько углерода или железа дополнительно добавляют в стекольную шихту. 5.

поставьте шихту в хороший температуроустойчивый тигель. Тигель должен выдерживать исключительно высокую температуру, которая достигается в печи. В зависимости от добавок, она может колебаться от 1500 до 2500℃. Тигель должен быть таким, чтобы захват его металлическими щипцами и прутьями не составлял затруднений. 6.

Расплавьте смесь до жидкого состояния. Для промышленного силикатного стекла это осуществляется в газоотапливаемой печи, специальные стекла можно плавить в электрической, горшковой или муфельной печи. oКварц и песок без примесей переходят в стеклообразное состояние при температуре 2300℃. Добавление карбоната натрия (соды) снижает температуру, необходимую для стеклообразования до 1500℃. 7.

Гомогенизируйте расплавленное стекло и удаляйте из него пузырьки. Это подразумевает размешивание стекла до равномерной густоты и добавление таких веществ, как сульфат натрия, хлорид натрия или оксид сурьмы. 8.

Отформуйте расплавленное стекло. Формование стекла можно осуществлять одним из следующих способов: oРасплав стекла можно вылить в форму и дать ему остыть. Этот метод использовался египтянами, именно так создаются большинство оптических линз. oБольшое количество расплавленного стекла можно собрать на конце полой трубы, а затем выдувать его, поворачивая трубу. Стекло формуется благодаря воздуху, продуваемому в трубу, силе тяжести, действующей на расплав стекла, и любым инструментам, которые использует стеклодув для работы с расплавленным стеклом. oРасплавленное стекло можно выливать в ванну с расплавленным оловом, используемым в качестве субстрата, и продувать его сжатым азотом для формования и полировки. Сформованное по этому методу стекло называется флоат-стеклом и именно так производят листовое стекло с 1950-х годов. 9

Медленно охладите стекло в печи. Этот процесс называется отжигом, и при нем удаляются все точечные источники напряжений, которые могут образовываться в процессе охлаждения стекла. Неотожженное стекло гораздо менее прочное. Как только процесс будет завершен, на стекло можно наносить покрытие, ламинировать или обрабатывать его каким-либо другим способом для повышения прочности и стойкости. oТочная температура отжига может варьироваться в зависимости от точного состава стекла от 400 до 550℃. Скорость, с которой должно охлаждаться стекло также зачастую разнится — в общем случае, более крупные стеклянные изделия должны охлаждаться медленнее, чем более мелкие. Перед тем, как начинать работу, проведите исследование подходящих методов отжига. oРодственный отжигу процесс — закалка, при которой сформованное и отполированное стекло помещается в печь, нагретую по меньшей мере до 600 градусов Цельсия, а затем быстро охлаждают (закаляют) потоком воздуха под высоким давлением. Отожженное стекло разбивается с образованием острых осколков при напряжении 40 мегапаскаль (МПа), тогда как отожженное стекло разбивается на мелкие осколки при нагрузке не менее 70 МПа, обычно около 165 Мпа.

Метод2 Использование жаровни на древесном угле 1.

Сделайте импровизированную печь из гриля для барбекю, отапливаемого древесным углем. В этом методе для расплавления кварцевого песка в стекло используется теплота, вырабатываемая пламенем от сжигания древесного угля. Используемые материалы относительно дешевы и доступны — теоретически, чтобы подготовить все необходимое для получения стекла, вам понадобится лишь сбегать в строительный магазин. Используйте большой гриль для барбекю — подойдет гриль стандартного размера модели «купол». Он должен быть как можно более толстостенным и прочным. Большинство грилей для барбекю имеют вентиляционное отверстие на дне — откройте его. oДаже при чрезвычайно высокой температуре, которая достигается при использовании данного метода, расплавить песок на гриле может быть очень сложно. Перед тем как начать, добавьте к песку небольшое количество (около 1/3–1/4 объема песка) стиральной соды, извести и/или буры. Эти добавки снижают температуру плавления песка. oЕсли вы собираетесь выдувать стекло, имейте под рукой длинную полую металлическую трубу. Если же вы собираетесь выливать стекло в форму, подготовьте ее заранее. Вам нужна форма, которая не сгорит и не расплавится от жара расплавленного стекла, для этих целей отлично подходит графит. 2.

Знайте опасность этого метода. Этот метод предусматривает нагрев гриля для барбекю за пределы его нормальных температурных ограничений — настолько, что может даже расплавиться сам гриль. Неосторожная работа с использованием этого метода представляет угрозу тяжелейших ранений или даже смерти . Работайте с осторожностью. Держите под рукой большой объем земли, песка или огнетушитель, предназначенный для высоких температур, на случай, если вам понадобится уменьшить интенсивность огня. 3.

Предпримите все возможные меры предосторожности, чтобы защитить себя и ваши вещи от высокой температуры. Работайте по данному методу на бетонной поверхности вне помещения, в условиях достаточного пространства вокруг. Не используйте незаменимое оборудование. Держитесь подальше от гриля, когда вы варите стекло. Вам также нужно надеть как можно больше защитной одежды, включая: oвысокопрочные перчатки или рукавицы для печей; oсварочную маску; oвысокопрочный фартук; oогнестойкую одежду. 4.

Приобретите пылесос для домашней мастерской с длинной насадкой на шланг. С помощью клейкой ленты или еще каким-нибудь образом изогните шланг так, чтобы он дул прямо в вентиляционное отверстие на дне, не касаясь корпуса гриля. Вероятно, вам понадобится прикрепить шланг к одной из ножек или колесиков гриля. Поставьте сам пылесос как можно дальше от гриля. oУбедитесь, что шланг закреплен и не двигается: в случае высвобождения его во время варки стекла, не подходите к грилю, если он будет сильно разогрет. oВключите пылесос, чтобы проверить положение шланга. Точно размещенный шланг будет дуть прямо в вентиляционное отверстие. 5.

Выложите внутреннюю поверхность гриля древесным углем. Используйте больше угля, чем вы бы взяли для запекания мяса. Успешные результаты наблюдаются при заполнении гриля практически до краев. Поставьте в середину гриля чугунную кастрюлю или тигель с песком, обсыпав их древесным углем. oДревесный уголь из твердой древесины (кусковой) горит жарче и быстрее, чем брикетированный, что делает такой уголь лучшим выбором при условии его наличия.

6.

Подожгите уголь. Сверьтесь с упаковкой от древесного угля, чтобы лучше узнать, можно ли непосредственно поджигать ваш уголь, или же он требует использования зажигательной жидкости. Дайте пламени равномерно распространиться. 7.

Подождите, пока древесный уголь нагреется. Угли будут готовы, когда они посереют и начнут излучать оранжевый свет. Вы сможете ощущать тепло, просто находясь рядом с грилем.

8.

Включите пылесос, чтобы уголь продувался воздухом. Древесный уголь, продуваемый воздухом, может нагреваться до исключительно высоких температур (до 1100℃) Будьте осторожны — из печи могут образовываться восходящие вспышки. oЕсли вы не смогли добиться достаточно высокой температуры, поэкспериментируйте с перемещением крышки при продувании воздуха сквозь вентиляционное отверстие. 9.

Когда ваше стекло расплавится, очень аккуратно воспользуйтесь металлическим инструментом, чтобы достать его и придать форму. Из-за низких температур, которые достигаются по этому методу, расплавленное стекло будет более густым и тяжелым в работе, чем стекло из печи. Формуйте его с помощью трубы, формы или других инструментов, которые обычно используются. Советы ·Если у вас крупнозернистые песок или добавки, измельчите их с помощью ступки и пестика или механической дробилки. Тонкозернистые частицы расплавятся быстрее. ·Вместо чистого кварцевого песка можно использовать некоторые пляжные пески, однако полученное стекло может быть непрозрачным, окрашенным или иметь худшее качество. Используйте самый белый, тонкий и однородный песок, который сможете достать. ·Перед варкой к песку можно добавлять измельченные кусочки стекла, чтобы переработать их в новое стекло. Старое стекло, или бой, сначала нужно проверить на наличие включений, которые снизят прочного получаемого с ним нового стекла — ищите пузырьки. oВо время измельчения стекла надевайте маску, чтобы предотвратить случайное вдыхания. Предупреждения ·Всегда будьте осторожны, находясь вблизи источников высокой температуры. Никогда не пытайтесь делать стекло рядом с детьми или домашними животными. ·Тушение чрезвычайно высокотемпературного пламени водой может только усугубить его. Например пламя, которое горит при 2000℃ настолько горячее, что может разложить воду (H₂O) на составляющие ее атомы водорода и кислорода, выделяя огромное количество тепловой энергии. В случае очень горячего пламени лучше всего иметь под рукой большое ведро земли или песка. oВ огнетушителях класса D содержится хлорид натрия (поваренная соль), они используются для тушения возгораний источником которых являются металлизированные зажигательные вещества. Что вам понадобится ·Кварцевый песок (диоксид кремния) ·Карбонат натрия (сода) ·Оксид кальция (известь) ·Другие оксиды и соли (например оксид магния, оксид алюминия, оксид железа, соли натрия или кальция при необходимости) ·Оксид свинца (при необходимости) ·Огнеупорный тигель, форма или полая труба ·Печь для варки стекла

Отжиг – обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаждении для закрепления заданной формы изделий в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий. Закалка – эта операция применяется при получении стекла с повышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением поверхности. Обычное стекло хрупкое, с ним обращаются осторожно. Но для окон, дверей, автомобилей и многих других изделий в разных сферах требуется прочное стекло. Существует два основных вида противоударного стекла — закаленное и триплекс. Для производства закаленного стекла применяется особая технология термообработки. При этом стекло нагревают до 650–680℃, после чего равномерно охлаждают. После такой закалки стекло становится необычайно прочным, его не удастся разбить просто так. Но если оно и разбивается при значительных усилиях, то не рассыпается на мелкие острые осколки и опасности не представляет. Триплекс делают из двух и более слоев стекла, которые склеивают специальной пленкой. Его тоже сложно разбить, а осколки после разбивания удерживаются на пленке и не рассыпаются. Триплекс особенно востребован в производстве лобовых стекол для автомобилей.

Сырьевые материалы и подготовка шихты Наиболее распространенным в массовом производстве тарного, листового и сортового стекла является базовый пятикомпонентный натрий-кальций-алюмосиликатный состав, представленный следующими оксидами, масс. %: SiO₂ - 68 - 73, Al₂O₃ - 0 - 3, Na₂O - 14 - 17, CaO - 0 - 11, MgO - 0 - 5. Сырьевые материалы, которые используются для производства стекла, делятся на основные и вспомогательные. К основным относятся искусственные и природные материалы, которые содержат компоненты, обеспечивающие оксидный состав, температурно-временной режим варки, способ формования стекла, режим отжига и физико-химические свойства изделий. К вспомогательным относятся соединения, отвечающие за процессы осветления (осветлители), окрашивания и глушения (красители и глушители), а также регулирования кислотно-основных и цветовых характеристик (окислители и восстановители) стекломассы и изделий. Критериями выбора того или иного сырьевого материала для производства стекла служат содержание в нем основного компонента, содержание вредных (красящих, тугоплавких и т.п.) примесей и гранулометрический состав. В производстве бесцветных стекол повышенного качества правильнее использовать синтетические и искусственные сырьевые материалы (сода, поташ, технический глинозем, борная кислота, оксид свинца и т.д.), тогда как при изготовлении изделий из полубелых и цветных стекол более рационально использовать природное сырье (полевые шпаты, нефелин, каолин, мел, мрамор, известняк и т.п.). Природное сырье дешевле синтетического и искусственного, но отклонения как в содержании основного компонента, так и в составе примесей может резко отличаться от партии к партии, что следует учитывать при выборе того или иного вида сырья. Базовые компоненты шихты Кварцевый песок - источник оксида кремния (SiO₂), основного компонента в составе стекла . Кварцевый песок - продукт разрушения горных пород; состоит из зерен кварца и примесей (глина, полевошпатовые породы, уголь, соединения железа и др.). В составе всех песков встречается наиболее вредная примесь оксид железа, окрашивающая стекло в зеленый или желтый цвет. В песках присутствуют также красящие оксиды хрома Cr₂O₃ и титана TiO₂. Оксид хрома окрашивает стекло в зеленый цвет, а диоксид титана в присутствии железа окрашивает стекло в желтый цвет. Содержание в песке Cr₂O₃ не должно превышать 0,0001%, а TiO₂ - 0,05% по массе. Природные пески обычно содержат окрашивающих примесей больше, чем допускается стандартом, поэтому пески обогащают и тем самым повышают содержание основного вещества. Основные способы обогащения: промывка, флотооттирка, магнитная сепарация. Большое значение для стекловарения имеет зерновой состав песка. Наилучшими являются пески с зернами размером 0,15 - 0,3мм, в которых не должно содержаться более 5% зерен крупнее 0,5 мм и более 8% зерен мельче 0,1 мм (пыли). Оксиды щелочноземельных металлов. Основными щелочноземельными оксидами, входящими в состав стекла, являются оксид кальция CaO и оксид магния MgO. Оксид кальция повышает химическую устойчивость стекла, облегчает процесс варки и осветления стекломассы. Вводят оксид кальция в стекло с помощью природных карбонатов кальция, известняка, мела и мрамора. Известняк CaCO₃ - осадочная горная порода белого и светло-серого цвета. Природный известняк, используемый в стекловарении, должен содержать не менее 42 - 54% по массе оксида кальция и не более 0,1 - 0,2% оксидов железа. Мел - мягкая осадочная порода белого цвета. Включения оксидов железа придают ему желтоватый оттенок, а глины - сероватый. Содержание CaO в меле должно быть не менее 54,3%, а оксидов железа - не более 0,2%. Известняки и мел, пригодные для стекольной промышленности, широко распространены в природе. Мрамор - горная порода, содержит до 99 - 99,5% CaCO₃ и небольшое количество оксида железа - 0,015%, характеризуется постоянством химического состава. Оксид магния MgO улучшает ряд важных физико-химических свойств стекла. При замене оксида кальция оксидом магния повышается механическая прочность стекла, понижается коэффициент расширения стекла, уменьшается склонность стекла к кристаллизации. Вводят оксид магния в стекло природным материалом - доломитом CaCO₃·MgCO₃. Иногда MgO вводят магнезитом или доломитизированным известняком. Доломит - твердая светло-серая осадочная порода, окрашиваемая соединениями железа в желто-коричневый цвет. По качеству природный доломит для производства стекла должен содержать: для высшего сорта не менее 19,5% MgO, а для остальных сортов - не менее 18% по массе; содержание CaO соответственно не более 32 и 34%; содержание Fe₂O₃ - 0,1 - 0,4%. Обогащенный доломит используется в виде порошка. Перед введением его в шихту проводят контрольный просев. Оксиды щелочных металлов. В состав стекла входят оксиды натрия Na₂O и калия K₂O. Присутствие оксидов щелочных металлов в многокомпонентных стеклах понижает термическую и химическую устойчивость стекол, ослабляет их механические и диэлектрические свойства. Наряду с этим, они способствуют снижению вязкости расплавов и температуры варки стекол. Оксид натрия вводят в стекло через кальцинированную соду и сульфат натрия, а оксид калия - через поташ, содово-поташную смесь и селитру. Кальцинированная сода Na₂CO₃ - основной материал для ввода в стекло оксида натрия. Сода представляет собой белый пылевидный порошок, который хорошо растворяется в воде. Согласно требованиям стандарта, в прокаленной соде содержание Na₂CO₃ должно быть не менее 99% по массе. В процессе стекловарения сода разлагается, при этом 58,5% Na₂O переходит в стекломассу и 41,5% CO₂ улетучивается в атмосферу печи. Искусственную легкую соду получают по аммиачному способу (метод Сольве). Сода отличается мелкодисперсностью (55% частиц размером менее 0,1 мм), она малосыпучая, плохо перемешивается с другими компонентами шихты, слеживается и зависает в бункерах, сильно распыляется. Хранят соду в сухих закрытых складах или в силосах (банках). Гранулированная сода (размер гранул 0,1 - 1,2 мм) не имеет отмеченных выше недостатков. Сульфат натрия Na₂SO₄ вводят в состав шихты от 5 до 15% по массе Na₂O взамен части соды, но преимущественно не с целью ее замены, а как необходимый компонент для нормального течения стекловарения. При введении в стекло в малых количествах (0,5 - 0,7% по массе Na₂O) сульфат натрия, вероятно, ускоряет процесс осветления стекломассы. Сульфат натрия бывает искусственный, образующийся как побочный продукт на заводах по производству соляной и азотной кислот, и природный, большие запасы которого находятся в Прикаспийском районе в заливе Кара-Богаз-Гол. По техническим условиям природный сульфат натрия первого сорта должен содержать Na₂SO4 не менее 96,5% по массе. Поташ K₂CO₃ - искусственный белый материал, легко растворим в воде, гигроскопичен, комкуется. Хранят его в сухих помещениях в плотно закрытых емкостях. Для стекловарения применяют, главным образом, кальцинированный поташ, который по стандарту должен содержать не менее 98% по массе K₂CO₃. Введение в состав стекла оксида калия взамен оксида натрия придает стеклу блеск и прозрачность, улучшает оттенок стекла. В связи с этим его вводят в стекло в основном при производстве сортовой посуды, хрусталя, цветных и оптических стекол для увеличения "длины" (вязкостной характеристики при формовании) стекла. Оксид алюминия Al₂O₃ и алюмосиликаты улучшают стойкость к химическому воздействию. Нефелиновый концентрат - продукт обогащения апатитонефелиновой руды в виде тонкозернистого порошка серого цвета со сравнительно постоянным зерновым и химическим составом, содержит по массе не менее 29% Al₂O₃. В связи с высоким содержанием оксидов железа (3% по массе) его не применяют при производстве изделий из бесцветного стекла. В качестве природных источников оксида алюминия используют также пемзу, вулканический пепел, липарит, пегматиты, каолины, полевые шпаты. Поступают они на стекольные заводы измельченными и упакованными в мешки и вводятся в состав шихты предварительно хорошо смешанными с содой для снижения температуры плавления. Для варки специальных и оптических стекол применяют оксиды некоторых металлов. Оксид свинца PbO - тяжелый легкоплавкий материал, который увеличивает показатель преломления стекла, придает блеск и повышает плотность, снижает теплоемкость и температуру плавления, способствует лучшему растворению и распределению красителей в стекле, применяют в производстве оптического стекла, изделий из хрусталя, искусственных драгоценных камней. Свинцовые стекла легче поддаются гранению, шлифованию и полированию. Вводят оксид свинца в стекло в составе свинцового сурика Pb₃O₄ или свинцового глета PbO. На стекольных заводах чаще всего используют свинцовый сурик, представляющий собой порошок ярко-оранжевого цвета. Оксиды свинца легко восстанавливаются до металлического свинца, поэтому вводить в шихту их следует вместе с веществами, выделяющими кислород (окислителями). Оксид цинка ZnO применяют в производстве сортовой посуды, светотехнических изделий, а также механически прочных, термостойких и химически устойчивых технических стекол. Оксид цинка придает стеклу значительную термическую и химическую устойчивость, в связи с чем цинковые стекла весьма устойчивы к резким изменениям температуры и применяются для производства лабораторной посуды. Вводят оксид цинка в стекло через цинковые белила, содержащие не менее 96% ZnO; в отдельных случаях - в виде углекислого цинка ZnCO₃, встречающегося в природе в качестве минерала галмея (цинковый шпат) или азотнокислого цинка Zn(NO₃)₂. Оксид бария BaO повышает блеск и показатель преломления стекла, улучшает диэлектрические свойства, поэтому его применяют в производстве оптических и специальных стекол, а также при производстве бариевого хрусталя. Частичная замена оксида кальция оксидом бария уменьшает вязкость и склонность расплава стекла к кристаллизации. Вводят оксид бария в стекло карбонатом бария BaCO₃, сульфатом бария BaSO₄ или нитратом бария Ba(NO₃)₂. Карбонат бария - белый кристаллический, нерастворимый в воде порошок, вырабатывается химическим путем и содержит 77,7% BaO. Природный карбонат (витерит) встречается очень редко. Сульфат бария бывает природный (минерал барит или тяжелый шпат) и искусственный. Если в состав шихты вводят более 5% BaO, то в этом случае в шихту добавляют углерод (5 - 7% по массе от массы BaSO₄). Нитрат бария применяют главным образом при варке оптического стекла. Стекломасса с бариевыми соединениями сильно разъедает огнеупор. Среди сырьевых материалов для специальных видов стекол, например, для выработки стекловолокна, необходимо использовать борную кислоту (H₃BO₃), поскольку оксид бора (B₂O₃) повышает химическую стойкость к агрессивным средам, а также оксиды титана TiO₂ и циркония ZrO₂. Ускорители, осветлители, окислители и восстановители Ускорители, осветлители, окислители и восстановители - это соединения, выделяющие газовую фазу при высоких температурах за счет реакций разложения или окисления-восстановления. Для ускорения стекловарения применяют соединения фтора и хлора, а также нитраты натрия, калия, бария и аммонийные соли, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и тем самым увеличению скорости процесса силикатообразования. Шихта с добавкой 1% фтора при 1450℃ гомогенизируется в два раза быстрее, чем шихта без фтора. Кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ - отход химических производств, сильно летуч, токсичен. Вводят в состав шихты из расчета 0,3 - 0,5% фтора сверх основного состава стекла. Наряду с положительными факторами, применение фторидов вызывает ряд отрицательных явлений. Фториды усиливают разрушение огнеупорных материалов стекловаренных печей и, вследствие большой летучести, вместе с дымовыми газами выделяются в окружающую среду. Хлористый натрий NaCl (поваренную соль) вводят в состав шихты от 1,5 до 3% ее массы. Как и фториды, NaCl сильно летуч. В процессе стекловарения теряется по массе до 35% добавляемого хлорида натрия. Осветлители - материалы, вводимые в состав шихты и способствующие освобождению стекломассы от газовых включений. В качестве осветлителей используют сульфат натрия, селитру, а также аммонийные соли. Сульфат натрия Na₂SO₄ вводят в состав шихты в количестве 0,5 - 1% по массе. Натриевая селитра NaNO₃ содержит до 99% основного вещества и в процессе стекловарения разлагается при температуре 725℃, в зависимости от окислительно-восстановительной среды, с выделением кислорода и азота. В качестве осветлителя используют также и калиевую селитру KNO₃, которая разлагается при 925℃. Из аммонийных солей вводят в состав шихты азотнокислый аммоний NH₄NO₃ в количестве 0,25% от массы шихты, сернокислый аммоний (NH₄)₂SO₄ в количестве от 0,5 до 3%, а также хлористый аммоний NH₄Cl - 0,25%. Обесцвечиватели вводят в состав шихты для устранения зеленого оттенка, придаваемого стеклу оксидами железа. Примеси железа, содержащиеся в сырьевых материалах, обусловливают присутствие в стекле соединений железа в виде оксида железа FeO, окрашивающего стекло в голубовато-зеленый цвет, и в виде оксида железа Fe₂O₃, окрашивающего стекло в желто-зеленый цвет. Интенсивность окраски зависит от общего содержания в стекле оксидов железа. При производстве многих видов изделий из стекла такая окраска не допускается, поэтому для ее устранения и применяют обесцвечивающие материалы. Различают обесцвечивание физическое и химическое. Физический способ обесцвечивания эффективен при общем содержании оксидов железа в стекле не более 0,08%, а химический - при 0,06%. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят красители, которые окрашивают его в цвет, дополнительный к окраске соединениями железа, и нейтрализуют нежелательный оттенок, поглощая избыток зеленых лучей. В качестве физических обесцвечивателей применяют селен, закись никеля, оксид кобальта, перекись марганца и оксиды редкоземельных элементов (неодима и эрбия). Селен Se вводят в шихту совместно с оксидом кобальта CoO, что обеспечивает наилучший результат, так как синяя окраска оксида кобальта компенсирует легкую желтовато-розовую окраску, получаемую при использовании одного селена. Кроме элементарного селена, его вводят в виде селенисто-натриевой соли Na₂SeO₃, содержащей до 45,6% элементарного селена. Содержание селена в стекле составляет 0,005 - 0,01%, оксида кобальта - 0,0001%. Селен обладает высокой летучестью, поэтому его количество, остающееся в стекле, не превышает 25 - 30% от вводимого. Оксид никеля NiO чаще всего вводят совместно с селеном и оксидами кобальта. Диоксид марганца MnO₂ при стекловарении разлагается с выделением кислорода. Образующийся оксид марганца MnO окрашивает стекло в дополнительный желтый цвет и способствует физическому обесцвечиванию, а кислород играет роль химического обесцвечивателя. Следовательно, встречающийся в природе минерал пиролюзит, содержащий до 90% MnO₂, является обесцвечивателем смешанного типа. В том же качестве обесцвечивателей применяют вещества из группы редких земель. Оксид неодима Nd₂O₃ вводят в состав стекла в количестве 0,005 - 0,007%, который придает стеклу лилово-розовую окраску. Оксид эрбия Er₂O₃ в количестве 0 - 0,2% окрашивает стекло в бледно-розовый цвет. При химическом обесцвечивании имеющееся в стекле железо переводят в трехвалентную форму, так как удельное поглощение света двухвалентного железа Fe²⁺ в области видимых лучей спектра в 10 раз больше трехвалентного Fe³⁺. Химически обесцвеченное стекло обычно имеет слабый желтовато-зеленый оттенок, обладая при этом высоким светопропусканием. С целью обеспечения в шихте избытка кислорода применяют окислители (вещества, которые при разложении выделяют кислород), являющиеся химическими обесцвечивателями. К ним относятся селитры, диоксид церия. Диоксид церия CeO₂ - сильнейший окислитель. Его вводят в состав стекла в количестве 0,07 - 0,1%. На практике применяют цериевый концентрат, содержащий 87,4 - 91,5% CeO₂. Широкое распространение диоксид церия получил в производстве изделий из хрусталя. Наиболее распространенные соединения, которые используют в качестве восстановителей, - углерод в виде угля или сажи, виннокислый калий KHC₄H₄O₆. Красители и глушители К вспомогательным сырьевым материалам относят также красители, придающие стеклу свой оттенок. Процесс окрашивания стекла основывается на протекании окислительно-восстановительных реакций, переводе красящих ионов в необходимое валентно-координационное состояние, а также стабилизации размеров атомов и молекул в составе стекла. Окрашивают стекла в различные цвета соединениями металлов, которые растворяются в стекломассе (молекулярные красители) или равномерно распределяются в виде мельчайших коллоидных частичек (коллоидные красители). Окрашивание стекла зависит не только от свойств красителей, но и от химического состава стекла и условий варки. Молекулярные красители - это соединения кобальта, марганца, никеля, меди, железа, урана, селена, хрома, кадмия. Соединения кобальта окрашивают стекло в синий цвет. При содержании оксидов кобальта CoO и CO₂O₃ в количестве 0,05% окраска стекла синеватая, а при 0,5% - ярко-синяя. Калиевые стекла получают более интенсивное синее окрашивание, чем натриевые. Окраска соединениями кобальта не зависит от режима стекловарения и при использовании совместно с другими красителями (солями хрома и меди) можно получить окраску стекла от зеленовато-синей до зеленой. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет при содержании оксида марганца Mn₂O₃ до 3% и черный - при содержании 12 - 20%. С этой целью в состав шихты вводят природный минерал - пиролюзит MnO₂ или препарат перманганат (марганцево-калиевую соль) KMnO₄. Соединения никеля Ni₂O₃, NiO окрашивают стекло в красновато-фиолетовый (при содержании NiO 2 - 3%) и дымчатый (0,08 - 0,25%) цвета. Вводят в шихту триоксид никеля Ni₂O₃ (порошок черного цвета). Окрашивание соединениями никеля хорошо воспроизводимо и не зависит от условий стекловарения. Соединения меди в зависимости от концентрации, состава стекла и условий окрашивания придают стеклу синий, голубой, зеленый и красный цвета. Оксид меди CuO окрашивает стекло в голубой, слегка зеленоватый цвет. Чисто голубой цвет стекла получают при введении CuO в количестве 1 - 2%, с увеличением содержания оксида меди окраска стекла переходит в зеленую. Соединение железа Fe₂O₃ окрашивает стекло в цвета от желтого до коричневого, FeO - в сине-зеленый. Обычно в стекломассе оксиды железа присутствуют не в отдельности, а в виде смеси, которая и окрашивает стекло в зеленый цвет. Для ввода оксидов железа в стекло на заводах применяют пиритные огарки - отходы сернокислого производства, а также крокус - порошок красно-бурого цвета. Соединение урана UO₂ окрашивает стекло в бурый и черный цвета, UO₃ - в желтый. Натриевая соль урановой кислоты Na₂UO₄ окрашивает стекло в яркий желто-зеленый цвет. Для стекла, окрашенного ураном, характерна флуоресценция, вызванная ультрафиолетовым излучением. При выпуске изделий из интенсивно окрашенных стекол в желтый и оранжевый цвета соединения урана применяют совместно с сернистым кадмием. Несмотря на то что препараты урана достаточно чисты, их применение в стекольном производстве ограничивается из-за высокой стоимости. Соединение селена селенистокислый натрий Na₂SeO₃ окрашивает стекло в розовый цвет (розалин). Оттенок селенового розалина зависит от состава стекла и вида входящих в него щелочных оксидов. При варке в идентичных условиях калиевые стекла имеют розовый оттенок, тогда как натриевые и литиевые - желтый или коричневый. Соединения хрома окрашивают стекла в желто-зеленый цвет. Вводят хром в шихту в виде оксида хрома Cr₂O₃ или калиевого хромпика K₂Cr₂O₇, который легче растворяется в стекломассе по сравнению с оксидом хрома. Содержание Cr₂O₃ составляет 0,25 - 1,2% от массы шихты. В производстве стеклянной тары (зеленые бутылки) в состав шихты вводят феррохромовые шлаки. Применение комплексного мелкодисперсного красителя, содержащего Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, позволяет исключить использование пиритных огарков и экономить сырьевые материалы (песок, доломит, нефелин). Травянисто-зеленый цвет стекла получают при одновременном использовании оксида хрома (0,5%), оксида меди (2%) и окислительных условий варки стекломассы. Соотношение CuO:Cr₂O₃ = 3:4. Соединения кадмия придают стеклу ярко-желтый цвет. Обычно при варке калиево-кальциевых стекол применяют сернистый кадмий CdS - порошок желтого или оранжевого цвета. При варке свинцовых стекол нельзя применять в качестве красителя CdS в связи с тем, что возможно образование PbS, окрашивающего стекло в черный цвет. Вводят CdS в стекло в конце варки стекломассы, так как при высокой температуре и продолжительном времени сернистый кадмий переходит в оксид кадмия, который не вызывает окраски стекла. Оксиды редкоземельных элементов за последние годы также начали применять в качестве красителей при производстве изделий из стекла. Диоксид церия CeO₂ окрашивает стекло в светло-желтый цвет. Совместное применение диоксида церия с диоксидом титана придает стеклу чистую золотисто-желтую окраску. Вводят оксид церия в стекло через концентраты редкоземельных элементов, которые снижают себестоимость изделий. Оксид празеодима Pr₂O₃ сообщает стеклу светло-зеленый цвет, оксид неодима Nd₂O₃ - розовато-сиреневую окраску, оксид эрбия Er₂O₃ - красивый розовый цвет. Оксиды редкоземельных элементов являются слабыми красителями, однако стекла, окрашенные ими, характеризуются высокой прозрачностью, чистотой цвета, оригинальными оттенками, что способствовало их широкому применению в производстве сортовой посуды. Коллоидные красители вызывают образование в массе стекла взвешенных коллоидально-дисперсных частиц металлов или их соединений. Цвет стекла зависит от природы и концентрации коллоидных красителей, состава стекла и размеров взвешенных частиц. Получение окраски стекла возможно лишь путем вторичного нагревания изделий, при котором частицы увеличиваются до нужных размеров. Термообработку изделий проводят при определенном температурном и временном режимах и называют "наводкой". Коллоидными красителями являются соединения золота, серебра, сурьмы, закисная медь, селен и др. Соединения золота окрашивают стекло в красные цвета - от розового до пурпурного (золотой рубин). Особенно чистые цвета получаются после наводки стекол с содержанием PbO от 25 до 50%. В качестве красителя используют 10-процентный (по массе) водный раствор хлорного золота AuCl₃. Для получения розовых стекол вводят 0,01%, рубиновых - 0,02% металлического золота. Стекло, окрашенное золотом, относится к наиболее красивым и благородным и применяется при производстве высокохудожественных изделий. Соединения серебра окрашивают стекла в желтый цвет. Для их ввода в состав стекла применяют 10-процентный (по массе) раствор нитрата серебра AgNO₃. Растворимость серебра в стекле низкая, и поэтому требуется длительное выдерживание при высоких температурах. Улучшение окраски стекла достигается при добавлении диоксида олова SnO₂. В отдельных случаях изделия из стекла окрашивают только с поверхности (так называемые серебряные протравы) с помощью специальной пасты из смеси глины, охры и хлорида серебра AgCl. Соединение меди Cu₂O обладает большой красящей способностью и образует в стекле коллоидный раствор частиц металлической меди, которые в интервале температур 580 - 700℃ после наводки придают стеклу темно-красный цвет (медный рубин). Медь является одним из древних красителей стекла, и ее растворимость значительно выше золота и серебра. Вводят Cu₂O в количестве 1 - 3% от массы шихты в виде порошка. Кроме того, при варке медного рубина следует вводить в качестве восстановителей в состав шихты виннокаменную соль калия KHC₄H₄O₆ и оксид олова SnO. Обычно для варки медного рубина используют натриевые стекла. При содержании меди в стекле 0,8 - 1,8% по массе получают интенсивное окрашивание хрустальных стекол, которые используют для выработки накладных стекол с толщиной окрашенного слоя в несколько десятых долей миллиметра. Элементарный селен Se при использовании вместе с солями кадмия и серой окрашивает стекло в ярко-красный цвет (селеновый рубин). Для этого вводят (по массе) 0,3 - 0,8% Se, 1 - 1,45% CdCO₃ и 0,5 - 1% S (по массе сверх основного состава стекла). При варке селено-рубиновых стекол выбирают составы, содержащие 4 - 18% оксида цинка, который способствует получению более интенсивной окраски стекла. Потеря селена вследствие летучести соединений достигает 70 - 80% вводимого количества. Глушители стекла придают стеклам свойства рассеивать свет и казаться непрозрачными (глушеными). При введении в стекломассу они образуют соединения, которые выделяются при охлаждении расплава в виде капель и частиц величиной около 1 мкм. Глушение стекла происходит при выработке изделий или при их термической обработке (наводке). Наиболее широко используют в качестве глушителей соединения фтора и фосфора. Глушение стекла начинается при содержании 2 - 3% и достигает насыщенного действия при 4 - 5%. Фторсодержащими глушителями являются кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ и криолит 3NaF·AlF₃. Последний является отходом на заводах по производству суперфосфата и состоит из 12,8% оксида алюминия Al₂O₃, 32,8% оксида натрия Na₂O и 54,4% фтора. Для глушения некоторых стекол используют фториды кальция (природный минерал - плавиковый шпат CaF₂), магния. Вводят в состав стекла из расчета 5 - 8% по массе фтора сверх основного состава. Фтор при стекловарении улетучивается, что вызывает загрязнение окружающей среды. Наименьшие потери фтора - при введении в состав шихты криолита. В связи с этим для глушения стекла чаще применяют соединения фосфора. Действие фосфатов кальция и натрия при глушении стекол связано с явлением несмешиваемости расплава и частичек фосфатов, которые и сообщают стеклу при охлаждении молочно-белую окраску. Вводят соединения фосфора в виде костной муки, фосфорнокислого кальция Ca₃(PO₄)₂, кислой фосфорно-натриевой соли Na₂HPO₄·12H₂O и апатита Ca₄(CaF)·(PO₄)₃. Соединения фосфора требуют более высоких температур варки и выработки, что вызывает некоторые технологические затруднения при производстве изделий. В качестве глушителей используют также соединения олова и оксид алюминия, механически замешиваемый в подготовленную стекломассу. На степень глушения стекла оказывают влияние размер и количество частиц в единице объема стекла, разница показателя преломления стекла и заглушающих частиц, вид применяемых глушителей и химический состав стекла. Нередко на практике применяют комбинированное глушение фтористыми и фосфатными соединениями, что усиливает и утончает глушение опаловых стекол. Стеклобой В настоящем стандарте используется понятие "стеклобой" как вторичное сырье, получаемое как побочный продукт технологического процесса (собственный стеклобой), так и в результате обработки отходов боя стекла (внешний или привозной стеклобой). Для облегчения процесса стекловарения часть шихты, необходимой для получения стекломассы, заменяют стеклобоем. Собственный стеклобой образуется при различных технологических операциях изготовления изделий из стекла (формования, отжига, отрезки колпачка, декорирования, сортировки и др.) в виде отбракованных изделий и стекольного боя, которые снова используют в производстве. Его собирают и при необходимости измельчают, получая сырьевой материал. Перед холодным ремонтом стекломассу из стекловаренной печи выпускают, направляя ее в гранулятор, в котором горячая стекломасса под действием холодной воды превращается в гранулы стеклобоя. Его также используют в производстве изделий из стекла. Стеклобой оказывает благоприятное влияние на процесс стекловарения, уменьшая при этом распыление и расслоение стекольной шихты, снижая расходы топлива и дефицитных сырьевых материалов, в частности соды. Соотношение шихты к стеклобою устанавливается предприятием и зависит от конструкционных особенностей и продолжительности кампании печи, требований к качеству стекломассы, экономических показателей производства и варьируется в широких пределах. На стекольных заводах России оно, как правило, составляет 5:1. Предприятие может применять как собственный, так и привозной (внешний) стеклобой. Введение в стекловаренную печь повышенного содержания стеклобоя (свыше 50%) приводит, как правило, к ухудшению однородности стекломассы. При таких условиях принимают дополнительные меры по усреднению стекломассы, чтобы механическая прочность и термическая однородность изделий не понижались. Если стеклобоя собственного производства не хватает, стекольные заводы используют близкий по химическому составу и цвету стеклобой из других источников. Стеклобой разделяют при этом по трем группам: бесцветный, полубелый и цветной. Кроме того, в привозном (покупном) стеклобое не должно содержаться металлических и керамических включений, камня, песка, глины, шлака и других вредных примесей, а содержание органических примесей не должно превышать 2%. Многие современные стекольные предприятия отказываются от практики дополнительной обработки, предпочитая закупать уже готовый к использованию стеклобой. Использование стеклобоя позволяет снизить себестоимость продукции, продлить кампанию печи, уменьшить количество вредных выбросов. Подготовка шихты. Контроль качества Сырьевые материалы подвергаются входному контролю химического и гранулометрического состава в соответствии с требованиями, заложенными в технологическом регламенте. Материалы обогащают на месте добычи, на обогатительных фабриках или, что в настоящее время гораздо реже, непосредственно на стекольных заводах. Песок, обогащенный на месте добычи, поступает на завод в мешках или в специально подготовленных вагонах. Перед подачей в производство песок подвергают контрольному просеву и при необходимости сушке. Необогащенный песок проходит на заводе следующие виды обработки: обогащение или усреднение, сушку, просеивание. Основная задача обогащения - удаление из песка посторонних примесей и пылевидных фракций, так как мелкие фракции содержат гораздо больше оксидов железа, чем крупные. Наиболее распространенные методы обогащения - флотооттирка и магнитная сепарация. Флотооттирка - это комбинация двух методов: флотации и оттирки, которая позволяет удалить из песков до 90% оксидов железа. При флотации используется разная способность зерен кварца и инородных минералов смачиваться водой: кварц хорошо смачивается, минералы - носители железа - практически не смачиваются, особенно в присутствии реагентов-собирателей, адсорбирующихся на их поверхности. Песок перемешивают с водой в соотношении 1:2,3 до получения жидкой массы, вводят в нее поверхностно-активный реагент и продувают воздухом. В качестве флотационного реагента применяют сульфатное мыло (отходы производства целлюлозы) и кальцинированную соду (на 1 т песка - 1 кг мыла и 3 кг соды). При продувке воздухом пульпа активно перемешивается, частицы песка трутся одна о другую, в результате чего с их поверхности снимаются пленки гидроксидов железа, которые являются более мягкими по сравнению с кварцем. Этот процесс и носит название оттирки. В процессе продувки воздухом в пульпе образуется пена из воздушных пузырьков, которые прилипают к зернам минералов с железом. Пену сливают с поверхности пульпы вместе с загрязнениями, а чистый песок оседает на дно. Технологический процесс флотооттирки включает следующие операции: разрушение комьев песка и приготовление пульпы, оттирку пленки с удалением загрязнений, разделение песка и тяжелых минералов флотацией, удаление шлама, промывку пульпы и ее обезвоживание. Для приготовления пульпы используют контактные чаны с мешалками и агрегаты мокрого грохочения, зимой воду подогревают до 35 - 45℃. После этого песок сушат во вращающихся сушильных прямоточных барабанах, для этого возможно использовать отходящие газы печи. После сушки и охлаждения для производства листового стекла песок просеивают через сито с размером ячеек не более 0,8мм. Магнитная сепарация проводится с целью удаления железистых примесей, содержащихся в минералах, способных намагничиваться (магнетит, титаномагнетит, пиролюзит, гематит). Магнитной сепарацией очищают сухие пески после просеивания. В тех случаях, когда на стекольном заводе используют песок, не однородный по химическому составу и не прошедший обогащение, его целесообразно перемешивать крупными партиями - усреднять. Наилучший способ усреднения - послойный; в этом случае каждую вновь поступившую на завод партию песка равномерно рассыпают поверх ранее прибывшей, образуя таким образом многослойный штабель. Доломит, известняк, поступившие на завод в виде глыб, дробят, сушат, размалывают, просеивают и очищают с помощью магнитной сепарации. После предварительного дробления на куски размером 40 - 50мм материал сушат в таких же сушильных барабанах, что и песок, но при температуре не выше 400℃ во избежание термического разложения. После сушки до конечной влажности, не превышающей 7%, доломит и известняк подвергают тонкому помолу (до частиц размером 0,08мм) либо среднему, чтобы исключить сильное пыление, расслоение шихты и забивание насадок регенератора (размер частиц 0,5 - 2мм). Мел не подвергают дроблению; его сушат, размалывают, а затем просеивают. Кальцинированная сода поступает в виде гранул, упакованной в мешки, или россыпью в специальных автомобилях или вагонах. Просеивают соду на грохотах или виброситах. Ввиду гигроскопичности сода при длительном хранении слеживается, образуя комки. Сульфат натрия поступает на заводы главным образом искусственный, в мешках. Природный сульфат дробят, после чего сушат при температуре 650 - 750℃, а затем вновь измельчают и просеивают. Пегматит и полевой шпат поступают в хопперах или в мешках. Поташ, а также азотнокислые соли натрия, калия, бария и аммония (селитры) поставляют на заводы в мешках или бочках. В связи с тем, что материалы комкуются, при просеивании их иногда протирают через сита. После просева материалы хранят в плотно закрываемых емкостях. Современные стекольные предприятия отказываются от практики дополнительной обработки, предпочитая закупать уже готовые к использованию сырьевые материалы. Подготовленные сырьевые материалы поступают в расходные бункера весовой линии и взвешиваются в соответствии с заданной рецептурой шихты. После взвешивания они направляются в смеситель для равномерного распределения всех компонентов по всему объему порции. При необходимости введения в состав вспомогательного материала его предварительно смешивают с одним из основных компонентов шихты и затем загружают в смеситель. Контроль однородности перемешивания осуществляется заводской лабораторией в соответствии с регламентом выпуска продукции. Качество сырьевых материалов контролируют приемочным, периодическим и текущим контролем. Приемочный контроль может проводиться, чтобы выявить, насколько качество поступающих на стекольный завод сырьевых материалов соответствует требованиям контракта. При поступлении сырьевых материалов работники завода (контролеры) осматривают их и по результатам визуального контроля определяют соответствие стандартам, а затем отбирают пробы на сокращенный химический анализ для определения содержания основного вещества и влаги, а также проверки зернового состава. В тех случаях, когда материалы не отвечают требованиям стандартов, их бракуют. Периодический контроль сырья может проводиться, чтобы удостовериться в пригодности данных материалов для требуемой шихты. Для этого не менее одного раза в 10 суток отбирают среднюю суточную пробу каждого компонента, включающую 24 ежечасных пробы, и проводят полный химический анализ. Текущий контроль может проводиться ежесменно на средней пробе, состоящей из восьми ежечасных проб. Определяют также зерновой состав подготовленного материала и содержание в нем основного вещества и влаги. В тех случаях, когда из-за состава сырья изменяется сверх нормы содержание компонентов в шихте, рецепт шихты корректируют. Подготовленные сырьевые материалы поступают в расходные бункера весовой линии и взвешиваются в соответствии с заданной рецептурой шихты. После взвешивания они направляются в смеситель для равномерного распределения всех компонентов по всему объему порции. При необходимости введения в состав вспомогательного материала его предварительно смешивают с одним из основных компонентов шихты и затем загружают в смеситель. Контроль однородности перемешивания осуществляется заводской лабораторией в соответствии с регламентом выпуска продукции. Методы работы с материалами шихты В крупных непрерывных процессах сырье перемещается в промежуточные бункеры меньшего размера, где они взвешиваются, часто автоматически, чтобы получить точно сформированную партию. Затем шихта перемешивается и транспортируется в зону печи через один или несколько бункеров. В промышленности встречаются различные механизмы подачи, начиная от полностью открытых систем до полностью закрытых систем с винтовой подачей. Там, где материалы транспортируются наземными конвейерами, необходимо обеспечить защиту от ветра для предотвращения значительных материальных потерь. Эти системы должны укрывать конвейер со всех сторон. При использовании пневмотранспорта важно предусмотреть герметичную систему с фильтром для очистки транспортируемого воздуха перед выпуском. Для уменьшения пыли при транспортировке и выносе мелких частиц из печи содержание воды в партии может поддерживаться до 4%. Вода вводится при смешивании компонентов шихты, в зимнее время при необходимости подогрева шихты в виде пара. Некоторые процессы (например, производство боросиликатного стекла) используют сухие сыпучие материалы, что требует большей осторожности. Из-за своей абразивной природы и более крупного размера частиц стеклобой обычно вводится отдельно от первичных шихтовых материалов и может подаваться в печь отдельной системой. В прерывистых процессах системы подачи намного меньше и часто управляются вручную. После смешивания партию можно хранить в небольших мобильных бункерах, каждый из которых рассчитан на одну загрузку. Как и при крупномасштабном плавлении, смешанная партия не может храниться слишком долго перед использованием, потому что различные компоненты могут осаждаться, что затрудняет получение гомогенного расплава. Пыль из систем очистки очень мелкая и содержит значительное количество непрореагировавшего щелочного реагента, который может вызвать коррозию и/или раздражение. Следовательно, обращение с этим материалом и его хранение могут потребовать особого внимания. Зона загрузки печи является одним из источников выбросов пыли. Основные меры/методы контроля выбросов в этой области перечислены ниже: - увлажнение партии; - обеспечение слегка положительного давления, около 5 - 10Па, обычно применяется ко всем стекловаренным печам; - использование сырья, не вызывающего явления вскипания (преимущественно касается доломита и известняка - это минералы, которые при воздействии тепла вскипают с последующим увеличением выбросов пыли); - направление вытяжки в систему фильтрации (обычно в печах с холодным верхом); - использование закрытых шнековых питателей; - закрытие загрузочных карманов (может потребоваться местное охлаждение). Выбросы пыли могут происходить непосредственно в воздух или внутри производственных зданий, отчего пыль может скапливаться, что приводит к неорганизованным выбросам в атмосферу. Требуется контролировать движение воздушных потоков внутрь и наружу здания. В потенциально очень запыленных местах здания могут быть спроектированы с минимальным количеством проемов и дверей или пылезащитными завесами. В помещениях, где установлена печь, часто необходимо обеспечить степень естественного охлаждения, предусмотреть вентиляционные отверстия и т.д. Этапы технологического процесса, где может образовываться пыль (например, открытие мешков, смешивание, тканевый фильтр для удаления пыли и т.д.), должны быть снабжены вытяжкой с подходящей очистной установкой. Это также важное условие для рабочих мест, где происходит механическая и химическая обработка стеклоизделий. Процесс стекловарения Стекловарение - это последовательность физико-химических процессов превращения смеси сырьевых материалов (шихты) в расплавленную стекломассу, готовую к формованию изделий. Плавление, сочетание отдельных сырьевых материалов при высокой температуре с образованием расплава, является центральным этапом в производстве стекла. Существует множество способов плавления в зависимости от желаемого продукта, его конечного использования, производственной мощности и коммерческой выгоды. От этих факторов зависят рецептура стекла, сырье, технология плавки, выбор топлива и размер печи. Время пребывания расплава стекла в печи существенно зависит от типа производимого стекла. Минимальное время пребывания является решающим параметром для обеспечения качества стекла. Как правило, чем выше качество производимого стекла, тем дольше время пребывания, которое обеспечивает лучшую гомогенизацию и устранение возможных дефектов в виде камней, пузырьков и т.д. Время пребывания расплава стекла в печи пропорционально удельному потреблению энергии при производстве стекломассы. Принято выделять пять стадий процесса стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку. В печах периодического действия эта последовательность протекает во времени, и с учетом зависимости температуры печи от продолжительности варки можно выделить следующие интервалы: нагревание до температуры реакции (силикатообразование и стеклообразование), выдержка при максимальной температуре (осветление и гомогенизация), охлаждение до температуры формования (студка). В печах непрерывного действия та же последовательность распределена по длине печи и зависит от температуры на каждом ее участке. Нагревание до температуры реакции. Стандартным, наиболее распространенным и экономичным способом подачи тепла для стекловарения является сжигание газового топлива над слоем шихты и расплавленной стекломассой. Температура, необходимая для стекловарения, зависит от химического состава стекла и составляет от 1100℃ до 1650℃. При таких температурах теплопередача осуществляется путем излучения от свода печи, который нагревается пламенем до 1650℃, и от самого пламени. В каждой конструкции печи устроен подвод тепла и в расплаве создается температурный градиент, чтобы вызвать рециркуляцию свободных конвекционных потоков внутри расплавленного стекла для обеспечения постоянной однородности готового стекла, подаваемого на формовку. Масса расплавленного стекла, содержащаяся в печи, поддерживается постоянной, а среднее время пребывания составляет порядка 24 часов для производства тарного стекла и 60 - 72 часа для производства листового флоат-стекла. Использование электрического нагрева стекломассы весьма выгодно с точки зрения снижения вредных выбросов, образующихся при горении топлива, удобства регулирования всех стадий процесса стекловарения, высокого коэффициента полезного действия печи, однако проигрывает в стоимости энергетических затрат на варку. Кроме этого, печи с электрическим нагревом стекломассы имеют в несколько раз меньший ресурс, что заставляет производителей более часто останавливать производство для ремонтов таких печей. Это дополнительно влияет на себестоимость продукции, произведенной при помощи электрической варки. Конструктивные особенности стекловаренных печей разных типов и производительности предусматривают организацию и контроль над тепловыми потоками как над зеркалом стекломассы, так и в расплаве, чтобы обеспечить однородность стекла, подаваемого на формование. Силикатообразование. Сырьевые материалы, используемые в стекловарении, представляют собой соли и оксиды. На стадии силикатообразования из них формируются силикаты, которые затем образуют первичный расплав. Из-за низкой теплопроводности шихтовых материалов процесс плавки поначалу довольно медленный, что позволяет протекать многочисленным химическим и физическим процессам. Низкотемпературная стадия процесса стекловарения (до 500℃) состоит из таких процессов, как нагревание, удаление свободной и связанной воды, разложение простых и образование двойных карбонатов и т.п. При повышении температуры от 500 до 900℃ песок начинает растворяться под влиянием флюсующих агентов. Кремнезем из песка соединяется с оксидом натрия из кальцинированной соды и с другими сырьевыми материалами для образования силикатов. Протекают химические реакции образования легкоплавких силикатов щелочных металлов, а в интервале температур от 900 до 1200℃ в целом завершается формирование и высокотемпературных силикатов, таких как силикаты кальция. Одновременно начинаются плавление щелочных силикатов, образование и плавление эвтектических составов и растворение тугоплавких оксидов в первичном расплаве. На этой стадии варки образуется самое большое количество газообразной фазы, состав которой определяется химическим составом сырьевых компонентов, оказывающих существенное влияние на состав вредных выбросов и окислительно-восстановительную атмосферу печи. Кроме того, существует опасность улетучивания щелочесодержащих компонентов, что пагубно сказывается на состоянии огнеупоров в зоне загрузки. Стеклообразование. Материалы шихты начинают плавиться при температуре от 750 до 1200℃. Стадия стеклообразования заключается в постепенном растворении зерен кварца в первичном расплаве. Длительность этой стадии определяет продолжительность всего процесса стекловарения и составляет не менее 70% от общей длительности, что обусловлено высокой вязкостью кварцевого расплава и низкой скоростью диффузии зерен кварца в первичный расплав и катионов щелочных металлов в кварцевый расплав. Результатом является образование неоднородной полупрозрачной аморфной среды с большим количеством газовых включений. Постепенно расплавленное стекло становится прозрачным, и фаза плавления завершается. Объем расплава составляет около 35 - 50% объема сырья исходной шихты за счет эмиссии газов и устранения межклеточных пространств. Количество расплавленного вещества составляет приблизительно 82 - 85% от количества исходных сырьевых материалов из-за выхода газообразных составляющих. Осветление и гомогенизация. Готовая к формованию стекломасса должна быть однородной и практически свободной от газовых пузырьков. Полное растворение, равномерное распределение всех компонентов и удаление пузырьков из расплавленного стекла имеют важное значение для большинства изделий из стекла. Готовые изделия нормируются по содержанию в них дефектов стекловарения (кристаллических включений, аморфных включений или свилей, газовых включений - пузырей). В большинстве изделий массового спроса размеры и количество допустимых дефектов прописываются в стандартах и технических условиях. Первичные дефекты кристаллических включений состоят главным образом из кварца и его модификаций или различных силикатов, образуются при неполном проваре зерен кварца из шихты, попадании в стекломассу частиц огнеупоров или металлических фрагментов оборудования. Вторичные дефекты образуются при кристаллизации стекломассы в процессе выработки. Аморфные включения являются стекломассой, химический состав которой отличается от заданного состава стекла. Основные причины их образования - расслоение шихты при транспортировке и загрузке в печь, нарушения температурно-временного режима варки, изменения направления и скорости конвективных потоков в печи. Пузыри в стекломассе образуются в результате разложения сырьевых материалов, поглощаются из газового пространства печи, содержащего все составные части воздуха и продукты горения топлива и при взаимодействии стекольного расплава с огнеупорами печи. Наиболее часто при нормальной работе печи в готовой стекломассе присутствуют газовые пузыри - в основном карбонатные, сульфатные и нитратные. Процессы освобождения стекломассы от аморфных и кристаллических дефектов (осветление и гомогенизация соответственно) происходят одновременно. Оба процесса интенсифицируются при увеличении температуры в печи и перемешивании стекломассы. В печах периодического действия перемешивание осуществляют с помощью мешалок, в печах непрерывного действия - с помощью конвективных потоков в объеме ванны, бурления воздухом или дополнительного электроподогрева в зоне максимальных температур (квельпункта). Пузыри в расплаве бывают крупные (более 5мм), средние (от 1 до 5мм) и мелкие - мошка (менее 1мм). Для их удаления в состав шихты вводят осветители, которые в области высоких температур образуют большое количество крупных газовых пузырей за счет реакций разложения или процесса испарения. Такие пузыри обладают большой подъемной силой и, поднимаясь наверх, захватывают окружающие более мелкие пузыри. Тот же эффект достигается при бурлении стекломассы воздухом. Увеличение температуры в области квельпункта всегда благоприятно сказывается на однородности и осветлении стекломассы, однако существует определенный температурный предел, превышение которого негативно влияет на состояние огнеупоров. В результате осветления и гомогенизации в зону студки попадает стекломасса однородного состава, свободная от кристаллических аморфных и газообразных включений. При варке цветных стекол следует очень внимательно относиться к выбору осветляющей добавки, поскольку большинство из них влияют на окислительно-восстановительные свойства расплава. Обычно окислительно-восстановительные условия варки тесно связаны со свойствами расплава, поэтому их характеризуют по содержанию кислорода и углекислого газа в атмосфере печи. Смещение окислительно-восстановительных условий в ту или иную сторону может привести к увеличению твердых и газообразных выбросов, в частности соединений серы. Сульфат натрия Na₂SO₄ является наиболее часто используемым осветлителем, особенно для обычного листового стекла, большинства тарного стекла, натриево-кальциево-кремнеземного стекла для посуды, непрерывного стекловолокна (E-стекло) и известково-натриевого осветительного стекла. Сульфат натрия распадается на оксид натрия, который затем входит в состав стекла и газообразные компоненты (O₂, SO₂), диффундирующие в существующие пузырьки. Некоторые стекла не должны содержать сульфатов (например, стекла дисплеев и витрин). В таких случаях используется хлорид натрия NaCl. При температурах выше температуры плавления шихты этот осветлитель уносится из расплава. При изменении условий сгорания топлива в печи, например, после перехода с воздушного на кислородное окисление, требуется корректировка состава шихты. Студкастекломассы. Завершающей стадией стекловарения является студка, т.е. медленный процесс снижения температуры до величины, обеспечивающей однородное распределение стекломассы, что необходимо для формования того или иного вида изделий. Главное условие успешной студки - непрерывное медленное снижение температуры стекломассы без изменения состава и давления газовой среды в печном пространстве для подготовки стекломассы к процессу формования. Нарушение этого условия может вызвать сдвиг установившегося равновесия газов, растворенных в расплаве, и провоцирование "закипания" стекломассы, т.е. образование вторичного пузыря, избавиться от которого практически невозможно. Для производства некоторых видов оптических специальных стекол процесс студки может продолжаться несколько месяцев. Для регулирования скорости процесса охлаждения используют такие устройства, как заградительные экраны, углубления в дне ванны (deep refiner), разделение на отапливаемую и неотапливаемую части ванны печи, мешалки с холодильниками и т.д. Стекловаренные печи Выбор печи в технологии любого изделия является определяющим, поскольку от него в первую очередь зависит экономическая эффективность производства. Критериями выбора являются вид потребляемого энергоносителя, производительность, химический состав стекла и экологическая эффективность. Расплавленная стекломасса содержится, как правило, в резервуаре прямоугольной формы, построенном из блоков соответствующих огнеупорных материалов, закрытом сводчатым потолком. Электрические печи, как правило, имеют более квадратную форму с плоским потолком и загрузочным бункером с одной стороны. Огнеупорные блоки удерживаются на месте внешним стальным каркасом. В настоящее время используется много конструкций печей, и они обычно различаются с точки зрения производительности, способа нагрева, использования системы предварительного подогрева воздуха для горения и расположения горелок. Для классификации в целях настоящего справочника НДТ за основу взята производительность стекловаренных печей. Первая группа - печи производительностью более 500т/сут - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия с поперечным направлением пламени. Как правило, их используют для производства листового флоат-стекла. В современных стекловаренных печах энергетический коэффициент полезного действия (КПД) достигает 40 - 45%. Вторая группа - печи средней производительности (100 - 500т/сут) - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия. В зависимости от вида выпускаемой продукции они бывают двух типов: для производства флоат-стекла - с поперечным направлением пламени, а для производства стеклянной тары - с подковообразным. Печи с подковообразным направлением пламени экономичнее и экологичнее, поскольку в них работают всего две группы горелок (в зависимости от производительности в каждой группе в печах такого типа может быть от двух до четырех горелок), однако они требуют дополнительных устройств для регулирования окислительно-восстановительных условий, осветления и гомогенизации стекломассы. Энергетический КПД печей средней производительности с подковообразным направлением пламени может превышать 40%. Третья группа - печи малой производительности (2,5 - 100т/сут) - малые регенеративные или рекуперативные газовые ванные печи, электрические печи горизонтального и вертикального вида и стекловаренные печи смешанного типа - газоэлектрические непрерывного действия, которые используются для варки хрустального, оптического и других специальных видов стекол. Для газовых печей энергетический КПД не превышает 25%, для газоэлектрических достигает 35 - 40%, для электрических печей составляет около 65 - 70%. Три основных источника энергии для производства стекла - природный газ, мазут и электричество. В первой половине XX века многие стеклодувы использовали генераторный газ, полученный в результате реакции воздуха и воды с раскаленным углем, теплотворная способность которого превышала аналогичный показатель угля. Природный газ - основное топливо, используемое в российской стекольной промышленности, главным образом из-за его экономичности и экологичности по сравнению с жидким топливом, а также технологичного контроля процесса горения. Большинство видов жидкого топлива, используемых для стекловарения, нуждаются в предварительном нагреве до 110 - 120℃, с тем чтобы снизить вязкость для заливки в емкости при транспортировке и распылении через наконечники горелок. Электричество можно использовать как эксклюзивный источник энергии или в сочетании с ископаемым топливом. Электричество может быть использовано для получения энергии тремя основными способами: резистивным нагревом, когда через расплавленное стекло пропускают ток с помощью погруженного в расплав электрода; индукционным нагревом, при котором тепло индуцируется изменением окружающего магнитного поля; и использованием нагревательных элементов. Резистивный нагрев - единственный метод, нашедший коммерческое применение в стекольной промышленности. Регенеративные и рекуперативные газовые печи Стекловаренные печи, использующие в качестве основного энергоносителя природный газ, снабжены системами его подачи и отвода продуктов горения. Для подачи газа и воздуха на горение применяют два типа теплообменников: регенераторы и рекуператоры. Регенератор - это камера, внутри которой находится насадка из огнеупорного кирпича с системой отверстий. При прохождении через насадку отработанных дымовых газов сверху-вниз кирпичи нагреваются и затем отдают тепло пропускаемому снизу-вверх воздуху, нагревая его до 1200 - 1350℃. Система управления переключает газовые потоки в парах горелок таким образом, чтобы одна работала на подачу воздуха для горения топлива, а вторая - на отвод продуктов горения, которые нагревают насадки. Через фиксированный промежуток времени (обычно 20 минут) происходит переключение газовых потоков, и тогда через вторую насадку идет воздух для горения, а первая насадка регенератора нагревается отходящими газами. Регенеративная печь имеет две регенерационные камеры; в то время как одна камера нагревается отходящим газом от сгоревшего топлива, другая подогревает поступающий для горения воздух. В регенеративной печи с поперечным направлением пламени отверстия для сжигания и горелки установлены вдоль печи, регенераторные камеры расположены по обеим сторонам печи и соединяются с ней через входные горловины. Пламя проходит над расплавленным материалом в сторону расположенных на противоположной стороне отверстий. Количество используемых отверстий (до восьми) зависит от размера печи и особенностей ее конструкции. Некоторые большие печи могут иметь отдельные для каждого порта горелки камеры регенератора. Этот тип конструкции, эффективно использующий несколько горелок, особенно подходит для больших установок типа флоат, обеспечивающих изменение температуры по длине печи, что необходимо для стимуляции необходимых конвекционных потоков в расплаве стекла. В регенеративной печи с подковообразным пламенем принцип работы такой же; в то же время две регенеративные камеры расположены на одном конце печи, каждая с одним отверстием. Пламя образует U-образную форму, возвращаясь в соседнюю камеру регенератора через второе отверстие. Такая компоновка обеспечивает большую экономичность регенератора, чем конструкция с поперечным пламенем, но имеет меньшую гибкость для регулировки температурного профиля печи и, следовательно, более применима для производства тарного стекла. В целом печи с подковообразным пламенем более энергетически эффективны, чем печи с поперечным пламенем, по двум основным причинам: во-первых, снижаются потери энергии через меньшее количество отверстий горелки; во-вторых, время пребывания продуктов сгорания в печи с подковообразным пламенем выше, чем в печи с поперечным пламенем, что дает больше времени для излучения энергии на стекломассу. Рекуператор - это теплообменник, в котором отходящие газы непрерывно подогревают систему подачи воздуха на горение и через нее сам воздух до температуры 800℃. Конструктивно рекуператоры более массивны и занимают больше места. Рекуперативные печи выгодно использовать там, где масштаб производства слишком мал, чтобы сделать использование регенераторов экономически целесообразным, и где необходимо минимизировать первоначальные затраты. Регенеративная стекловаренная печь с поперечным направлением пламени состоит из собственно ванны со сводом, нескольких пар горелок, расположенных по обеим сторонам печи, системы загрузки сырьевых материалов и выработочного канала (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Регенеративная стекловаренная печь с поперечным направлением пламени

Факел пламени горелок имеет конусообразную форму, настильно располагается над расплавом и перекрывает все пространство между двумя соседними парами. Отвод отработанных дымовых газов из регенераторов происходит по системе дымоходов, расположенной под стекловаренной печью, соединенной с общей дымовой трубой. Преимущество печей с поперечным направлением пламени состоит в том, что для каждой пары горелок можно задавать свое соотношение газ/воздух, поддерживать необходимую температуру на каждом участке печи и, следовательно, регулировать скорость и направление конвективных потоков стекольного расплава, что весьма важно для больших печей. В стекловаренной регенеративной печи с подковообразным направлением пламени две пары горелок с регенераторами расположены в одном конце печи. Факел пламени каждой горелки имеет U-образную (подковообразную) форму. Таким образом, каждая работающая горелка обогревает все пламенное пространство печи (рисунок 2.3). Стекломасса, полученная в таких печах, характеризуется меньшей степенью гомогенизации, чем в печах с поперечным направлением пламени. Такие конструкции идеальны для стекловаренных печей средних размеров, используемых, например, для производства тарного стекла, поскольку стеклянная тара, в отличие от листового стекла, не нормируется по светопропусканию.

Рисунок 2.3 - Регенеративная стекловаренная печь с подковообразным направлением пламени

Для повышения качества стекломассы в печах с подковообразным направлением пламени рекомендуют использовать дополнительный электроподогрев - локальный подвод дополнительного тепла к расплавленному стеклу в стекловаренной печи путем установки электродов в боковых стенках (горизонтальные электроды) или в дне (вертикальные электроды) зоны максимальной температуры. Технология может быть применена в разные сроки эксплуатации печи, например, для поддержания уровня удельного съема стекломассы по мере приближения окончания кампании. Дополнительный электроподогрев может также использоваться при производстве цветного стекла из-за пониженной теплопроводности зеленых и коричневых стекол. Печи с использованием кислорода для горения основного газового топлива предусматривают полную или частичную замену воздуха, подаваемого на горение газа кислородом. Такая замена преследует две цели. Первая - экономическая (избавиться от громоздких регенераторов), вторая - экологическая (уменьшить содержание оксидов азота в отходящих газах). Кроме того, при использовании очищенного кислорода удается достичь высоких температур при меньшем количестве газа, подаваемого на горение топлива, и увеличить полноту его сгорания. Как правило, такие печи имеют стандартную базовую конструкцию, однако в них вместо регенераторов и рекуператоров стоят скромные по размерам системы питания газовых горелок кислородом. Печи с газокислородным пламенем используют в малотоннажных производствах специальных стекол, например, для выпуска стекловолокна. Широкому распространению подобных технологий для производства других видов продукции препятствует повышенная опасность при работе с кислородом, хотя экологический выигрыш при их использовании не подвергается сомнению. Электрические печи прямого нагрева Электрические печи для стекловарения - самые эффективные и экологически безопасные в настоящее время. Существуют два основных типа электрических печей прямого нагрева: вертикальные и горизонтальные, которые различаются по направлению движения стекломассы от загрузки к выработке. Наибольшее распространение в практике стекловарения получили печи вертикального типа (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Электрическая стекловаренная печь прямого нагрева вертикального типа

Загрузка шихты в таких печах производится на зеркало наваренной стекломассы, т.е. запуск электрической печи осуществляется с помощью газовых горелок, расположенных на уровне загрузочного кармана, назначение которых - расплавить определенное количество шихты и обеспечить необходимый объем расплава для погружения электродов. Нагрев стекломассы производится за счет погруженных в нее электродов, расположенных парами с двух сторон в средней части варочной зоны печи. Соответственно, температурный максимум находится вблизи электродов и составляет не менее 1500℃, а температура в загрузочной и придонной частях несколько ниже. Для более равномерного провара порций шихты, поступающих на поверхность сваренной стекломассы, используют загрузчики с разравнивающими устройствами. Шихта постепенно плавится, однако поверхностный слой остается слабо нагретым, улетучивание из такого слоя минимально, следовательно, практически отсутствует коррозия огнеупоров. Кроме того, свод печи в зоне загрузки остается холодным (поэтому печи прямого нагрева часто называют печами с холодным сводом). Горячая стекломасса в зоне варки движется сверху вниз и попадает в пережим между варочной и выработочной камерами. Для более точного поддержания температуры в зоне выработки в пережиме ставится дополнительный электрод. Иногда, чаще всего при ручной выработке изделий, дополнительные газовые горелки ставят в выработочной зоне. В зависимости от состава стекла и окислительно-восстановительных свойств расплавов используют оксидно-оловянные (для варки хрусталя), графитовые или молибденовые (для варки листового, тарного, сортового стекла) электроды. Электрические печи обычно применяют для варки специальных стекол, главным образом из-за высокой стоимости электроэнергии, хотя тепловые потери в них гораздо меньше; также меньше вредных выбросов, как твердых, так и газообразных. Печи периодического действия Печи периодического действия традиционно используют там, где отсутствует экономическая целесообразность поддержания непрерывного цикла работы, а также при необходимости изготовления небольших партий стекол разного цвета, состава и т.д. Существуют горшковые и малые ванные печи периодического действия, чаще всего использующие природный газ в качестве основного теплоносителя. Многие подобные технологические агрегаты не входят в сферу действия данного справочника по причине малой (менее 20т/день) производительности. В горшковых печах может устанавливаться от 6 до 12 стекловаренных горшков, а подвод пламени осуществляться как снизу, так и сверху. Емкость каждого стекловаренного горшка составляет 50 - 500кг со сроком эксплуатации 2 - 3мес. при условии непрерывной работы. В такой печи можно одновременно варить стекла разных составов, при условии совпадения температурно-временных режимов и окислительно-восстановительных условий варки. Используются два типа горшков: открытые и закрытые. Открытые горшки не имеют крышек, а стекло открыто для атмосферы печи. Закрытые горшки имеют единственное отверстие для сбора стекла. При открытых горшках температура регулируется растопкой печи, в закрытых горшках обжиг происходит с постоянной скоростью, а температура регулируется открытием сборного отверстия. Печь нагревается 24 часа в сутки, но температура меняется в соответствии с фазой производственного цикла. Как правило, партия загружается в горшки ближе к вечеру, затем тает, в ночь температуру повышают, чтобы очистить расплав, и с утра стекло готово к обработке. Во время плавления температура поднимается до 1300 - 1600℃, в зависимости от типа стекла, а в начале цикла опускается до 900 - 1200℃. Ванные печи периодического действия позволяют изготавливать до 10 т стекломассы в сутки. Конструктивно они очень похожи на печи непрерывного действия. Их работа рассчитана на суточный цикл, плавка обычно проводится ночью, и стекло поступает в производство на следующий день. Ванные печи позволяют плавить менять тип стекла за короткое время, они используются прежде всего для варки различных цветных, хрустальных и оптических стекол, специальных составов и фритт (керамическая и эмалевая фритта). Использование кислорода в качестве окислителя при работе печи Метод использует для процесса горения кислород вместо воздуха (содержание кислорода в газовой смеси более 90%). Удаление большей части азота из атмосферы горения уменьшает объем дымовых газов, которые почти полностью состоят из углекислого газа и водяного пара, на 65%. Это обеспечивает экономию энергии, поскольку нет необходимости нагревать значительную долю инертного компонента атмосферы до температуры пламени. Образование оксидов азота в дымовых газах значительно уменьшается, потому что оставшимися источниками в атмосфере горения являются небольшая доля азота в кислородной смеси, следы азота в топливе, азот от разложения нитратов и несанкционированное поступление воздуха со стороны. Как правило, кислородно-топливные технологические агрегаты обладают той же конструкцией, что и обычные стекловаренные печи, имеют несколько боковых горелок и одно выпускное отверстие для отработанных газов. Однако печи, рассчитанные на сжигание в кислороде, не используют системы рекуперации тепла для его предварительного нагрева. Хотя кислородно-топливная технология горения хорошо зарекомендовала себя в некоторых секторах стекольной промышленности (непрерывное стекловолокно, некоторые специальные типы стекла), в других секторах она по-прежнему считается всего лишь перспективной из-за потенциально высоких финансовых рисков. Проводятся различные опытно-конструкторские разработки, в результате которых эта технология получает все более широкое распространение. При кислородно-топливном сжигании наблюдаются значительные изменения в характеристиках плавления. Требуются некоторая модификация конструкций существующих печей, применение более коррозионно-стойких огнеупорных материалов пламенного пространства печи. Сегодня большая часть высококачественных специальных изделий из стекла, таких как стекло для ЖК-дисплеев и стекловолокно, выплавляется в кислородно-топливных печах. Однако переход больших печей для производства флоат-стекла на кислородно-топливное горение пока что ограничен примерно десятью установками по всему миру из-за увеличения себестоимости при использовании кислорода. Ключевым фактором улучшения экономических показателей кислородно-топливного сжигания является улучшение эффективности технологий разделения воздуха и утилизации отработанного тепла. Использование водорода и возобновляемых видов топлива для горения с кислородом дает существенный потенциал для сокращения выбросов CO₂. Технологические процессы производства листового стекла В настоящее время наиболее распространенным процессом производства листового стекла является флоат-процесс. Флоат-процесс представляет собой непрерывное круглосуточное производство. Основной принцип флоат-процесса заключается в формовании расплавленной стекломассы на поверхности расплавленного олова под действием сил поверхностного натяжения. Для выпуска большей части листового стекла используется состав стекла, приведенный в таблице 2.4. Флоат-стекло получают в стекловаренных регенеративных печах с поперечным направлением пламени. Схема технологического процесса представлена на рисунке 2.5.

Таблица 2.4 Типовой химический состав листового стекла

Рисунок 2.5 - Схема технологического процесса производства листового стекла

Флоат-ванна (ванна расплава) представляет собой тепловой агрегат, состоящий из верхнего и нижнего металлических корпусов. Нижний корпус футерован огнеупорными блоками и заполнен расплавленным оловом. Внутри верхнего корпуса на специальной конструкции подвешиваются огнеупорные блоки, а также элементы системы нагрева свода ванны расплава. Для герметизации внутреннего пространства между верхним и нижним корпусом установлены уплотнительные вставки ванны расплава. Для предотвращения окисления олова внутрь ванны расплава подается защитная атмосфера, состоящая из инертного газа азота (90 - 99%) и водорода (1 - 10%). Расплавленная стекломасса вытекает из печи вдоль канала с огнеупорной футеровкой, который может дополнительно подогреваться для обеспечения необходимой температуры. В конце канала стекломасса выливается в ванну расплава через специальный огнеупорный переливной брус, который обеспечивает правильное растекание стекломассы. Поток стекломассы управляется посредством регулируемого подвесного огнеупорного шибера в канале (передний шибер). В месте, где стекломасса первоначально соприкасается с оловом, температура олова составляет приблизительно 1000℃; на выходе из ванны расплава температура снижается примерно до 600℃. По мере того, как стекломасса проходит по поверхности расплавленного олова, она приобретает практически идеальную ровную поверхность. Внутри флоат-ванны находятся несколько пар верхних роликов с водяным охлаждением; изменяя их количество и параметры работы, такие как скорость вращения, угол разворота, заглубление, получают ленту стекла необходимой толщины и ширины. Эти ролики захватывают лист стекла с обоих краев зубчатыми колесами и вытягивают по длине и ширине. Скорость потока стекла и скорость вращения роликов помогают регулировать толщину стекла, как правило, от 1,5 до 19мм. Расплавленная стекломасса на поверхности олова имеет определенную равновесную толщину, зависящую от химического состава и температуры, которая составляет около 7мм. Для получения стекла толщиной более 12мм устанавливают специальные графитовые барьеры. На выходе из флоат-ванны стеклянная лента отрывается от поверхности олова подъемными роликами и проходит в печь отжига (лер). В начале лера обе стороны ленты подвергаются обработке диоксидом серы SO₂, в результате чего обеспечивается защита поверхности стекла от контакта с направляющими роликами. Лер разделен на секции, в которых с различной скоростью проходит охлаждение ленты стекла. Таким образом, стекло постепенно охлаждается от 600 до 60℃, чтобы снизить остаточные напряжения, возникающие в процессе формования, до приемлемого уровня. Эта операция требует времени и места, и, обычно линия "флоат-ванна и лер" имеет протяженность около 200 метров до линии резки стекла. Охлажденная лента стекла разрезается перемещающимся роликами на заданные форматы. Края ленты, на которых находятся отпечатки зубцов роликов, отрезаются и повторно используются в производстве в качестве стеклобоя. Затем стеклянные листы проверяются, упаковываются и хранятся либо для продажи, либо для последующих переделов. Для улучшения потребительских характеристик на стекло в постоянном режиме могут наноситься покрытия, например, низкоэмиссионные (энергосберегающие), многофункциональные, солнцезащитные. Учитывая высокую теплопроводность стекла, применение этих технологий дает возможность сократить затраты на поддержание комфортной температуры в помещении, что обеспечивает значительную экономическую и экологическую эффективность на протяжении всего жизненного цикла продукции. Стекло с твердым покрытием (CVD) - это высококачественное стекло с покрытием, нанесенным на его поверхность. Многоступенчатое металлизированное покрытие методом пиролиза наносится на поверхность стекла в момент, когда стекло все еще имеет очень высокую температуру (более 600℃). Так как стекло представляет собой аморфное вещество, молекулы кристаллической решетки которого при такой температуре сильно удалены друг от друга, то происходит проникновение молекул металлизированного покрытия в глубь кристаллической решетки стекла. Покрытие как бы ламинируется слоем металла, что делает его очень устойчивым, чрезвычайно механически прочным и постоянным. Такое покрытие принято называть "твердым". Твердые покрытия, изготовленные по технологии CVD, сохраняют свойства в течение длительного времени. Стекло с мягким покрытием (PVD) - это высококачественное стекло с покрытием, нанесенным на одну поверхность стекла в условиях вакуума методом магнетронного распыления материала катода с последующей конденсацией его на поверхности стекла в виде наноструктурной пленки заданного химического и стехиометрического состава. На стекло наносятся слои материала с определенной последовательностью, которые в свою очередь придают стеклу необходимые характеристики. Стекло с низкоэмиссионным и многофункциональным мягким покрытием используется только в составе стеклопакета покрытием внутрь. Это объясняется тем, что основной слой, придающий этим стеклам нужные характеристики, в данном случае серебро, подвержен воздействию атмосферной влаги и воздуха, которые окисляют серебро, и покрытие теряет свои свойства. Отсюда и особые требования к низкоэмиссионным и многофункциональным стеклам: хранение в герметичной упаковке и ограниченный срок монтажных работ в открытой среде. Вместе с тем в среде инертного газа низкоэмиссионные и многофункциональные покрытия защищены от окислительного воздействия кислорода воздуха и способны сохранять работоспособность вплоть до разгерметизации стеклопакета. Процесс нанесения покрытия обычно состоит из двух отдельных стадий: грунтовки и собственно нанесения покрытия. Технология пока еще не получила широкого распространения в силу экономических причин. Технологические процессы производства стеклянной тары Процесс производства стеклянной тары представляет собой непрерывное круглосуточное производство. Процесс стекловарения - это комплекс физико-химических реакций, явлений массообмена и теплообмена, в результате которых шихта превращается в расплавленную стекломассу под воздействием высоких температур, создаваемых в стекловаренной печи за счет сжигания природного газа или других источников энергии. Процесс подготовки стекломассы осуществляется в выработочном канале стекловаренной печи, питателях стекломассы (фидерах) и включает в себя охлаждение стекломассы до температуры формования, гомогенизацию по температуре и подачу в стеклоформующий автомат порции стекломассы определенной массы и формы в строго определенный момент. Для выпуска большей части стеклотары используется состав стекла, приведенный в таблице 2.5. Схема технологического процесса представлена на рисунке 2.6.

Таблица 2.5 Типовой химический состав стеклянной тары

Рисунок 2.6 - Схема технологического процесса производства стеклянной тары

Стекловарение производится в ванной печи (регенеративной печи непрерывного действия с поперечным или подковообразным направлением пламени, рекуперативной печи и т.д.). Окраску стекломассы можно производить, непосредственно добавляя краситель в шихту, выработочный канал или питатель стекломассы. Необходимо учитывать, что для равномерной окраски стекломассы необходимо выдержать три обязательных параметра: температура стекломассы, время (продолжительность) окрашивания (дозирования) и интенсивность (качество) перемешивания. Для некоторых цветовых решений важным показателем окрашивания является поддержание определенной окислительной среды в атмосфере питателя. В канале питателя могут быть установлены дренажная система для удаления загрязненной стекломассы (которая может быть использована повторно) и дополнительное перемешивающее устройство - система мешалок, осуществляющая перемешивание стекломассы, обеспечивая ее однородность. Конструкция питателя может обеспечить формирование от одной до четырех капель единовременно, в зависимости от конструкции стеклоформующей машины. Основными способами формования стеклянной тары являются выдувание (BB) и прессовыдувание (PB, NNPB) стекла. Гранулят и отходы формования относятся к возвратному стеклобою. Отформованная стеклянная тара подается в печь отжига. Отжиг - процесс охлаждения отформованной тары до температуры окружающей среды, при котором уменьшаются остаточные напряжения и предотвращается возникновение временных разрушающих напряжений. Основной нагрев рабочего пространства печи отжига обеспечивается поступающими на отжиг изделиями для достижения кривой отжига за счет подогрева природным газом или электричеством. Схематично способы формования показаны на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Способы формования стеклянной тары NNPB, PB

Для повышения эксплуатационной надежности на поверхность стеклянной тары до загрузки в печь отжига и после печи отжига наносятся упрочняющее и защитное покрытия. Процесс упрочнения поверхности стеклотары "горячим" методом состоит в нанесении защитного оксидно-металлического покрытия на наружную поверхность стеклотары. В результате взаимодействия продуктов испарения рабочего реагента с поверхностью тары образуется защитная пленка, которая выравнивает поверхность, чем увеличивает на 15 - 20% устойчивость стеклотары к механическому воздействию. Процесс нанесения покрытия на "холодном конце" состоит в нанесении на поверхность стеклотары защитного покрытия путем распыления форсунками полимерных композиций на водной основе. Такая обработка поверхности стеклотары снижает коэффициент трения, исключает потертости на наружной поверхности стеклотары. В последнее время получили развитие технологии обработки внутренней поверхности стеклянной тары при горячем упрочнении (например, диоксидом серы SO2), которые позволяют добиться снижения выщелачивания, а также повышенных прочностных характеристик при меньшей толщине стенок бутылки, тем самым сокращая расход стекломассы, улучшая показатели ресурсной и энергетической эффективности в пересчете на единицу изделия. Нанесение оксидно-металлических покрытий на горячем участке и полимерных композиций на холодном участке производственных линий может повлечь за собой выбросы дыма и паров, прежде всего соляной кислоты HCl и соединений олова (титана). После рассортировки годная стеклянная тара поступает на линию упаковки, где собирается в паллеты с применением термоусадочной полиэтиленовой пленки. Упакованная стеклотара отправляется на склад готовой продукции для хранения и последующей реализации. Технологические процессы производства сортового стекла Производство сортового стекла является одним из наиболее диверсифицированных секторов в стекольной промышленности и охватывает широкий диапазон продукции, а также технологических процессов, начиная от сложных ручных операций по выпуску отдельных изделий из декоративного хрусталя и заканчивая большими объемами продукции с использованием высокомеханизированных методов для производства недорогих потребительских товаров массового спроса. Большая часть стеклянной посуды производится из натрий-кальций-силикатного стекла, имеющего состав, подобный составу тарного стекла (см. таблицу 2.5), но более сложный, что обусловлено особыми требованиями к внешнему виду и качеству продукции и более разнообразными процессами формования. Схема технологического процесса производства сортового стекла представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема технологического процесса производства сортового стекла

Процесс формования может быть ручным, полуавтоматическим и реализованным с применением стеклоформующих машин. В последнем случае стекло из печи подается через один или более выработочных каналов в стеклоформующую машину (СФМ), где изделия формуются с использованием форм. Техника точности формования зависит от размера изделия, подлежащего изготовлению. Существуют четыре основных метода формования: прессовыдувание, выдувание, прессование и вытягивание (вытягивание по-другому называется центробежным формованием, когда капля стекломассы, вращаясь в форме, растекается до состояния готового изделия под действием центробежных сил). Первые два метода применяются также при производстве стеклотары (см. раздел 2.3). Процесс прессования сравнительно прост, он применяется для совсем мелких изделий, у которых горлышко шире основания или равно его ширине. Такой процесс прессования показан на рисунке 2.9. Входная температура расплавленного стекла изменяется в зависимости от состава, но для натрий-кальциевого стекла она обычно составляет 1150℃.

Рисунок 2.9 - Процесс прессования для формования изделий из стекла

Процесс вытягивания показан на рисунке 2.10. Он применяется для получения изделий круглого сечения, таких как тарелки и мелкие чаши (миски). Каплю стекла опускают в форму, которая затем вращается, и изделие формируется в результате действия центробежной силы.

Рисунок 2.10 - Процесс вытягивания для формования изделий из стекла

Отформованные изделия обычно подвергают огненной полировке для достижения требуемого качества поверхности, оплавке края (кромки) изделия и отжигают. Кромка изделия обрабатывается высокотемпературным пламенем за счет сжигания газокислородной или кислородоводородной смеси. После огненной полировки изделия пропускают через печь отжига, и на их поверхности могут наноситься покрытия. В ряде случаев изделия пропускают не через печь отжига, а через линию закалки, чтобы повысить их механическую устойчивость и термостойкость. Для изделий ручной работы с помощью трубки получают небольшую заготовку, пульку, которая для получения нужной формы формуется с использованием деревянных или металлических форм. Изделия переносят в печь отжига, чтобы исключить любые внутренние напряжения. При полуавтоматическом производстве некоторые этапы процесса (комплектование, формовка и обработка) выполняются с помощью машин или роботов. Отделка полученных изделий может включать целый ряд операций. Огранка предусматривает нанесение заранее выбранного резного орнамента на изделия из простого стекла с помощью шлифовального круга, шаржированного алмазом. После огранки стекло приобретает сероватый оттенок, и его поверхность имеет необработанный вид. Поверхность стекла восстанавливается в ее первоначальном виде в результате погружения стекла в полировальную ванну с фтористоводородной и серной кислотами. Для создания художественной выразительности может использоваться большое разнообразие технических приемов. Они включают декорирование с использованием эмалей, обработку с помощью пескоструйных аппаратов либо травления кислотой, а также гравирование. Объемы выбросов в результате этих операций небольшие в сравнении с основными производственными стадиями. Следует отметить еще одну особенность: практически весь объем собственного стеклобоя (до 60% от объема сваренной стекломассы) используется вторично, а ограничения по качеству обычно не позволяют использовать внешний стеклобой.

Технологические процессы производства стекловолокна Стеклянные волокна существенно отличаются друг от друга по своим физико-химическим характеристикам. Для композиционных материалов для ответственных применений используют только стеклянные волокна, имеющие соответствующие физико-химические свойства. Химический состав стекловолокон приведен в таблице 2.6.

Таблица 2.6 Химический состав стеклянных волокон

E-стекло (E - (электротехническое)) представляет собой алюмоборосиликатное стекло с низкой долей оксидов щелочных металлов (< 2 масс. %) и хорошими электроизолирующими свойствами. Волокна из E-стекла являются особенно приемлемыми для изготовления печатных плат и армирования пластмасс. Термостойкость E-стекла (определяемая температурой стеклообразования) является неудовлетворительной и составляет меньше 680℃. Большим недостатком E-стекол является их низкая кислотостойкость (кислотостойкость класса 4). R-стекло (R - (стойкое)) представляет собой щелочноземельноалюмосиликатное стекло. Температуры стеклообразования и размягчения данного стекла составляют приблизительно 730℃ и 950℃ соответственно. Подобные стекла, такие как, например, стекло , вследствие их низкого коэффициента температурного расширения применяют в качестве стекла для термометров. Волокна из R-стекла применяют в областях, предъявляющих высокие механические и термические требования. Волокна из R-стекла обладают также достаточно высокой прочностью при растяжении при повышенной температуре. ECR-стекло (ECR - (коррозионно-стойкое E-стекло)) представляет собой не содержащее бора алюмокальций-силикатное стекло с низкой долей оксидов щелочных металлов. Волокна из ECR-стекла обладают высокой кислотостойкостью и хорошими механическими и электрическими свойствами. Их применяют для ответственного армирования пластмасс. Стекло - модификация ECR-стекла с очень низкой долей оксидов щелочных металлов и улучшенными физико-химическими свойствами. Долговременная термостойкость данного вида стеклянных волокон составляет приблизительно 740℃. S-стекло (S - (прочность, прочное)) представляет собой магнезиально-алюмосиликатное стекло. Данное стекло было разработано в качестве специального стекла, удовлетворяющего высоким механическим требованиям, в частности, при повышенной температуре и содержит более 10 мол. % Al₂O₃. Свойства различных типов стекловолокна в сравнении с E-стеклом представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Свойства высококачественных стекловолокон

Как следует из таблицы 2.7, волокна из S-стекла обладают сравнительно лучшими механическими свойствами. Химическая стойкость и термостойкость данных волокон также являются очень хорошими. Традиционное S-стекло представляет собой магнезиально-алюмосиликатное стекло, которое было разработано в качестве специального стекла, удовлетворяющего высоким механическим требованиям, в частности при повышенной температуре. Хотя стекла, представляющие собой тройные системы MgO-Al₂O₃-SiO₂, легко затвердевают до стекловидного состояния, но при последующей термической обработке они проявляют склонность к кристаллизации и разделению фаз. Если S-стекла подвергаются термическому воздействию, то происходят выделение каплеобразной фазы силикатного стекла с высоким содержанием MgO и Al₂O₃ и кристаллизация. Данное обстоятельство представляет собой большой недостаток традиционного S-стекла и произведенных из него изделий. В тройных системах MgO-Al₂O₃-SiO₂ могут кристаллизоваться, в частности, муллит 3Al₂O₃·2SiO₂, форстерит 2MgO·SiO₂, шпинель MgO·Al₂O₃, кордиерит 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ и периклаз MgO.

Разделение фаз и процессы кристаллизации ведут к сильному уменьшению прочности волокна, хрупкости и разрушению волокна (к поперечной фрагментации). Стойкость к температурным перепадам волокон из S-стекла является также неудовлетворительной. Другим большим недостатком волокон из S-стекла является относительно высокая цена. Вследствие этого по соображениям целесообразности такой сорт волокон находит применение только в немногих областях. Другой вид волокон, применяемых для ответственного армирования пластмасс, представляет собой стекловолокно из стекла , не содержащего бор. Хотя волокна из стекла обладают по сравнению с S-стеклом более низкой прочностью и более низкой термостойкостью, но их склонность к кристаллизации является сравнительно низкой. Некоторые технологические процессы и оборудование для производства стекловолокна (представлены на рисунке 2.11) имеют достаточно существенные отличия от других способов производства стеклоизделий, поэтому подробно описаны ниже в настоящем разделе.

Рисунок 2.11 - Схема технологического процесса производства стекловолокна

Приготовление шихты. Технологический процесс приготовления шихты включает в себя транспортировку обработанных (если это необходимо) сырьевых материалов, дозировку, взвешивание и смешивание их до получения однородной смеси. Сырьевые материалы, входящие в состав шихты, пневмотранспортом, элеваторами или шнековыми транспортерами подаются в расходные бункеры весовой линии участка приготовления шихты. Расходные бункеры весовой линии рассчитаны на хранение запаса сырья и оснащены сигнализаторами минимального и максимального уровней. Они также оснащены бункерными фильтрами для сброса воздуха от пневмотранспорта. Контроль всех сырьевых материалов производится из бункеров на весовой линии. Сырьевые материалы из расходных бункеров (силосов) при помощи шнековых дозаторов подаются в весовые бункеры. Бункеры установлены на тензометрических датчиках, осуществляющих контроль веса (массы). Сигнал с них поступает на цифровой преобразователь, находящийся на пульте управления весовой линией. Таким образом, при помощи данного контура осуществляется контроль дозирования сырьевых материалов. Высыпание из весового бункера на ленточный конвейер отвешенных сырьевых материалов осуществляется при помощи заслонок. Высыпание на ленту происходит одновременно из всех бункеров. По ленточному конвейеру отвешенные сырьевые материалы попадают в смеситель блендерного типа, где идет смешивание всех компонентов шихты. После смешивания готовая шихта подается в накопительные бункеры участка производства стеклянных искусственных волокон. Транспортировка и загрузка шихты в ванну печи. Накопительные бункеры отделения стекловарения оснащены бункерными фильтрами для сброса воздуха от пневмотранспорта, сигнализаторами минимального и максимального уровней, а также шнекового дозатора у основания накопительного бункера. Подача шихты в накопительные бункеры осуществляется попеременно. Это достигается за счет дроссельного переключателя. При помощи системы шнеков шихта попадает в расходные бункеры загрузчиков. Помимо расходного бункера, загрузчики оснащены шнеком, по которому шихта подается в стекловаренную печь, и швеллерной системой откатки загрузчиков на случай аварийных или плановых ремонтов. Так как загрузка шихты в стекловаренную печь ведется постоянно, все двигатели загрузочного узла оснащены инверторами, позволяющими регулировать загрузку шихты в зависимости от съема стекломассы.

Стекловарение. Осуществляется в рекуперативной печи прямого и электрического нагрева, состоящей из варочного бассейна и главного канала, разделенных проточной системой. Стены бассейна ванной печи и протока выполнены из хромоксидного огнеупора. Для снижения потерь тепла весь бассейн изолируется шамотным легковесом. Свод изолируется корундовым легковесом, волокнистой изоляцией и оцинкованными листами. Все элементы огнеупорной кладки ванной печи крепятся металлоконструкциями. Печь отапливается природным газом и системой электроподогрева. Подача газа на горение производится через комбинированные горелки диффузионного типа. Печь условно разделена на две зоны: зону варки и зону осветления. Регулирование температуры осуществляется одновременно во всей печи. Разность температур в зонах достигается балансировкой между отдельными парами горелок. С задней торцевой стороны печи расположен металлический рекуператор типа "труба в трубе". Для поддержания давления в стекловаренной печи в горловину рекуператора подается запорный воздух по трубам из жаростойкой нержавейки. Дымовые газы (продукты сгорания топлива) удаляются через влет задней торцевой стены в дымовой канал и далее через рекуператор в металлическую дымовую трубу, выполненную у основания в виде зонта.

Контроль температурного режима стекловарения осуществляется с помощью сводовых и донных термопар. Также предусмотрены следующие системы автоматического регулирования параметров: - автоматическое поддержание заданного расхода газа; - автоматическое поддержание заданного соотношения "газ/воздух"; - автоматическое поддержание заданной температуры; - автоматическое поддержание уровня стекломассы в печи; - автоматическое поддержание давления в печи. Предусмотрена система автоматического сброса горячего воздуха на свечу, которая применяется для поддержания температуры и предотвращения перегрева рекуператора. В случае отключения какой-либо системы автоматического регулирования управление технологическим процессом осуществляется дистанционно. Для безопасного ведения технологического процесса стекловарения предусмотрены следующие системы аварийной и предупредительной сигнализации и блокировки: - световая и звуковая сигнализация "Топливо-воздух" на случай отключения подачи газа или воздуха в ванную печь; - блокировка подачи газа или воздуха в ванную печь при отсутствии одного из этих компонентов; - световая и звуковая сигнализация при выходе из строя уровнемера; - световая и звуковая сигнализация при увеличении или уменьшении уровня больше, чем на 1мм; - световая и звуковая сигнализация при перегреве рекуператора; - световая и звуковая сигнализация при отклонении температуры от задания по своду и по дну; - световая и звуковая сигнализация при аварии системы загрузки шихты. С целью предотвращения разрушения огнеупорной кладки бассейна ванной печи предусмотрено естественное, а в дальнейшем и принудительное воздушное охлаждение, а при необходимости - и использование водяных холодильников. Для выпуска стекломассы из ванной печи в конце кампании или при аварийных ситуациях под ванной печью предусмотрена специальная аварийная ванна, выложенная из огнеупорного кирпича. Сваренная стекломасса из зоны осветления самотеком поступает через проток в главный канал и далее в фидерную систему. Каждая зона отопления имеет свою систему регулирования температуры, которая работает в автоматическом режиме. Система включает в себя: - контур регулирования температуры стекломассы; - контур регулирования расхода топлива; - контур регулирования соотношения "газ/воздух". С целью стабильного и безопасного ведения технологического процесса предусмотрена световая и звуковая сигнализация при отклонении температуры с/массы от заданной на ±5 градусов, "газ/воздух" на случай отключения одного из компонентов смеси и разрыва предохранительной мембраны на трубопроводе газовоздушной смеси. Приготовление замасливателя, перекачка и система подачи замасливателя. Поверхность стеклянных волокон в процессе вытягивания покрывается замасливателем - сложной многокомпонентной стабильной водной дисперсией (эмульсией), содержащей до 90% воды. Основное назначение замасливателя - обеспечить смазку и защиту филаментных волокон и комплексных нитей от истирания, происходящего как во влажных условиях во время вытягивания нитей, так и в сухих условиях при трении волокон о детали оборудования в процессе текстильной переработки и в процессе производства стеклопластиковых изделий. Замасливающее покрытие должно образовывать на волокне гибкую, эластичную пленку, стойкую к истиранию и механическим воздействиям, склеивать элементарные волокна в нить, придавая ей компактность и целостность. Толщина и свойства образующейся пленки зависят от количества нанесенного замасливателя и его состава. Компоненты, входящие в состав замасливателя, должны совмещаться друг с другом с образованием устойчивой эмульсии, иметь сродство к поверхности стеклянного волокна и обеспечивать химическую связь с полимерной матрицей в процессе производства стеклопластиковых изделий. Приготовление замасливателя с использованием деминерализованной воды. Деминерализованная вода готовится на участке водоподготовки на установке системы обратного осмоса. Качество воды должно соответствовать требованиям инструкции на приготовление замасливателей и контролироваться один раз в квартал. Перекачка замасливателя осуществляется по двум независимым системам (линиям A и B) в реакторную при помощи пневмонасоса. Каждый вид замасливателя перекачивается и хранится в отдельном реакторе при постоянном перемешивании и поддержании заданного диапазона температур. После каждой перекачки замасливателя происходит автоматическая промывка системы трубопровода. В российских условиях в зимний период система трубопровода между участками приготовления и хранения замасливателя должна иметь электроподогрев. После каждой перекачки замасливателя трубопровод необходимо продуть сжатым воздухом. Из расходных реакторов замасливатель подается в систему рециркуляции пневмонасосом под давлением. Для эффективного использования замасливателя установленные фильтры (сеточки) в ванночках замасливающего устройства необходимо регулярно промывать или менять на чистые. Оборудование прядильной ячейки. Для выработки однопроцессных ровингов применяется оборудование, установленное на прядильных ячейках, размещенных под рабочими каналами фидерной системы в два яруса. В комплект прядильных ячеек входит следующее оборудование: - фильерные питатели; - замасливающее устройство; - наматывающие аппараты; - вспомогательное оборудование (печные трансформаторы, подфильерные холодильники, монтажные рамы, форсунки для орошения подфильерной зоны, ванночка замасливающего устройства). Для обеспечения устойчивого процесса выработки однопроцессных ровингов предусмотрены установка форсунок для орошения подфильерной зоны обессоленной водой и установка кондиционирования воздуха в производственном помещении. Выработки однопроцессного стеклоровинга. Наматывающая машина используется для намотки стекловолокна из фильерных питателей. Она состоит из двух мотальных веретен (валов), которые закрепляются на роторном диске (ротационном), то есть поворотном столе машины. Волокно переходит с одного веретена на другое полностью автоматически. Подготовленная в фидере стекломасса поступает через специальные щелевые огнеупорные камни в платинородиевые фильерные питатели, смонтированные в нижней части рабочих каналов фидеров. Температура питателей автоматически поддерживается постоянной с помощью регулятора температуры. Стекломасса под действием гидростатического напора вытекает через фильеры, находящиеся в дне питателя, в виде струек, которые затем принудительно растягиваются в элементарные стеклонити заданного диаметра. Затем элементарные волокна обрабатываются замасливателем и, проходя через нитесборник, собираются и склеиваются в одну комплексную нить. Сформированная стеклонить наматывается на бумажную манжету, одетую на вращающийся шпуледержатель наматывающего аппарата. После окончания намотки автоматически происходит перезаправка комплексной нити на пустую манжету, одетую на второй шпуледержатель наматывающего аппарата. Паковка с намотанной нитью при помощи манипулятора помещается на транспортную телегу и направляется на следующий технологический переход. Выработка рубленых стеклонитей. Для выработки рубленых стеклонитей путем непрерывной прямой рубки применяется оборудование, аналогичное оборудованию для выработки стеклоровинга, за исключением наматывающего аппарата и дополнительных полиуретановых направляющих и оттягивающих роликов. Для выработки рубленых стеклонитей путем непрерывной прямой рубки используется чоппер. Сформированная стеклонить через графитовый нитесборник, полиуретановый направляющий ролик на прядильной ячейке, графитовый направляющий ролик на чоппере заправляется в полиуретановые оттягивающие ролики чоппера. Затем система автозаправки чоппера с помощью графитового направляющего ролика забрасывает прядь стеклонити между режущей головкой и полиуретановым кольцом. Сформированные стеклонити с питателей, работающих на чоппер, равномерно распределяются через пальцы гребенки, проходят по поверхности полиуретанового кольца, направляются между режущей головкой и полиуретановым кольцом. Ножи режущей головки, вдавливаясь в упругую поверхность полиуретанового кольца, рубят находящуюся между валиками стеклонить на отрезки, равные расстоянию между ножами. Рубленая стеклонить по рабочему желобу под действием силы тяжести падает в мягкий контейнер из полипропиленовой ткани (биг-бег), установленный на весовой платформе на поддоне. Биг-бег подвешивают на кронштейны, вставленные в раму, во избежание его падения. На весовой платформе установлен вибратор для уплотнения рубленых стеклонитей в биг-беге по мере его заполнения. Процессы ткачества и производства изолирующих матов и плит обычно реализуются отдельно от заводов по производству стекловолокна и не имеют логической связи с данным справочником, так как используют собственные технологические процессы, не связанные с производством стекла.

Технологические процессы производства силиката натрия растворимого Технологические процессы производства растворимых силикатов щелочных металлов описаны на примере силиката натрия растворимого, наиболее массового вида продукции данного типа. Силикат натрия является продуктом, отвечающим общей химической формуле Na₂O*M SiO₂, где M - силикатный модуль (см. таблицу 2.8). Наибольшим спросом пользуется продукт с , но в промышленном масштабе можно производить и силикат натрия с модулями в диапазоне .

Таблица 2.8 Типовой химический состав силиката натрия растворимого

Силикат натрия растворимый используется для изготовления жидкого стекла, замазок, литья, флотации, для производства катализаторов и адсорбентов, для производства сварочных электродов, для синтетических моющих средств и химических производств, белой сажи, для строительства, бумажного производства, для клеев, пропиток, покрытий и других целей. Производство силиката натрия растворимого представляет собой процесс получения расплава стекломассы из шихты, содержащей песок и соду в заданных пропорциях, в ванной стекловаренной печи непрерывного действия с последующим резким охлаждением стекломассы (см. рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема технологического процесса производства силиката натрия растворимого

В основном, для стекловарения используются печи регенеративного типа с подковообразным и поперечным направлением пламени. Для формования применяются: - современный сухой способ охлаждения готовой продукции с формированием гранул силиката натрия на пресс-формах конвейера; - способ прямого охлаждения стекломассы водой. Продукт, охлажденный последним способом, представляет из себя неоднородные куски и отличается высоким содержанием мелкой фракции. Имеются потери продукта за счет растворения и вымывания технической водой мелкой фракции. Техническая вода после охлаждения продукта имеет высокий показатель pH (9 - 11) и много взвешенных веществ. При перевозке продукции до потребителя насыщение продукта влагой и наличие мелкой фракции часто приводят к образованию монолита, что вызывает трудности при разгрузке и переработке. Существует несколько модификаций товарного продукта, которые имеют различную структуру (глыба, гранулят, порошок), а также различную влажность (сухой остаток в доле 37, 48, 58, 80, 100%)

ЗЕРКАЛА

Зеркало состоит из стекла разной степени полировки и нанесенного на него отражающего напыления. Зеркала, в том виде, какими их знаем мы, стали выпускаться только после индустриальной революции. С того времени технология практически не менялась, и сегодня существуют два основных способа изготовления зеркал: 1.Изделия производятся путем использования раствора серебра, закрепляемого на стекле слоем меди или специальным химическим составом. 2.На ровную основу напыляют алюминий, титан и другие сплавы. Небьющиеся зеркала получают методом осаждения металлического серебра на оргстекле или целлулоиде. Подготовка Прежде чем нанести на стекло амальгаму, его нужно подготовить – очистить, обезжирить спиртовым составом. В промышленных условиях очистка осуществляется на полуавтоматических конвейерных линиях. Для безопасности кромки помещаются между резиновыми валиками. Заготовки движутся вертикально по ленте и обдаются паром. На следующем этапе они натираются щетками в присутствии мелового порошка. Далее следует промывка и принудительная сушка под воздействием горячих воздушных масс. Подготовленную основу для зеркала с обеих сторон обрабатывают растворителем, техническим спиртом или другим эффективным обезжиривателем. Серебрение Нанесение слоя амальгамы называется металлизацией. Процесс этот выполняется двумя вариантами. В недалеком прошлом популярностью пользовалась исключительно технология серебрения поверхности в присутствии электрического тока. Суть ее такова: на основу наносится серебрильный раствор толщиной до 0,3 мкм, состоящий из щелочной смеси азотнокислого серебра. Для кристаллизации жидкой массы в нее вводят хлористое олово, а функцию восстановителя выполняет инвертный сахар, полученный путем смешивания обычного сахара с серной кислотой с последующим их кипячением. В результате активной химической реакции получается смесь альдегидной глюкозы с фруктозой. Под воздействием этих веществ металлическое серебро восстанавливается и осаждается на стекле. Процедура занимает 12-15 минут. Чтобы получить толстый слой, ее повторяют дважды и даже трижды. Соответственного стоимость изделия, изготовленная методом двойного или тройного налива, увеличивается. Обычно серебро при соединении с кислородом темнеет. Данная же технология позволяет сохранить благородному металлу свои свойства, поэтому зеркала с использованием серебрильного раствора обладают отличным отражающим эффектом. Второй метод серебрения: Готовые стеклянные пластины укладывают горизонтально на ленту конвейера для отправки на промывание (в зависимости от завода это может происходить как сразу, так и после транспортировки в другое место). Перед тем, как наносить амальгаму, необходимо очистить поверхность от любых загрязнений. Листы промывают водой с оксидом церия. Поверхность дополнительно полируется специальными щётками, чтобы удалить жиры и все остальные загрязнения. Затем остатки оксида церия смывают горячей деминирализованной водой. Обычная вода в этом случае не подходит, так как содержащиеся в ней минералы могут повредить амальгаму, которая будет нанесена в дальнейшем. После промывки на сухую поверхность с одной стороны наносится тончайший слой олова, чтобы в дальнейшем уже на него нанести серебро. При отсутствии оловянной основы серебро не будет держаться. Затем серебро, смешиваемое с химическим активатором, наносится поверх олова, и, по мере отвердевания, образуется тонкий отражающий слой. Излишки серебра смываются водой и поверхность напыляется медью, излишки которой так же смываются.

Получившийся лист зеркального полотна отправляется в сушильный аппарат, где за несколько минут с поверхности удаляется вся влага. Затем производятся два покрытия защитными слоями краски и после более долгой сушки получается готовое полотно. Подобный процесс требует наличия крупных установок: от плавильных печей до сложной системы нанесения амальгамы и сушки изделия, поэтому до этого этапа производство осуществляется на специальных заводах. Алюминирование Друой метод металлизации стеклянных заготовок при производстве зеркал называется алюминирование. Эта технология сегодня более распространена. Заключается она в термическом выделении алюминия вакуумным методом в специальных установках. Заготовки помещают в камеру с испарителем (медная рамка) и полосками алюминия. Из испарителя откачивается воздух до значения 13,33 Па. Затем в камеру подается электрическое напряжение, которое обеспечит полный вакуум, удалив остатки воздуха с поверхности стекла. Далее повышают температуру до момента плавления алюминия. Металл испаряется, покрывая заготовку сплошным слоем толщиной не менее 0,12 мкм. Весь процесс занимает около 20 минут. Алюминирование считается экономичным способом, поэтому в производстве зеркал используется чаще. Однако для изготовления дорогих предметов интерьера, как и прежде, применяют технологию серебрения. Зеркала с серебряной амальгамой обеспечивают лучший отражающий эффект, чем выгодно отличаются от алюминированных аналогов.

Оптическое стекло

Основные свойства оптического стекла Среди характеристик стекла стоит различать: ·Показатель преломления – характеристика, определяющаяся парой спектральных линий, которые именуются «натриевый дублет»; ·Средняя дисперсия – показатель, который определяется разностью характеристик преломления синей и красной линий спектра; ·Коэффициент дисперсии – число, заданное соотношением характеристики преломления к показателю средней дисперсии. Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности. Стекло для трансформации излучения делится на: ·Фотохромные; ·Генерирующие люминисцирующие; ·Магнитно-оптические. Для всех эти стекол характерно явление фото- и радиационного окрашивания и люминисценции. Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов. Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла: ·Неорганическое; ·Органика или, так называемое, оргстекло; ·Минерало-органическое. Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO2, B2O3) и фториды (AlF3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим. На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания. Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности. Силикатное стекло бывает: ·Прозрачное. В свою очередь делится на оптическое и техническое. Оптическое стекло из кварцевого песка получается средством плавки горного хрусталя. Такой материал полностью однороден; ·Непрозрачное. Цвет придается маленькими пузырьками газа, которые находятся внутри материала. Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей. В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца. Линзы из оптического стекла Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков. Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах: ·Подготовка сырья; ·Расплавления материала, получение исходной смеси; ·Процесс варения стекла; ·Заливка расплавленного материала в формы (заготовки); ·Остывание материала (данный этап наиболее продолжительный, в некоторых случая может потребоваться несколько месяцев); ·Механическая обработка остывшего стекла; ·Нанесение специального покрытия. Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту. Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление. Однородность материала значит, что коэффициент преломления стекла будет равным во всех точках. Изотропность материала – свойство, обеспечивающее одинаковые физические параметры стекла во всех направлениях. Многие компании, занимающиеся производством фотографических агрегатов, самостоятельно разрабатывают свои методики изготовления оптических материалов, техники нанесения специальных покрытий на стекло. Характеристики оптического стекла Современные технологии позволяют зарубежным и отечественным производителям создавать материалы с невероятными характеристиками. Самый распространенный материал в оптике – бесцветное оптическое стекло. Ассортимент материала постоянно расширяется, номенклатура растет не по годам. Это позволяет выбрать наиболее подходящее стекло для определенных нужд в той или иной сфере применения оптического материала. Бесцветное оптическое стекло производится в трех сериях (0, 100 и 200). Стекла с маркировкой «0» пригодны для производства деталей и аппаратов, которые используются в обычных условиях. Стекла серии «100» применяются в изготовлении деталей, которые будут работать при незначительном ионизирующем излучении. А оптика класса «200» широко востребована в изготовлении агрегатов, основная задача которых – работа в условиях интенсивного излучения. Независимо от серии, выпущенные стекла могут иметь разный химический состав. Поэтому на производстве каждому виду оптического стекла присваивается свой номер (марка). Наименование материала состоит из букв и цифр. Буквы значат принадлежность к определенному типу оптического материала. Стоит отметить, что в связи с показателем дисперсии были введены два типа стекол для оптики: ·Кроны – представляют собой стекла с низким коэффициентом преломления, но высоким показателем дисперсии. Как правило, это силикатные стекла; ·Флинты – маленькое значение дисперсии, но высокий показатель преломления. Обычно в класс флинтов относят стекла с содержанием плюмбума (свинца). На современном этапе производство оптических материалов выделяет класс кронфлинтов. Это промежуточная группа между вышеупомянутыми оптическими стеклами. Также в оптике упоминаются так называемые «особые» стекла. Основное отличие таких материалов – независимые друг от друга показатель преломления и значение дисперсии. Обе характеристики могут быть высокими или низкими в одном оптическом материале, что до недавнего времени противоречило всем канонам оптики. Производство оптических материалов жестко регламентируется. Стекло оптическое ГОСТ 3514-94 – ныне действующий документ, который распространяется на бесцветные и неорганические материалы для оптики. Нормативным документом предусматривается урегулирование производства заготовок с диаметром не более 500мм. Данный ГОСТ действует в совокупности с другим нормативным документом – ГОСТ 13240, предусматривающим выпуск продукции для экспорта и нужд экономики государства. Стекло оптическое ГОСТ 13659-78 охватывает производство оптических бесцветных материалов, стандартизирует физические и химические свойства и прочие параметры стекол.

Производство оптических стекол Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Производство таких материалов – важная и ответственная задача, которая под силу лишь профессионалам. Как правило, стекло для оптических аппаратов изготавливается методом варки. Довольно широко применяются экструзионный метод и технология литья. Варение стекла происходит в предназначенных для этой задачи огнеупорных горшках из шихты (смеси исходных материалов). Эти горшки со смесью помещаются в специальную печь для варения стекла. Нередко в шихту включают стеклобой. Суммарное содержание битого стекла не должно превышать 40%. При этом стеклобой должен обладать таким же составом, что и исходный продукт. Т.е. при варке кварца битое стекло тоже должно быть силикатным. Производство оптического стекла протекает с использованием спецоборудования — водородных горелок. Сотрудники компании тщательно перемешивают смесь до гомогенного состояния. Процесс проводится непрерывно с помощью специального керамического прибора. В это же время несколько раз берутся пробы сырья для контроля качества. Одним из самых важных этапов варки считается осветление. Процесс протекает сам по себе посредством выделения газов при варке оптического стекла с добавлением осветителей. После этого огнеупорные горшки достаются из печи. Смесь, находящая в них, медленно охлаждается. Обычно, охлаждение длится 6-8 дней, но случается так, что процесс затягивается на несколько месяцев. Из-за того, что горячая смесь остывает неравномерно, стекло трескается. Его осколки тщательно сортируются, пристально осматриваются и отбираются пригодные для дальнейшей обработки куски. Чтобы сократить время на производство оптического стекла, предприятия перед механической обработкой прессуют отобранные осколки в небольшие плиты. Пресс работает с нагретым до 500 градусов Цельсия материалом. В дальнейшем стекло снова поддается медленному охлаждению. Процесс остывания проходит в электрических печах, носит название «отжиг». Далее проводится контроль качества, обнаружение дефектов. При варке цветного стекла в смесь добавляются вещества, в составе которых высокое содержание золота, меди, селена или другого цветного металла. Способ заливки применяется в производстве органического стекла. Однородную смесь с отвердителями и красителями (мономер) заливают между пластинами из кварцевого стекла. В это время происходит полимеризация материала, которая имеет продолжительность до получения готового листового органического стекла. Современные технологии позволяют получать оргстекло с необходимыми параметрами. Экструзионный способ также применяется для изготовления полимерного стекла. Технологический процесс проходит непрерывно на специальных экструзионных линиях. Это обусловлено автоматизацией производства. С помощью технологии можно получить листы высокого качества с заданными параметрами. Как правило, толщина листового стекла после производства на линии экструзирования от 1,8мм до 10мм.

Характеристики оптического стекла Оптическое стекло сегодня активно используется в различных сферах. В повседневной жизни человека оно участвует практически каждый день. Этот вид стекла производится для изготовления оптики. Благодаря своему высокому качеству и высокому уровню прозрачности оно может использоваться для формирования изображений. 1.Показатель преломления – представляет собой соотношение скорости распространения ЭМ излучения в стекле по отношению к этому показателю в воздухе. Он также зависит от длины волны такого излучения. 2.Средняя дисперсия – характеризует собой разность показателей преломления для волн различной длины. 3.Коэффициент дисперсии – является числом, которое определяет соотношение этих характеристик. Помимо этих показателей оптическое стекло имеет ряд других особенностей. Оно может быть как прозрачным, так и цветным. Последнее используется для абсорбционных светофильтров, которые имеют более высокие показатели однородности по сравнению с техническими или художественными. Специфика производства оптического стекла Технический процесс изготовления стекла не является очень сложным или высокотехнологичным. Но различные стандарты и нормативы, которые выдвигаются к тому или иному виду этого материала, значительно усложняют и удорожают его. Варение оптического стекла происходит в специальных огнеупорных горшках, которые производятся из той же шихты, и помещаются в печь. Для того чтобы создать необходимые условия, при плавлении используют водородные горелки. Следует отметить, что при варке не прозрачного, а цветного оптического стекла в шихту добавляются вещества с высоким содержанием меди, золота, селена или другого цветмета. С помощью специального керамического прибора смесь постоянно перемешивается, для того чтобы она приобрела гомогенное состояние. После завершения данного этапа горшки достаются из печи, и расплав в них постепенно охлаждается. Зачастую этот процесс длится не менее 6 дней, но может затянуться и на несколько месяцев, все зависит от специфики материала и техпроцесса. Охлаждение массы проходит неравномерно, из-за чего стекло трескается. Эти куски тщательно сортируются и выбираются те, которые могут пройти дальнейшую обработку. Остальные отправляются в бой и могут быть повторно использованы в производстве. Отобранные для обработки осколки прессуются, но этот процесс происходит до того, как они остынут. Их температура должна быть около 500°С. После этого прессованные плиты продолжают медленно охлаждаться в специальных электрических печах. Обработка оптического стекла Оптическое стекло представляет собой специальную категорию прозрачных аналогов, которые используется в производстве различных элементов и деталей для оптического оборудования. От обыкновенных стекол оптические отличаются такими свойствами: ·высокий процент прозрачности; ·чистота; ·отсутствие или наличие цвета; ·однородность; ·нормированный эффект преломления; ·наличие дисперсии. Необходимость присутствия всех вышеописанных параметров значительно увеличивает финансовые издержки на такие мероприятия, как производство и обработка оптического стекла. Заготовки для обработки оптических деталей После того как оптическое стекло было сверено и застыло до нужного состояния, заготовки необходимых элементов добывают в самых разнообразных формах, начиная от прямоугольных и сферических пластинок и заканчивая плитками, штабиками и прессовками. На процедуру обработки материал отправляется целыми партиями, которые должны состоять из образцов одной формы, размера и диаметра. Также к каждой партии необходимо прилагать сопроводительный паспорт, где будет отражаться все фактические параметры и характеристики стекла, например, коэффициент качества, порядковый номер варочного процесса и последующего отжига. Обработка оптического стекла не позволят смешивать между собой элементы из различных партий! Это важно, поскольку в процессе сборки оптических приспособлений элементы комплектуются согласно их значениям дисперсии и уровню преломления. Методики обработки оптического стекла Обработка оптического стекла представляет собой методологию огранки драгоценных камней только с учетом увеличенного масштаба. Однако прежде чем приступить к первичным фазам процесса, необходимо иметь карту дефектов, которые иногда присутствуют в заготовках. Как правило, это могут быть незначительные образования, например, пузырьки, камни, песчинки, дымка, мошки, свили, напряжения и прочие. Руководствуясь данным перечнем, образцы подвергают распилу при помощи алмазных пил, на меньшие прямоугольные детали, из которых при помощи круговых полотен вырезают цилиндры необходимого размера и диаметра. Наиболее рациональным методом для получения линз и оптических призм считается прессовка, что дублирует конфигурацию готовой детали. Пресс-формы и шаблоны для стекла Для производства элементов заданного типа необходимо иметь пресс-формы и шаблоны. Также если необходимо достичь определенного процента чистоты элемента, используют вращающийся диск с абразивами, который именуется шлифовальной планшайбой. После каждого этапа обработки стекло необходимо промывать. На финальных стадиях обработки деталь полируют, защищают, проводят тестирование на качественность и готовят к установке в тот или иной аппарат с последующей полировкой других рабочих поверхностей. В конце стоит отметить, что в процессе обработки оптических заготовок следует строго руководствоваться техническими условиями, которые составляются на основе чертежной документации того или иного будущего оптического прибора.

Композитные материалы

Немного о графите

Графит является удобным эталоном химически активного мате­риала, поскольку при его взаимодействии с кислородом и другими газами не образуются соединения в конденсированной фазе. Кроме этого, графит является одним из наиболее перспективных теплоза­щитных материалов.

Известны две кристаллические модификации углерода – алмаз и графит, существует и аморфный углерод: сажа, древесный уголь, животный уголь.

Алмаз в 1,5 раза плотнее, теплопроводность его в 30 раз выше, чем у графита, а теплоемкость в 1,5 раза меньше. Тройная точка: Р = 1,1-10⁷Па, Т = 4 200К. Графитизация – 2 800÷3 300К. Образование пирографита из СН₄ происходит при Т = 2 300...2 600К на подложке из графита.

Пирографит (табл. 4) – не новая модификация графита (патент на его получение был выдан в 1880г.), но только в современной тех­нике он нашел широкое применение.

Таблица 4 Теплофизические свойства графитов

Обозначения: ρ – плотность; Т – температура; λ – коэффициент теплопроводности; С – удельная теплоемкость.

Азот начинает реагировать с поверхностью графита при Тw= 2 800К, тогда как сублимация последнего становится существен­ной при Тw> 3 300К. При этом образуется в основном С₃.

При температуре торможения набегающего потока Те = 6 000К и Р = 5∙10⁵Па 30% графита уносится в виде циана. При больших тепловых потоках единственным ТЗМ является графит. Например, в условиях Юпитера при входе зонда тепловые потоки достигают 5... 100 кВт/см². Чем меньше молекулярная масса набегающего по­тока, тем выше унос при одной и той же температуре поверхности.

Большинство реальных ТЗМ являются композиционными и обы­чно состоят из связующего и наполнителя.

Существует два наиболее распространенных способа построе­ния композиционных ТЗМ:

1. Несущий каркас образуется переплетенными тугоплавкими волокнами, а связующая компонента не позволяет волокнам напол­нителя скользить друг относительно друга.

2. Соты формируются из стеклопластика или металла, а их внут­ренний объем заполняется смесью органической смолы, пористых микрошариков и микроволокон.

Первый тип композиционных ТЗМ хорошо противостоит сверх­высоким тепловым и динамическим нагрузкам, в то время как вто­рой работает в условиях длительного воздействия умеренного теп­лового потока. В условиях интенсивного нагрева стеклопластик на­гревается как однородный материал лишь до 400 К, после чего про­исходит первое физико-химическое превращение – испарение влаги.

При высоких температурах стекло и углерод (как пиролитический, так и кокс) могут вступать в химическое взаимодействие непо­средственно в твердой фазе, образуя как газообразные так и новые твердые компоненты: SiO₂+С↔SiOгаз+СОгаз, но может образоваться и SiC при определенных условиях; SiO – газ при высоких температурах. Оптимальная массовая концентрация стекла SiO₂ в армированном композиционном материале на орга­ническом связующем составляет – 0,6...0,8.

Среди газообразных продуктов, которые могут применяться в системах тепловой защиты от радиационного теплового потока в воздухе, следует назвать пары лития, магния, бора, алюминия, меди и некоторые другие, имеющие коэффициенты поглощения в ваку­умном ультрафиолете более высокие, чем кислород. Возможно рассеяние энергии на частицах, вдуваемых в пограничный слой, если размеры их соизмеримы с длиной волны света.

Третий способ тепловой защиты требует разработки специаль­ных покрытий, обладающих высоким коэффициентом отражения по отношению к падающему потоку и сохраняющих этот коэффи­циент. Кварцевое стекло прозрачно в области длин волн 0,2÷2,3мкм. Если использовать в качестве зеркала серебро, то оно эф­фективно отражает при λ > 0,4мкм. Такая система должна противо­стоять не только тепловому воздействию, но и лазерному облуче­нию с энергией до 200 000 кВт/м² (20 кВт/см²).

При гиперзвуковом обтекании тела формируется ударная вол­на и кинетическая энергия набегающего потока переходит в теп­ловую энергию сжатого слоя. Может возникнуть мощное излучение плазмы – радиационный тепловой поток.

У поверхности образуется пограничный слой, являющийся источни­ком конвективного теплового и диффузионного химического воздей­ствия на материал оболочки тела. Имеет место и силовое воздействие.

Композиционные материалы

Композиционные материалы могут выгодно отличаться от тради­ционных металлов высокой удельной прочностью и модулем упругос­ти, коррозионной стойкостью, сочетать в себе интересные и необходи­мые свойства компонентов, образующих композиционный материал (КМ).

В технике и природе практически нет материалов, которые в чис­том виде могли бы работать в экстремальных условиях ракетно-кос­мической техники. Но, разработчики этой техники научились умело сочетать в одном композиционном материале или в одной конструкции лучшие для данных условий свойства входящих материалов. Напри­мер, графит имеет температуру плавления выше 4300 К, но он хруп­кий, имеет низкую эрозионную стойкость; вольфрам плавится при тем­пературе 3695 К, но не термостоек, имеет низкую прочность при вы­соких температурах и другие отрицательные свойства. Поэтому при выборе материала конструкции и технологии должен иметь место компромисс, который возможен в КМ.

Материалы, сочетающие положительные свойства двух или нес­кольких материалов или двух фаз одного материала, получили назва­ние композиционных. Композиционные материалы в основном со­зданы человеком, и многие считают, что в природе их нет. И все- таки в природе они представлены - растительным миром, кристал­лами некоторых металлов и минералов, например: волокнистое золото, «проволочное» серебро, лучистые цеолиты, асбест, мала­хит, рубин и др. Асбест - это хризотил Mg₆ (Si₄О₁₀) (ОН)₈+вода; рубин – сапфир Al₂O₃ с иглами рутила (ТiO₂); кварц (SiO₂) с иглами рутила, эти лучистые иглы были названы «волосами Венеры».

Можно привести много подобных примеров. Сегодня иглы научились выращивать в искусственных условиях и назвали их «уса­ми», которые применяются при создании высокопрочных материа­лов. Природные материалы, о которых сказано выше, не принято называть композиционными в их классическом понимании, поэто­му для КМ есть свои строгие определения.

Композиционные материалы представляют собой гетерогенные си­стемы, полученные из двух или более компонентов с сохранением ин­дивидуальности каждого отдельного компонента. Другое определе­ние: композиционными называются материалы, обладающие следую­щей совокупностью признаков: не встречаются в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух или более компонентов, различаю­щихся по своему химическому составу и разделены выраженной грани­цей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макро­масштабе; состав, форма и распределение компонентов определены за­ранее; свойства определяются каждым из компонентов, которые, в свя­зи с этим, должны присутствовать в материале в достаточно больших количествах (больше некоторого критического содержания).

В КМ различают матрицу и армировку или наполнитель. Матри­ца является непрерывным элементом во всем объеме. Армировка или наполнитель – прерывистые или разъединенные в объеме. Например, стеклопластик - смола есть матрица, стекловолокно - наполнитель; КМ могут быть изотропными, и тогда свойства их во всех направлениях одинаковы, и анизотропными, у которых свойства в разных на­правлениях неодинаковы. К изотропным, как правило, относятся дис­персионно-упрочненные КМ (ДУКМ), т. е. наполненные или армиро­ванные порошковыми материалами, иногда короткими усами. Ани­зотропные КМ - это волокнистые материалы, у которых сильно от­личаются свойства вдоль волокон или слоев и поперек (рис. 6). Прав­да, в последние годы иногда применяют так называемые ортотропные волокнистые материалы (объемно-плетеные), имеющие одинаковые характеристики по двум или трем направлениям(рис. 6).

Материалами матриц могут быть металлы и их сплавы, органи­ческие и неорганические полимеры, керамика, стекло и другие веще­ства. В зависимости от вида армирующего компонента КМ могут быть разделены на две основные группы: дисперсионно-упрочнен­ные (ДУКМ) и волокнистые материалы, отличающиеся структурой и механизмом образования высокой прочности. ДУКМ представ­ляют собой материал, в матрице которого равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго вещества.

Пластические деформации в реальных кристаллических мате­риалах начинаются при напряжениях, примерно в 1000 раз мень­ших, чем теоретически рассчитанные для идеальных материалов. Это объясняется тем, что в пластической деформации участвуют дислока­ции - локальные искажения кристаллической решетки ( рис. 7).

Рис. 6. Схема армирования КМ:

а – анизотропный КМ; б – ортотропный КМ

Рис. 7. Простейшие дислокации:

1 – дислокации; б – нормальное упорядочение

При дисперсионном распределении частиц наполнителя в металлической матрице КМ создается сильное торможение передви­жения дислокаций, и материал начинает деформироваться при бо­лее высоких напряжениях.

В качестве таких наполнителей применяются карбиды, нитри­ды, бориды, оксиды, характеризующиеся высокой жароупорностью и прочностью. Подобное явление мы наблюдаем при закалке ста­лей, когда зерна карбида железа распределяются в его матрице и при этом фиксируется определенная структура.

У волокнистых композитов чаще всего пластичная матрица арми­рована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами (усами). Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластические деформа­ции матричного материала, а в том, чтобы при его деформации обес­печивалось одновременное нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность. В общем это идея каната, где волокна работа­ют вместе на растяжение, но иногда они бывают прочными, но хруп­кими, и тогда их нужно связать вместе. Для этого служит матрица - полимерная или металлическая. Отличие волокнистых КМ состоит в том, что содержание наполнителя может составлять до 75 % объема, тогда как у дисперсионно-упрочненных КМ - всего 2...4 %.

Второе отличие волокнистых КМ - это выраженная анизотро­пия свойств, в то время как ДУКМ имеют практически одинаковые свойства по всем направлениям.

Как было сказано выше, у волокнистых композиционных материалов (КМ) высокопрочные волокна воспринимают основную нагрузку, а по­датливая матрица обеспечивает их совместную работу за счет собственной жесткости и взаимодействия на границе раздела волокно - матрица.

Следовательно, механические свойства композитов определяют­ся тремя основными параметрами: высокой прочностью армирую­щих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица - волокно. Это обеспечивается как правильным выбором компонентов, так и технологией.

Межфазное взаимодействие

Армирующие волокна

Основные требования к волокнам: прочность, жесткость, плот­ность, стабильность свойств в определенном температурном интервале, химическая стойкость и другие специфические свойства для индивидуальных композиционных материалов.

Теоретическая прочность материалов σм по закону Гука возра­стает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии γ вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями а₀: σм=ε*Е, или σм=√γ*Е/а₀, где σм - теоретическая прочность материала, Н/м²; Е - модуль упругости Н/м²; ε - относительное удлинение, %; γ- поверхностная энергия, Дж/м²; а₀ - расстояние между атомными плоскостями, м.

Следовательно, высокопрочные материалы должны иметь высо­кие Е и γ и максимально возможное содержание атомов в единице объема, т. е. малое а0. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют Н, Ве, В, С, N. О, Al и Si. Наиболее прочные материалы всегда содержат один или несколько из этих элементов. Практически, чем меньше атомная масса элемента, тем меньше размер атома и тем большее их количество находится в единице объема.

Действительно, на практике применяются высокопрочные стеклян­ные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы карбидов, ок­сидов, нитридов, боридов и других соединений. Вводятся они в форме моноволокон, нитей, проволоки, жгутов, сеток, тканей и лент.

Кроме указанных нитей и усов, часто применяются тонкие метал­лические проволоки, например стальные, вольфрамовые, титановые и др. Конечно, в настоящее время создано очень много наполнителей, особенно из синтетических материалов.

Для технического применения армирующие материалы, кроме прочности, должны обладать достаточной жесткостью, невысокой плотностью, стабильностью свойств в определенном температурном интервале, химической и биологической стойкостью, другими специфическими свойствами, необходимыми при их использовании. Во всех случаях должно выполняться требование, определяемое возможностью их технологической переработки.

Ниже будут рассмотрены некоторые волокна, методы их получения и применения в КМ. Отдельные виды волокон будут представлены в разделах, посвященных различным КМ, например стеклянные - в стеклопластиках и т. д. Рассмотрены будут те волокна, которые чаще всего встречаются на практике и, в частности, в ракетной технике.

Матричные материалы

Матрица - это важнейший элемент КМ, который обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное рас­положение волокон, распределяет действующие напряжения по объе­му материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна.

Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из КМ. Таким образом, требования есть эксплуатационные и технологические. Механические свойства матрицы должны обеспечить совместную ра­боту армирующих волокон при различных видах нагружения.

Природа матрицы определяет уровень рабочих температур КМ, поведение в атмосфере, химическую стойкость, теплофизические, электрические и другие свойства. Например, сегодня есть такие мат­рицы, которые при необходимости даже могут изменять цвет.

Технологические требования к матрице вытекают из требова­ния одновременного получения материала и изделия из него, т. е. определяются процессами совмещения армирующих волокон с мат­рицей и окончательного формообразования изделия.

Кроме того, к материалу матрицы предъявляются следующие требования: хорошая смачиваемость волокна, возможность предва­рительного изготовления полуфабрикатов, например препрегов с последующим изготовлением из них изделий; качественное соеди­нение слоев композита в процессе формования; невысокие значения параметров формообразования (температуры, давления) и т. п. Как правило, для дисперсионо-упрочненных и порошковых материалов давления формования высокие (десятки и сотни МПа), для волокнис­тых - намного ниже (единицы и доли единиц МПа).

Особое внимание при создании КМ придается границе раздела волокно-матрица, т. к. адгезия на этой границе определяет уровень свойств КМ и их сохранение при эксплуатации. Для повышения адгезионной прочности применяются специальные технологические приемы:

1)нанесение специальных очень тонких покрытий, так называ­емых аппретов. Как правило, они наносятся на волокна в процессе получения последних или при их переработке. Это могут быть силаны, обладающие несимметричной молекулой типа Si - О - Ме; для угольных волокон это могут быть специальные покрытия SiС, Si₃М₄, В₃N, В₂С, одновременно являющиеся и защитными;

2)химические, электрохимические, плазменные методы, напри­мер для углеродных волокон;

3) механические - применяются для органических волокон по типу «распушивания» с помощью воздушной струи.

Существует несколько групп КМ в зависимости от материала матрицы:

- с полимерной матрицей - пластики;

- с металлической матрицей - металлокомпозиты;

- с керамической матрицей и металлическим наполнителем - керметы;

- с углеродной матрицей - углеродные КМ;

- стеклокомпозиты - со стеклянной матрицей;

- карбидные матрицы, появившиеся в последнее время, например SiС.

В свою очередь, КМ с одной матрицей, но различными наполни­телями имеют свои названия. Так, к группе полимерных пластиков относятся в зависимости от армировки или наполнителя:

- стеклопластики - наполнитель - стекловолокно;

- углепластики - угольное волокно;

- углеметаллопластики - угольные и металлические волокна;

- органопластики - органическое волокно.

По аналогии существуют КМ и с другими матрицами, напри­мер боралюминий, где матрицей является алюминий, а наполните­лем - борные волокна или усы; углерод-углеродный КМ, где угле­родные волокна скреплены углеродной матрицей.

Важнейшим достоинством КМ является возможность созда­вать из них конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру эксплуатации.

Свойства волокнистых КМ зависят не только от свойств мат­рицы и волокна, а и от способа армирования.

На рис. 8 приведены наиболее применяемые способы армирования.

При волокнистом армировании КМ материал и изделие созда­ются одновременно, т. е. в рамках одного технологического про­цесса. Здесь нельзя ни ковать, ни штамповать, ни сваривать; един­ственная операция это, пожалуй, мехобработка, да и то незначитель­ная (подрезка торцов, обработка поверхности).

В КМ образуется комплекс свойств, заимствованных как от во­локна и матрицы, так и новых, например, повышаются стойкость ма­трицы к трещинообразованию, воздействию влаги, усталостная про­чность, жесткость всей конструкции, вязкость, появляются новые электротехнические свойства, иногда даже оптические и другие. На­пример, материал РТП-170, созданный на основе эпоксидной смолы и стекловолокна, кроме необходимых абляционных свойств, обла­дает радиопрозрачностью в определенном диапазоне длин волн.

Стеклопластик, примененный как материал транспортно-пускового контейнера (ТПК), благодаря введению специальных нитей обладает удовлетворительной электропроводностью, необходимой для сня­тия статического электричества.

Рис. 8 Классификация композитов по конструктивному признаку:

а, б - короткие волокна; в - три семейства нитей; г, д - непре­рывные волокна; е - п - семейство нитей

Теоретическая прочность стали σт = 10 000МПа, но за последние 50 лет (40-е.. .90 гг.) она достигла только 2 300МПа (230кгс/мм²).

Стеклянная нить диаметром 22мкм имеет σ = 220МПа, а с диаметром 2,5мкм - 5 600МПа (560кгс/мм²), и это при плотности 2 200кг/м³ (у стали плотность 7 800кг/м³). Углеродные волокна уже сегодня имеют прочность на разрыв σ = 5 000МПа, а в будущем могут достигнуть σ = 10 000 МПа; модуль упругости составляет Е = 450 000 МПа при плотности р = 1 600кг/м³.

В настоящее время волокна получают практически из любого тугоплавкого материала, например из карбида кремния SiС. Они обладают более высокой жаростойкостью, чем углеродные, и мо­гут выступать в качестве армирующего наполнителя с полимерной и металлической матрицей. Существуют композиционные материа­лы в которых SiС выступает даже в роли матрицы.

За последние два десятилетия созданы органические волокна с прочностью σ > 5 000МПа, а плотность их не превышает 1 700кг/м³.

Полимерные матрицы

Рассмотрение полимерных матриц и смол, на основе которых они получаются, в первую очередь удобно тем, что некоторые во­локнистые наполнители при изготовлении проходят стадии техно­логического передела, сходные в чем-то с таковыми для матриц.

Полимерными КМ называются такие материалы, у которых матри­цей является полимер, образованный на основе какого-нибудь связующего (смолы и т. п.). Механические, физические и химические свойства поли­меров зависят от их внутреннего строения и физического состояния.

При создании полимерных КМ исходные полимерные материа­лы могут использоваться в чистом виде (порошки, гранулы, листы, пленки) или в качестве связующих, армированных КМ. Полимер­ное связующее представляет собой двух- или многокомпонентную си­стему, состоящую из синтетической смолы и отвердителей или ини­циаторов, катализаторов, ускорителей отверждения.

От полимерной матрицы зависят теплостойкость и влагостой­кость, стойкость к агрессивным средам, прочностные, диэлектри­ческие и другие свойства ПКМ.

Что такое полимер? Это вещество, в котором образуется мак­ромолекула из молекул низкомолекулярных веществ - мономеров, соединенных в макромолекуле химическими связями. Макромоле­кулы соединены между собой физическими межмолекулярными связями по типу сил Ван-дер-Ваальса.

Например, молекула этилена СН₂=СН₂ - это мономер, а мо­лекула полиэтилена [- СН₂ - СН₂ -]п - это уже полимер. Конечно, полиэтилен - простейшая макромолекула полимера.

Молекулярные массы макромолекул могут составлять десятки, сотни тысяч и даже миллионы углеродных единиц, в полимере они неодинаковы. Мы не будем рассматривать структуру макромолекул, укажем только, что это могут быть линейные, разветвленные и объем­ные образования.

Рассмотрим некоторые простейшие полимеры и связанные с ними понятия.

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ И ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ.

Полимериза­ция - это процесс соединения друг с другом большого числа моле­кул мономеров за счет кратных связей типа С=С, О=С (двойных), -С=N-,

-С≡С- (тройных) и т. п. При полимеризации обычно не образуются и не выделяются побочные продукты, т. е. полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав. Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реак­ций в результате разрыва кратных (предельных) связей.

Макромолекула образуется очень быстро и сразу же приобре­тает конечные размеры.

Поликонденсация - это процесс соединения друг с другом мо­лекул одного или нескольких мономеров, содержащих две или более функциональных групп (ОН, СООН, СОCl, NH₂ и др.), способных к химическому взаимодействию, при котором проис­ходит отщепление низкомолекулярных продуктов (Н₂0, НCl, СО, СO₂ и т.д.).

Полимеры, получаемые поликонденсацией, по элементному со­ставу не соответствуют исходным мономерам, поэтому структуру их макромолекул рассматривают с точки зрения повторяющегося, а не мономерного звена.

Деструкция полимеров представляет собой разрушение основ­ной цепи макромолекулы. Факторы, вызывающие деструкцию: теп­лота, свет, кислород, вода, проникающая радиация, механические повреждения, время и т.д. При деструкции уменьшается молекуляр­ная масса полимера, ухудшаются механические и другие свойства.

Многие авторы относят полимерные материалы к неньютоновским жидкостям и подходят к изучению многих свойств пластических масс с точки зрения реологии. Реология - наука, изучающая деформа­ционные свойства материалов при течении. Она рассматривает про­цессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и те­чением вязких и пластических материалов.

В целях повышения пластичности ПКМ в связующее (матри­цу) вводят специальные добавки, которые являются низкомолеку­лярными твердыми или жидкими органическими соединениями с высокой температурой кипения и низкой упругостью пара. Они со­вмещаются с полимерами, но, как правило, не вступают с ними в химическую реакцию. Пластификаторы как бы окружают макро­молекулы в полимере, придавая им некую подвижность и обуслов­ливая таким образом пластичность материала. В качестве пласти­фикаторов могут применяться диметилфталат, дибутилфталат, со­евое масло и т. п. Процесс введения вышеуказанных добавок назы­вается пластификацией.

Полимеров в настоящее время известно очень много, еще боль­ше их составляющих. Существует еще класс так называемых сопо­лимеров, которые, являясь также полимерами, содержат звенья мо­номеров различного химического состава. Распределение звеньев в сополимере играет очень существенную роль, а в белках и нуклеи­новых кислотах задает определенный биологический код.

Процесс получения сополимера называется сополимеризацией.

Кроме цепной полимеризации существует ступенчатая, т. е. по­лимер по реакции хM → Мₓ образуется в несколько стадий, поэто­му молекулярная масса полимера нарастает со временем. Промежу­точные соединения могут быть вполне устойчивыми.

Полимер с высокой молекулярной массой образуется лишь при очень высокой (~ 98%) степени завершенности реакции. Однако поликонденсация отличается от ступенчатой полимеризации выде­лением низкомолекулярных продуктов в ходе реакции.

Рассмотрим некоторые простейшие полимеры.

Полиэтилен - линейный полимер с химической формулой [-СН₂-СН₂-]ₙ. В зависимости от условий полимеризации разли­чают полиэтилен высокого и низкого давления. Он обладает низ­кой газо- и паропроницаемостью. Полиэтилен низкого давления более подвержен действию термоокислительной деструкции, быст­ро стареет под действием солнечной радиации.

Термическая деструкция происходит при температурах выше 563К (280℃). Полиэтилен низкого и высокого давления получа­ют путем полимеризации этилена СН₂=СН₂.

Полиэтилен низкого давления получают при температуре 350...355К (77...82℃) и давлении 0,15...0,2МПа (1,5...2кгс/см²). Реакция полимеризации этилена при низком давлении осуществля­ется в присутствии катализаторов на основе четыреххлористого ти­тана (TiCl₄) и диэтилалюминий хлорида [Al(С₂Н₅)₂Cl].

Полиэтилен высокого давления получают при давлениях 100...350МПа (1 000...3 500кгс/см²) и температуре 190...300℃ (363...573К) в присутствии кислорода или перекисей, которые выступают в каче­стве инициаторов реакции. Такой полиэтилен более устойчив к теп­ловому и солнечному воздействию, но имеет газопроницаемость по­чти на порядок выше, чем у полиэтилена низкого давления. Ниже у него и химическая стойкость, но зато - более высокая прочность.

Существует также полиэтилен среднего давления.

Особое место занимает еще один вид полиэтилена - это так назы­ваемый сшитый полиэтилен. Получают его путем полимеризации эти­лена под воздействием радиационного облучения, например электро­нов с энергией около 7МэВ. Применяется в основном при соединении трубопроводов, заполненных агрессивными жидкостями, в клапанах и т. п. Он наиболее стоек химически, обладает низкой текучестью под давлением и небольшим коэффициентом трения. В литературе описан мало. Кроме того, сшитый полиэтилен радиационно более стоек (~ в 100 раз), чем фторопласты, являющиеся прокладочным материалом.

Все виды полиэтилена устойчивы к воздействию серной, азотной, соляной, плавиковой, фосфорной и органических кислот, аммиака, пере­киси водорода и др, а также к воздействию щелочей. Разрушается жид­ким хлором и фтором, не растворяется в ацетоне, спирте, глицерине.

Технология переработки. Легко перерабатывается всеми методами: литьем, прессованием, сваркой, механической обработкой, экструзией.

Полипропилен. Это тоже линейный полимер, но один из атомов водорода в цепи замещен на метальный радикал СН₃.

Полипропилен является продуктом полимеризации пропилена.

Пропилен - газ с точкой кипения - 47,7℃, получаемый при крекинге нефтепродуктов, поэтому он является дешевым сырьем для получения полипропилена. Полимеризацию производя!' в присутствии тех же ме­таллоорганических катализаторов, что и при получении полиэтилена.

Полипропилен - это кристаллический полимер (до 75% кристалличности), отличается низкой плотностью, повышенной теп­лостойкостью и прочностью. Из него делают посуду, трубы, армату­ру, детали центробежных насосов, изделий химической аппаратуры, электроизоляцию и т. п. Это обусловлено достаточной химической стойкостью, жесткостью и эластичностью, низкой газо- и паропро- ницаемостью, хотя последние показатели немного хуже, чем у поли­этилена. Особое место занимают полипропиленовые волокна, кото­рые применяются для изготовления тканей самостоятельно или в со­четании с шерстью, хлопком и другими материалами. В отличие от полиэтилена полипропилен менее устойчив к действию серной кис­лоты и сильных окислителей (H₂O₂, O₂), набухает в ароматических углеводородах. Полипропилен безвреден, деструкция на воздухе имеет место при температурах, выше 575К.

Технология переработки. Литье, экструзия, вакуумное, прессо­вое и пневмоформование (раздув), сварка, напыление (из зерен), рез­ка, точение и другие методы переработки.

Полистирол. Это линейный полимер с формулой, определяемой процессом полимеризации:

Присоединение циклического радикала к линейной цепи обуслов­ливает повышенную жесткость и хрупкость полистирола и высокую ра­диационную стойкость. Он обладает высокими прозрачностью и коэф­фициентом преломления, поэтому применяется для изготовления линз. Термическая и термоокислительная деструкция полистирола начинает­ся при температуре 473К. Материал устойчив к действию галогеново­дородных, минеральных и органических кислот, щелочей, глицерина, масел и др. Перерабатывается литьем, экструзией, прессованием.

Политетрафторэтилен. Если в молекуле этилена водород заменить на фтор, то получим тетрафторэтилен. Полимеры последнего представляют собой класс фторопластов. Это тоже линейные полимеры типа [-СF₂-СF₂-]ₙ.

Полимеризацию тетрафторэтилена производят в автоклавах под давлением 4...10МПа (40...100атм) при температуре 70...80℃ с инициаторами реакции.

Некоторые свойства: фторопласты являются наиболее химичес­ки стойкими из всех полимеров. Обладают низким коэффициентом трения и свойством самосмазывания, поэтому применяются для из­готовления прокладок, направляющих «дорожек», подшипников, широко используются в ракетно-космической технике. Но для фто­ропластов характерна ползучесть под нагрузкой даже при комнат­ных температурах, поэтому желательно, чтобы они находились в зам­кнутом или ограниченном объеме. Другой недостаток - низкая радиационная стойкость (~ 1016Н/см²).

Изделия из тетрафторэтилена могут применяться при темпера­турах -270÷+250℃ без потери эластичности.

Технология переработки. Спекание предварительно отпрессован­ных таблеток, сварка, без специальной обработки не склеивается. Механическую обработку нужно выполнять при больших скорос­тях резания и малой подаче.

Не рекомендуется хранить продукты во фторопластовой упа­ковке, нельзя его жечь, т. к. при этом выделяются вредные продук­ты, в том числе фосген.

Полиимиды. Новые отрасли техники, такие как ракетно- космическая, авиационная и другие, потребовали создания полиме­ров, стойких к радиации и воздействию высоких температур. К ним относятся полиимиды - полимеры, содержащие в основной или бо­ковой цепи циклическую имидную группу.

Физико-механические характеристики имидных полимеров не изменяются в течение длительного времени в достаточно широком диапазоне температур: 73...573К.

Имиды обладают хорошими диэлектрическими свойствами: эле­ктрическая прочность 150...200МВ/м, тангенс угла диэлектричес­ких потерь при 106Гц - 0,003÷0,0005. Разрушающее напряже­ние при растяжении составляет 150МПа при относительном удли­нении 10÷60 %.

Имиды характеризуются высокой стабильностью размеров, низ­кими ползучестью и коэффициентом трения (0,05÷0,17 по ста­ли), высокой термоустойчивостью и устойчивостью к облучению гамма-лучами, быстрыми электронами и нейтронами. Химически стойки, но концентрированные азотная и серная кислоты вызыва­ют деструкцию при комнатной температуре и при нагреве, несколь­ко чувствительны к парам воды и щелочей.

Технология переработки. Пресс-порошки перерабатываются ме­тодами прямого и автоклавного прессования, литьем под давлени­ем, горячим прессованием.

Полиамиды. В последние годы в ракетной технике широко используются материалы на основе арамидных волокон, отличающихся высокой прочностью. Поэтому коротко остановимся на полиамидах.

Это цепные полимеры, содержащие в основной цепи макромо­лекулы амидной группы –СО–NH–СО–NH– .

Полиамид в сочетании с циклическими радикалами

В качестве боковых цепей могут быть алифатические и арома­тические радикалы.

Основные свойства: высокие усталостная прочность, сопротив­ление истиранию, низкая гигроскопичность.

К отрицательным свойствам нужно отнести низкую устойчи­вость к термическому и фотоокислительному воздействию, повы­шенную электризуемость.

Химические свойства: устойчивы к действию органических растворителей, не растворяются в концентрированных неорганичес­ких кислотах, фенолах, спиртах и т. п.

Полиамиды - это твердые термопластичные полимеры, бесцвет­ные или слабо-желтые, обладающие высокой температурой плавле­ния. Применяются главным образом для изготовления волокон и деталей машин. Отличаются высокой эластичностью: волокна и пленки могут растягиваться на 400...600% без разрыва.

Технология переработки. Свободное литье расплава в гипсовые и металлические формы, литье под давлением, центробежное литье и прессование, а также экструзия и вытягивание.

Полиамидов в настоящее время очень много, они отличаются присоединенными радикалами к основной цепи, а отсюда и свой­ствами. Особый класс представляют арамиды, из которых получе­ны самые прочные волокна.

Эпоксидные смолы. Это мономеры или олигомеры (полимеры со сравнительно небольшой молекулярной массой), содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп (α - окисных)

и способные превращаться в полимеры пространственного строе­ния.

Исходные компоненты для получения эпоксидных смол: эпихлоргидрин и дифенилопропан.

Существуют две разновидности эпоксидных смол: диановые и новолачные.

Первые содержат больше дифенилопропана, а вторые - эпихлоргидрина. Промышленностью выпускаются смолы марок ЭД (диановые) и ЭН (новолачные), они еще отличаются по номерам в зависимости от присоединенных радикалов и способов получения, например ЭД-5; ЭД-10; ЭД-20,22 и т. д; ЭН-6; ЭН-5Н; 6Э18Н60 и т. д. Получение эпоксидных смол здесь не рассматривается.

Неотвержденные смолы - это растворимые и плавкие термопластичные жидкости или твердые хрупкие вещества с плот­ностью 1 150...1 210кг/м³.

Эпоксидные смолы характеризуются хорошей смачиваемостью и адгезией ко многим материалам, небольшой усадкой при отверж­дении. Кроме того, при их отверждении не выделяются летучие про­дукты, что очень сильно упрощает технологию.

Полимеризация осуществляется с отвердителями, в качестве ко­торых используются мономерные, олигомерные и даже полимер­ные соединения. Эпоксидные смолы могут отверждаться как без подвода тепла, в том числе в присутствии влаги и даже в воде, так и при повышенных температурах.

Полимерные КМ на их основе являются непревзойденными конструкционными материалами, они менее хрупки, чем ПКМ на ос­нове феноло-формальдегидных смол, химически стойки к действию щелочей, солей, окислителей, органических растворителей, воды. При создании теплозащитных покрытий применять эпоксидные смолы не рекомендуется, так как они имеют невысокое коксовое число.

Эти смолы широко применяются для получения клеев, которые могут быть жидкими, в виде пленки, прутка, порошка. С жидкими клеями поставляются отдельно отвердители. При использовании твердых клеев, последние наносятся на горячую поверхность (120℃) и, плавясь, растекаются; склеивание производится при температуре 150…200℃.

Очень эффективно применение эпоксидных смол при изготов­лении крупногабаритных изделий с использованием стекловолок­нистых наполнителей.

Технология переработки. Производится предварительная про­питка наполнителя (волокно, ткань, лента, жгут, бумага) или сме­шение смолы с дисперсными наполнителями, такими как древесная мука, тальк, целлюлоза, волокнистая путанка и т. п. Отверждение совмещается с формованием, которое осуществляется прямым прес­сованием или вакуумным, автоклавным и гидроклавным методами. Изделия, полученные методом намотки на оправке, отверждаются без внешнего давления.

Температура полимеризации - от комнатной до 473К, продол­жительность - от одной минуты до 100 часов в зависимости от тем­пературы и толщины стенки изделия. Объемная усадка при полимеризации составляет 2...8%. Таким образом, намоточные из­делия при этом как бы самоуплотняются.

Отвердители: полиэтиленполиамин или гексометилендиамин в ко­личествах от 5 до 15% весовых. С этими отвердителями полимеризация может проводиться при комнатной температуре, но лучше осуществ­лять горячее отверждение при температурах от 80 до 120℃. Есть сооб­щения и о таком режиме отверждения: 24 часа при комнатной темпера­туре, а затем - выдержка при 80℃ в течение 16 часов.

При намотке стеклопластиков обычно применяются металли­ческие, песчаные или гипсовые оправки. Имеются сведения о при­менении надувных оправок.

Работа с эпоксидными смолами требует строгого выполне­ния правил техники безопасности, особенно вредным является эпихлоргидрин.

Феноло-формальдегидные смолы. Это олигомерные продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом.

При поликонденсации смолы образуются сложные пространственные структуры макромолекулы полимера. Реакция происходит в несколько этапов, при этом выделяются побочные продукты, в том числе вода, спирт. В зависимости от условий по­лучения различают термопластичные (новолачные) и термореак­тивные (резольные) смолы.

Резольные (термореактивные) - сильно разветвленные соедине­ния с очень активными альдегидными группами - СНО.

Новолачные (термопластичные) смолы -олигомеры преимуще­ственно линейного строения

Новолачные смолы - твердые хрупкие вещества желто-коричневого цвета с плотностью 1 200 кг/м³ и молекулярной массой 450…900.

Они растворяются в ацетоне, этиловом спирте и других полярных органических растворителях.

Резольные смолы выпускаются твердыми или в виде лаков и жид­ких эмульсий. Они отверждаются при нагреве без отвердителя, новолач­ные - при нагреве с отвердителем уротропином (6...14%). Неотвержденные смолы поставляются в твердом состоянии (пульвербакелит) или в жидком (жидкий бакелит) с плотностью 1220÷1270кг/м³. Жидкий бакелит имел сокращенное обозначение ФН, в последнее время - ЛВС.

Резольные (термореактивные) смолы хуже сохраняются, т. к. поли­конденсация их происходит без отвердителя, в том числе и при ком­натной температуре, хотя и медленно. Новолачные (термопластич­ные) смолы отверждаются с отвердителем (уротропин), который поставляется отдельно, поэтому лучше сохраняются. Смешение урот­ропина со смолой производится перед самым ее применением.

Различают 3 стадии в процессе отверждения:

- при нагреве смола плавится и пребывает в вязкотекучем состоянии;

- переход в высокоэластичное малотекучее состояние;

- конечная стадия: образуется твердый резит, который при нагре­вании лишь слегка размягчается.

Температура отверждения 140...200℃ (413...473К). Усадка при отверждении составляет 6...9%.

Термореактивные (резольные) смолы при горячей переработке дольше находятся в вязкотекучем состоянии, чем новолачные, т. к. отверждаются без отвердителя. Отвержденные формальдегидные смолы обладают высокой механической прочностью, электроизо­ляционными свойствами, хорошей антикоррозионной стойкостью. Эти смолы, пожалуй, самые первые, которые стали широко приме­нять: сначала в электротехнике, затем в ракетной и других отрас­лях. Раньше они назывались бакелитами, отсюда и появилась новая специальность - бакелитика.

Резиты не растворяются в органических растворителях, выше тем­пературы 573К подвергаются деструкции с выделением летучих про­дуктов. В защитной атмосфере и при быстром нагреве, что характерно для условий работы теплозащитного покрытия (ТЗП), образуют относительно прочный кокс. Некоторые феноло-формальдегидные смолы имеют коксовое число, равное 55...70% и даже 85...87%. Пос­леднее достигается при многократных циклах коксование - пропитка смолой - коксование. Коксовое число - это отношение массы углерод­ного остатка к исходной массе отвержденного полимера после карбо­низации, которая осуществляется при температуре около 1 000℃.

Феноло-формальдегидные смолы легко подвергаются модифи­кации и пластификации путем введения всевозможных добавок, на­пример фурилового спирта, резола, каучука, полеолефинов, эпок­сидных и полиэфирных смол и других подобных веществ в зависи­мости от того, какие дополнительные свойства мы хотим получить. Так, введение фурилового спирта повышает коксовое число, введе­ние каучука придает эластичность отвержденному полимеру и т. д.

Технология переработки. Перерабатываются феноло-формальде­гидные смолы путем предварительной пропитки наполнителей: тка­ней, лент, жгутов, нитей, бумаги или смешением с порошкообраз­ными веществами (тальк, древесная мука, графит, волокно) с после­дующим отверждением при одновременном формовании методами прямого прессования, литья под давлением, экструзии, автоклавно­го и вакуумного прессования и др. способами. Пропитка материа­лов производится на специальных машинах или вручную либо не­посредственно перед изготовлением изделий, либо заранее. Пропи­танные материалы должны храниться в темном и прохладном мес­те. Это могут быть специальные холодильные камеры. Срок хране­ния - примерно 1 месяц. Методы формования будут подробно рассмотрены в разделе «Углепластики».

Фурановые (фурфурольные) смолы. Фурановые смолы получа­ют на основе соединений, содержащих фурановое кольцо

таких как фурфуриловый спирт, фурфурол и ацетон.

Фурановые смолы характеризуются большим коксовым числом (до 90%), что очень важно при создании ТЗП. Выпускаются смолы под мар­ками ФА, ФЛ, ФАЭД. Технологические приемы переработки такие же, как и для феноло-формальдегидных смол. Но чаще всего они применя­ются в смеси с последними. Фурановые смолы относятся к токсичным веществам, поэтому при работе с ними нужно пользоваться защитны­ми средствами: очками, резиновыми перчатками, противогазами.

Формальдегидных смол очень много. В зависимости от того, с каким олигомером соединяется формальдегид, образуется его название и, конечно, приобретаются новые свойства, например, анилиноформальдегидные смолы содержат анилиновую группу -NH-. По водостойкости и маслостойкости они превосходят феноло-формальдегидные смолы, устойчивы также к действию ще­лочей, но разлагаются под действием кислот.

Мочевино-формальдегидные смолы - продукты поликон­денсации мочевины (Н₂N-СО-NН₂) с формальдегидом (НСОН):

Они обычно имеют пространственную структуру, обладают высокой светостойкостью, хорошо окрашиваются.

Меланиноформальдегидные смолы - продукты поликонденса­ции меланина и формальдегида в присутствии кислотных катализа­торов при температуре 403...443К.

Эти смолы после поликонденсации образуют пространственную структуру:

Пресс-материалы на их основе отличаются высокими светостой- котью и теплостойкостью, твердостью, устойчивы к воде, слабым щелочам и кислотам. Из них изготовляют посуду, электротехничес­кие изделия, декоративные пластики и др.

Кремнийорганические полимеры. Это термостойкие высоко­молекулярные элементоорганические соединения, повторяющи­еся звенья которых содержат атомы кремния и углерода. Глав­ные цепи силиконов могут состоять только из атомов кремния и кислорода, например:

Кремнийорганические полимеры также, как органические, быва­ют линейными, циклическими и др.

Выпускаются смолы марок КО, К, ЭФ, К-9, К-41 и т. п. Технология переработки примерно такая же, как и для других смол.

С появлением кремнийорганических смол надеялись создать аблирующие покрытия, при работе которых в газовых потоках образуется стекловидная двуокись кремния SiO₂. Но, оказалось, что температура плавления SiO₂ низкая (~ 2500К ) для ТЗП, поэтому эти смолы применяются при создании радиопрозрачных и оптических материалов.

Адгезия в твердых полимерах

Когда полимер отвержден, то при разрушении его разрыв происходит уже против адгезии между твердыми телами.

Как показано работами Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой, силы взаимодействия в твердом теле не могут быть чисто химическими или чисто молекулярными. Объясняется это следующим образом: между образовавшимися поверхностями создается электрическое поле, как между обкладками конденсатора. Когда отрыв медленный, заряды успевают частично уйти с поверхности, и работа адгезии уменьшается. Особенно это свойственно неметаллическим КМ, кото­рые имеют низкую электропроводность. Напряженность электричес­кого поля при разрыве (отрыве) полимера может доходить до 108В/м. При этом наблюдается холодная эмиссия электронов. Если быстро разматывать изоляционную ленту или фотопленку в темноте, то в отрыве видно свечение.

Для металлов скорость разрушения на величину прочности не влияет из-за их высокой электропроводности. Прочность не­металлических КМ зависит от скорости нагружения.

Межфазовые взаимодействия в км

Главным условием существования композиционных материалов является наличие двух и более взаимодействующих фаз разных мате­риалов или одного материала в разных формах. Например, в углерод-углеродных материалах и матрицей (непрерывной) наполните­лем (в форме армирующих угольных волокон) является углерод. Характер взаимодействия на границах матрица - наполнитель и их совместимость бывают разными:

1. Термодинамическая совместимость - это способность мат­рицы и армирующего элемента находиться в состоянии метастабиль- ного равновесия неограниченное время при температуре получения и эксплуатации. Это означает отсутствие химических реакций, при­водящих к разрушению системы.

2. Кинетическая совместимость означает нахождение компонен­тов в КМ в состоянии такого равновесия, при котором имеют место контролируемые адсорбция, диффузия и химические реакции. Дру­гими словами, эти процессы должны быть медленными, чтобы за время образования КМ (спекание, полимеризация и т. п.) химичес­кие реакции между компонентами не завершились.

3. Механическая совместимость требует того, чтобы обеспечи­валось соответствие упругих постоянных, коэффициентов термиче­ского расширения и показателей пластичности, которые позволили бы достичь максимально возможной прочности связи матрицы и ар­мирующего элемента.

Проиллюстрируем это на следующих видах межфазного взаимодействия:

1) Композиционные материалы, у которых матрица и наполни­тель взаимно нерастворимы и не образуют химических соединений, например Cu – W, Cu - Al₂O₃; Mg - В; Al - В/ВN, где В/ВN - бор, покрытый нитридом бора.

2) КМ, у которых наполнитель и матрица на границе образуют друг с другом твердые растворы и не образуют химических соеди­нений и направленных эвтектик, например, Nb -W; Ni - С; Ni - W.

3) КМ, у которых компоненты на границе образуют химические соединения, например Al - С; Al - SiO₂; Ti - Al₂O₃; Ti - В; Ti - SiС.

Нужно отметить, что иногда вид межфазного взаимодействия определяется технологией. Возьмем пару Al - В: у них может быть и первый и третий случай.

а) КМ Al - В получают путем твердофазного спекания, здесь химическая реакция между Al и В не успевает произойти. Это пер­вый или, еще говорят, псевдопервый случай;

б) КМ Al - В получают методом пропитки плетеного каркаса из нитей бора жидким алюминием. Жидкий алюминий, как известно, очень активный, и здесь будет иметь место третий случай, т. е. с об­разование на границе химического соединения - борида алюминия.

Таким образом, между матрицей и наполнителем могут быть следующие типы связей: механическая, связь при смачивании и раство­рении, реакционная связь и объемно-реакционная. Названные типы связей для матрицы и волокна схематически представлены на рис. 9.

Механическая связь осуществляется за счет зацепления, сил тре­ния, сил Ван-дер-Ваальса (молекулярных сил). КМ имеют обычно низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжа­тии, если наполнителем является волокно. Может быть спеченный каркас вместе с наполнителем, например псевдосплав Cu - W. Связь при смачивании и растворении реализуется благодаря силам повер­хностного натяжения и сопровождается небольшим растворением компонентов. Реализуется этот тип связи при пропитке волоконно­го или спеченного пористого каркаса расплавленной матрицей или смолой в отсутствие химических реакций. Например, Cu - W, Nb - W, по­лимерные пластики. После полимеризации в пластиках обычно имеет место механическая связь.

Рис. 9. Схемы связей между нитью и матрицей:

М - матрица, Н - нить (на­полнитель); а - механическая связь; б - связь при растворе­нии и смачивании; в - реакци­онная связь; г - объемно-реакционная связь

Реакционная связь осуществляется при протекании химических реакций на границе раздела с образованием химических соедине­ний, например, Ti - Cu и др.

Объемно-реакционная связь - это разновидность реакционной связи, когда объемная химическая реакция происходит в несколь­ко стадий, одна из которых контролирует скорость образования свя­зи (случай «г» на рис. 9). Например, в паре «титан, легированный алюминием, - бор» реакция осуществляется следующим образом: сначала твердый раствор алюминия в титане реагирует с бором с образованием сложного диборида ALBх, который затем реагирует с титаном и образует диборид титана TiBx и твердый раствор алю­миния в титане.

Конечно, названный перечень не исчерпывает всех возможных связей, т. к. в КМ могут использоваться как различные сочетания матриц и наполнителей, так и разные технологические процессы об­разования композиционных материалов.

Почти во всех случаях имеют место и играют решающую роль диффузионные процессы, описываемые первым и вторым зако­нами Фика.

Iₓ=-D*dc/dx- первый закон для одномерного случая,

dc/dt=D*d²c/dt²- второй закон для одномерного случая с переменной концентрацией,

где Iₓ - поток; D - коэффициент диффузии; с - концентрация; t - время.

Смачивание

На границе раздела матрица-наполнитель важную роль игра­ют поверхностные явления, на рассмотрении которых нужно корот­ко остановиться. Силы сцепления жидкости с твердым телом харак­теризуются работой адгезии Wа, равной работе их разделения. Ад­гезия - прилипание двух разнородных веществ, когезия - прилипа­ние однородных веществ, точнее - в одном и том же веществе. Рабо­та когезии равна работе образования новой поверхности при раз­рыве однородной жидкости, т. е. Wₖ=2σж,

где 2 - коэффициент, отражающий факт образования двух поверхнос­тей; σж - поверхностное натяжение жидкости или поверхностная энер­гия (измеряются соответственно в Н/м и Дж/м². Эти размерности совпа­дают); Wк -характеризует силы связи внутри фазы; Wа - мера взаимодей­ствия двух фаз на границе, их раздела, т. е. работа адгезии (см. ниже).

Рассмотрим границу раздела жидкость - твердое тело на при­мере капли, находящейся на поверхности твердого тела (рис. 10).

Схема смачивания:

σ12 - сила поверхностного натяжения между твердым телом и жидкостью; σ23 - сила поверхностного натяжения между жидкостью и газом; σ13 - сила поверхност­ного натяжения между твердым телом и газом; 0 - угол между касательной к жид­кости и поверхностью твердого тела

Равновесие этих сил определяется соотношениями: σ₁₂+σ₂₃cosΘ=σ₁₃; σ₁₃-σ₁₂=σ₂₃cosΘ

1. Если σ₁₃>σ₁₂+σ₂₃cosΘ (случай «а» на рис. 10), то капля растекается, и если Θ = 0, т. е. cos Θ = 1, - то это условие полного смачивания.

2. Если σ₁₃<σ₁₂+σ₂₃cosΘ, (случай «б» на рис. 10), то капля стягивается к середине. Угол 0 увеличивается, а значение cos 0 умень­шается, и, перейдя через Θ = 90° (cos Θ = 0), становится отрицатель­ным, а при Θ = 180° cos Θ = -1. При значении cos Θ = -1 наблюдается полное несмачивание, капля принимает форму шара.

Примеры: полное смачивание - вода на стекле; полное не­смачивание - ртуть на стекле.

Работа адгезии определяется выражениями

Wa=σ₁₃+σ₂₃-σ₁₂;

Wa=(σ₁₃-σ₁₂)+σ₂₃;

Wa=σ₂₃cosΘ+σ₂₃=σ₂₃(1+cosΘ)

Таким образом, для определения Wa необходимо знать только коэффициент поверхностного натяжения жидкости и краевой угол. Работа адгезии в значительной степени зависит от поверхностного на­тяжения жидкости и свойств твердого тела.

Для повышения адгезии в случае пропитки волокнистых материа­лов смолами используют тонкие промежуточные покрытия, так назы­ваемые аппреты, замасливатели, применяют и другие методы , в том числе механические.

Полимерные пластики

Стеклопластики

Стеклопластики представляют собой конструкционные композиционные материалы, сочетающие высокие механические свойства с относительно небольшой плотностью.

Основными их компонентами являются стекловолокнистые арми­рующие материалы и синтетические связующие. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклоплас­тика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффек­тивному использованию прочности стеклянного волокна и равномер­ному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также вос­принимает часть усилий, развивающихся в материале при его работе под нагрузкой. Кроме того, связующие придают материалу способность формироваться в изделия различных конфигураций и размеров.

Стеклопластики используются во многих областях техники и народного хозяйства. Широкое применение они нашли в авиацион­ной промышленности и ракетно-космической технике, где исполь­зуются их высокая удельная прочность, стойкость к кратковремен­ному действию высоких температур, к вибрационным нагрузкам и локальный характер поражения.

Методы изготовления стеклопластиковых изделий

Стеклопластики и изделия из них изготавливаются различными методами. Простейший из них - метод контактного формования - состоит в том, что на форму, изготовленную из гипса, слоистого плас­тика, листового металла или другого материала, покрытую антиадге­зивом (водно-спиртовой раствор поливинилового спирта или суспен­зия воска в бензине, иногда применяют целлофановые пленки), наносят тонкий первый декоративный слой связующего. Чаще всего это насы­щенная полиэфирная смола с добавками инициатора и ускорителя.

После желеобразования декоративного слоя на него наносят связующее, поверх которого укладывают слои стекловолокнистого армирующего материала. Для лучшего проникновения в него связу­ющего материал прикатывают гладкими или ребристыми валками. Затем наносят последующие слои связующего и армирующего мате­риала до получения необходимой толщины. После формования изде­лия производят отверждение связующего при комнатной температу­ре в течение 10...24ч. и более, в зависимости от используемого связу­ющего, или в термокамерах при 120... 130℃ для ускорения процес­са. В соответствии со способом отверждения в связующее вводят раз­личные инициирующие добавки, отвердители и ускорители.

Готовые изделия снимают с формы и подвергают незначитель­ной механической обработке (зачистке заусенец и др.).

Достоинством контактного способа является простота техно­логии и оснастки; крупными недостатками - низкая производитель­ность, невысокие прочностные свойства изделий, большая трудо­емкость, а также вредность производства.

Модификацией контактного формования, позволяющей уско­рить процесс изготовления изделий, является метод одновременно­го напыления на форму связующего и отрезков стеклянных нитей специальным пистолетом - распылителем. Этот метод отличается высокой степенью механизации. Напыление производится с помо­щью передвижной установки, состоящей из режущего устройства для стекловолокна, вентилятора, распылителя и емкости для связующе­го и растворителя. Стекловолокно непрерывно сматывается с бо­бин и режется на отрезки длиной 10÷90мм, которые подаются потоком воздуха к распылителю. Последний имеет три сопла: цент­ральное - для подачи стекловолокна и два боковых - для подачи смеси связующего с инициатором и смеси связующего с ускорите­лем отверждения. Смешение компонентов происходит на поверхно­сти формы или перед ней в воздухе. Установка комплектуется от­дельными емкостями для смеси связующего с инициатором, для сме­си связующего с ускорителем отверждения и для растворителя (обычно ацетона), который служит для очистки магистралей пода­чи связующего. Нанесенная композиция отверждается на форме.

Контактным формованием и напылением обычно изготавлива­ют небольшие партии изделий сложной геометрической формы и несколько пониженной прочности.

Изделия сложной конфигурации изготавливают и в закрытых формах путем пропитки связующим в вакууме и под давлением за­ранее уложенного армирующего материала с последующим отвер­ждением смолы. Использование этого метода исключает выделение в воздух токсичных продуктов, но требует значительно более слож­ных аппаратурного оформления и оснастки, чем методы контакт­ного формования и напыления.

Изделия в форме тел вращения изготавливают методом намотки пропитанного связующим стекловолокнистого армирующего матери­ала на вращающиеся неразборные и разборные оправки с последую­щим отверждением изделия и извлечением оправки. Так изготавлива­ют изделия цилиндрической и конической формы: отсеки топливных баков, контейнеров, головные части, трубы большого диаметра и др.

Наибольшее распространение при изготовлении стеклопласти­ковых корпусов двигателей, раструбов сопел и других узлов РДТТ получили методы намотки. Они позволяют осуществить автоматизированное управление процессом изготовления высоко­прочных изделий с ориентацией армирующего материала в направ­лениях главных напряжений.

Тканевая намотка (рис. 11) дает возможность получать стекло­текстолитовую герметичную структуру на корпусах РДТТ с преде­лом конструктивной прочности 0,4...0,6 ГПа. Оборудование для производства стеклотекстолитовых корпусов позволяет производить окружную или спиральную намотку ткани (предварительно пропи­танной связующим) на оправку.

Окружная намотка производится одновременно двумя слоями, параллельными полосами от рулонов через валки. Опорные (прокат­ные) валки, имеющие вмонтированные в них нагревательные устрой­ства, при контакте с тканью размягчают связующее. Спиральная на­мотка осуществляется сматыванием ткани с рулонов, расположенных под углом к оси оправки. При достижении каретками крайнего поло­жения производится перекладка ткани посредством вильчатого меха­низма. Размягчение связующего и прокатка с целью уплотнения слоев ткани производится так же, как и при окружной намотке. Для присое­динения к стеклотекстолитовым корпусам днищ или переходных флан­цев на торцевых концах намоткой образуются утолщения, на которых после отверждения (полимеризации) нарезается ленточная резьба.

Рис. 11. Тканевая намотка стеклопластиков:

а- косая намотка на конус; б- косая намотка на цилиндр; в- продольно-поперечная намотка на цилиндр; 1 - оправка; 2 - шпулярник; 3 - нитеукладчик

Продольно-поперечная намотка (ППН) цилиндрических и сла­боконических корпусов. Исходя из известного соотношения между напряжениями в кольцевом сечении и в сечении вдоль образующей, равного 1:2, намотка слоев на оправку при рассматриваемом спо­собе производится в следующей последовательности; на два слоя окружных лент наносится один слой продольных лент (вдоль обра­зующей). Полное соответствие ориентации и количества стеклолент при ППН направлениям и величинам действующих в оболочке на­пряжений, а также предельно плотная укладка стеклолент, позволя­ют реализовать самую высокую прочность (8ГПа и более в танген­циальных направлениях и более 0,5ГПа - в осевом) по сравнению с оболочками, полученными другими способами намотки.

ППН осуществляется следующим образом: вертлюг, по окруж­ности которого размещены бобины продольных слоев, вращаясь синхронно с оправкой, перемещается вдоль ее оси. Сматываемые при этом с бобин продольные ленты обматываются и притягиваются к поверхности оправки кольцевыми слоями лент с бобин, установлен­ных на каретке по обе стороны от вертлюга, обеспечивая соотноше­ние продольных и поперечных слоев 1:2. Плавление связующего, содержащегося в ленте, производится нагревателями, расположен­ными на кольцевых элементах, охватывающих оправку в месте при­мотки продольных лент кольцевыми.

При спиральной намотке «мокрым» способом стеклонити пропускаются через ванночку со связующим, систему роликов, ре­гулирующих натяжение в стеклоленте и снимающих избыток связу­ющего, и поступают на оправку. Намотка по геодезическим линиям и спирали производится изменением скорости вращения оправки и продольного перемещения каретки. При достижении конца оправ­ки шток гидроцилиндра выдвигается по заданной программе и ук­ладывает ленту на поверхность оправки, формирующей днище. Про­цесс намотки продолжается до тех пор, пока не будет образована стенка оболочки с требуемым количеством слоев ленты.

На рис. 12 приведена технологическая схема «мокрой» спираль­ной намотки.

Рис. 12. Технологическая схема «мокрой» спиральной намотки:

1- направляющие ролики; 2- отжимные ролики; 3- нагреватель; 4- шпулярник; 5- ванна со смолой; 6- регулятор натяжения; 7- оправка

Остаточное содержание связующего в композиции при спираль­ной и продольно-поперечной намотке должно составлять 30...40%. При содержании смолы, превышающем оптимальное количество, имеет место снижение прочности, а при содержании меньше опти­мума возникает трудность сохранения монолитной формы. Основ­ной задачей связующей матрицы является соединение армирующих волокон в единую (монолитную) структуру, равномерное распреде­ление усилий между волокнами и максимальное обеспечение их со­вместной работы до начала разрушения.

Значительную часть изделий из стеклопластиков получают методами прямого литьевого прессования с использованием металлических обогреваемых пресс-форм. В пресс-формы загружают отдельно армирующий материал и связующее или пропитанные прессовочные материалы - препреги. Листовые стеклопластики изготавливают на многоковочных гидравлических прессах с обогреваемыми плитами. Препреги - это стеклоткани, стеклоленты или жгуты, предварительно пропитанные смолой и просушенные.

Широкое распространение получили непрерывные методы изготовления погонажных изделий из стеклопластиков - труб, профилей, плоских «и гофрированных листов, рулонных материалов.

Связующие

Связующие для стеклопластиков получают на основе различ­ных органических или элементоорганических смол. В состав связу­ющих, помимо синтетических смол и их смесей, могут входить ак­тивные или пассивные растворители, инициирующие системы, отвердители и ускорители отверждения, красящие вещества, минераль­ные и органические наполнители, светостабилизаторы и другие до­бавки. В качестве связующих применяют главным образом полиэфи­ры, эпоксиды, полиамиды, феноло-формальдегидные и кремнийорганические полимеры, а также их модификации (эпоксифенольные, эпоксиполиэфирные, феноло-фурфурольные и др.). В качестве свя­зующих стеклонаполненных термопластов используют линейные термопластичные полимеры.

Полиэфирные связующие на основе ненасыщенных полиэфир­ных смол ПН-1, ПНМ-2, ПН-8, ПНМ-8 нашли широкое применение для изготовления светопропускающих и окрашенных листовых и рулонных стеклопластиков. Для изделий с повышенной химической стойкостью применяют связующие на основе полиэфирных смол ПН- 6, ПН-10, ПН-15.

Для получения препрегов целесообразно использовать связу­ющие на основе полиэфирных смол с повышенной вязкостью: НПС - вод.22М, ЗСП - 3, ЗСП - 4. Они содержат незначительное ко­личество (до 4%) летучих мономеров, что обеспечивает нормаль­ные условия труда при производстве стеклопластиковых изделий ме­тодами контактного формования, прессования и намотки. Стекло­пластики на основе связующих ПН-1С, ПН-6, ПН-62 и ПН-63 отно­сят к трудновоспламеняющимся материалам. Полиэфирные связу­ющие способны отверждаться при комнатной и повышенной темпе­ратурах без выделения летучих продуктов.

Формование полиэфирных стеклопластиков производят без дав­ления или при минимальном давлении. При использовании связую­щих на основе ненасыщенных полиэфирных смол следует иметь вви­ду, что их отверждение сопровождается значительным саморазогревом (до 200℃) и объемной усадкой (до 15%). Адгезия полиэфирных связующих к стеклянному волокну ниже, чем у эпоксидных и моди­фицированных фенольных связующих. Относительное удлинение не­которых полиэфирных смол (ПН-6, ПН-10, ЗН) довольно низкое и составляет 1%, что требует их модификации, которая, как правило, снижает теплостойкость и химическую стойкость связующего.

Эпоксидные связующие отличаются высокой смачивающей способностью и адгезией к стеклянному волокну, достаточным отно­сительным удлинением и малой усадкой. При их использовании полу­чают наиболее прочные стеклопластики. Широкое применение связу­ющих на основе эпоксидных смол ограничено их недостаточной те­плостойкостью, высокими вязкостью и стоимостью, поэтому при произ­водстве стеклопластиков чаще используют эпоксидные компаунды, в состав которых, помимо эпоксидных, входят смолы других типов.

Основным видом эпоксидных смол, применяемых в качестве компонента связующего для стеклопластиков, являются диановые. Однако в последнее время начали использовать циклоалифатичес­кие смолы, обладающие повышенными термостойкостью, трекингостойкостью и физико-механическими показателями.

Феноло-формальдегидные связующие, применяемые в виде спирто­вых растворов, водных эмульсий и порошков, используют в производ­стве стеклопластиков, листовых, рулонных и рулонированных стекло­пластиков строительного назначения и стекловолокнистых пресс-мате­риалов. Для получения высокопрочных конструкционных стеклоплас­тиков феноло-формальдегидные смолы модифицируют поливинилбути- ралем, анилином и другими модификаторами. Для отверждения феноло-формальдегидных связующих необходимы повышенная температу­ра (150÷160℃) и значительное давление, которое зависит от конфигу­рации изделия, требований к его характеристикам и марки смолы.

Адгезия модифицированных феноло-формальдегидных связую­щих к стеклянному волокну несколько выше, чем у полиэфирных, но значительно ниже, чем у эпоксидных.

Кремнийорганические связующие характеризуются, как правило, зна­чительно более высокой теплостойкостью по сравнению с другими поли­мерными связующими. Стеклопластики на их основе способны длитель­но работать при 300÷400℃. Однако механические свойства кремнийорганических стеклопластиков ниже, чем у стеклопластиков на основе по­лиэфирных, фенольных и особенно эпоксидных связующих. Длительный цикл отверждения и высокая стоимость также ограничивают область их применения. Они используются для изготовления изделий специального назначения, например, радиопрозрачных, так как не коксуются.

Кремнийорганические связующие часто модифицируют эпок­сидными смолами, ацеталями, однако при этом несколько снижает­ся теплостойкость связующего и стеклопластика на его основе.

Кремнийорганические смолы устойчивы к действию органических растворителей, минеральных масел, но не к действию ароматических и хлорированных растворителей.

Красящие вещества подразделяют на красители и пигменты. Для окрашивания стеклопластиков используют в основном пигменты органического и минерального происхождения.

Наполнители вводят в связующее для снижения их усадки, термического коэффициента линейного расширения, температуры само- разогрева при отверждении, хрупкости, а также для повышения вяз- кости, электропроводности, температуры стеклования и температуры начала деструкции.

Стекловолокнистые армирующие материалы

Стеклянные волокна. По химическому составу стекла, из которых получают волокна, делятся на две большие группы: бесщелочные и щелочные. Бесщелочные содержат не более 1...2% оксидов щелочных металлов и характеризуются очень высоким электрическим со- противлением. Щелочные стекла содержат до 15 % оксидов щелоч- ных металлов, их электрическое сопротивление намного меньше, а с повышением температуры снижается еще больше. Непрерывное стеклянное волокно получают из алюмоборосиликатных стекол, а штапельное волокно воздушного вытягивания - из бесщелочных.

Сначала на стеклянных заводах получают стеклянные шарики, диаметром 10...20мм. закаленные в воде. Закалка производится с целью исключения кристаллизации. В таком виде шарики могут храниться в течение длительного времени и даже отправляться на заводы стекловолокна, если там они не изготавливаются. В нужный момент они расплавляются в платиновых лодочках с отверстиями - фильерами, из которых производится вытягивание или струйное истечение стекла для получения волокна. Обычно лодочка имеет в основании примерно 200 фильер, диаметром от 2 до 40мкм. Выходя из фильер, непрерывные волокна соединяются в прядь (первичную нить) и наматываются на съемные бобины. Скорость движения волокон около 60...65км/час. Стеклянные волокна при соприкосновении могут повреждаться за счет микродефектов на их поверхности. Чтобы этого избежать, волокна покрываются тонкими слоями замасливателя, в качестве которого могут выступать крахмал, кремнийорганические и металлоорганические соединения, минеральные масла (силиконы) и др. Защищая волокна от разрушения, замасливатели к тому же во многих случаях повышают адгезию на границе связующее - волокно.

Непрерывное стеклянное волокно получают утонением струйки расплавленной стекломассы механическим вытягиванием. Известны двустадийный и одностадийный способы выработки такого волокна.

Из непрерывного стеклянного волокна изготавливают следующие армирующие материалы для стеклопластиков:

-нити и волокна однонаправленные;

-нити комплексные некрученые и крученые;

-ровницы и ровинги (жгуты);

- сетки, ткани и ленты;

-нетканные рулонные материалы.

Штапельное стеклянное волокно используется при производстве стеклопластиков в виде тонкого стеклянного мата, получаемого из расплавленной стекломассы вертикальным вытягиванием и раздувом. Стекломасса в виде струй диаметром 2...3 мкм вытекает из фильерных питателей, а затем струя раздувается паром или воздухом. Короткие волокна, диаметром до 20мкм. попадают в камеру осаждения, в которой на них форсунками наносится связующее, и оседают на ленте приемно - формующего конвейера, где производится сушка волокна, уплотнение его в мат и отверждение связующего.

Замасливатели для стеклянного волокна. Поверхность стеклянных волокон в процессе вытягивания покрывают замасливателем для защиты волокон от разрушения при их трении друг о друга и о детали перерабатывающего оборудования, а также для склеивания их в нить. Замасливатели, предназначенные только для защиты поверхности волокон и склеивания их в нить, называются текстильными.

Замасливатели, в состав которых входят адгезионно-гидрофобные вещества, способствующие созданию прочной связи на границе раздела стеклянное волокно-связующее, называют прямыми. Для гидрофобно-адгезионной модификации поверхности стеклянных тканей иногда производят их термохимическую обработку, состоящую в удалении текстильного замасливателя и последующей пропитке волокон водными растворами кремнийорганических соединений - аппретов. Следует отметить, что при термохимической обработке прочность тканей существенно снижается, поэтому для стеклопластиков следует по возможности использовать армирующие материалы, выработанные с применением прямых замасливателей.

Основным текстильным замасливателем является парафиновая эмульсия (ПЭ), в состав которой входят следующие вещества (в %)

-парафин (ГОСТ 784-53) 1.6 ± 0,1;

-стеарин или синтетические жирные кислоты (ГОСТ 6484 64) 0,6...0,1;

-вазелин медицинский (ГОСТ 3582-52) или ветеринарный (ГОСТ 13037-67) 2,0 ± 0,1;

-трансформаторное масло (ГОСТ 982-68); ГОСТ 10121 -62 или ТУ 38-239- 69) 2,0 ± 0,1;

-закрепитель ДЦУСТУ 6-4-187-67 2,0...2,5;

-эмульгатор - препарат ОС-20 (ГОСТ 10730-64) 125 ± 0;

-вода с жесткостью ≤100мг экв/л.

Стеклянные нити. Стеклянные нити (некрученые и крученые)

представляют собой комплексные нити, состоящие из непрерывных элементарных волокон, склеенных между собой замасливателем.

Некрученые нити и крученые марок НС-108-Р и НС-216 -Р выра- батываются из стекла алюмоборосиликатного состава. Крученые нити кремнеземные типа КН-11 вырабатываются из стекла алюмобороси- ликатного состава с помощью специальной химической обработки: содержание кремнезема в волокне доводится до 94%.

Ровинг. Ровинг (жгут) представляет собой некрученую прядь, состоящую из равномерно натянутых комплексных нитей, намотанную крестовой намоткой в бухты массой до 10кг, высотой 268мм. с внутренним диаметром 60мм и наибольшим наружным диаметром 200мм В зависимости от назначения ровинг, используемый для армирования стеклопластиков, вырабатывается двух основных видов:

-рассыпающийся, предназначенный для рубки на короткие отрезки нитей: поставляется в бухтах без гильз;

-намоточный, предназначенный для изготовления стеклопластиковых изделий методами намотки и протяжки, а также для наполнения термопластов; поставляется в бухтах на картонных гильзах.

Стеклянные ткани и сетки. Стеклянные ткани вырабатываются из крученых комплексных нитей или ровинга и различаются составом стекла, плотностью, массой и видом замасливателя, видом переплетения нитей и другими параметрами. Сетки отличаются от тканей разреженностью структуры.

Ткани из крученых комплексных нитей предназначаются для конструкционных стеклопластиков, а из ровинга - для изготовле­ния стеклопластиковых изделий методами контактного формования или пропитки в вакууме под давлением. Ткани получают плотным переплетением из ровинга на основе алюмоборосиликатного стек­ла с диаметром элементарных нитей 10мкм.

Многослойные ткани вырабатываются из крученых комплекс­ных нитей трехмерным переплетением. Предназначены для изготов­ления методами пропитки в вакууме или под давлением стеклоплас­тиков, отличающихся повышенным сопротивлением межслойному сдвигу и расслаиванию. Диаметр элементарной нити 9мкм.

Стеклянные сетки предназначены для армирования стеклопластиков.

Свойства стеклопластиков

Механические свойства. Стеклопластики, в зависимости от структуры и расположения армирующих материалов, в большин­стве случаев анизотропны, т. е. механические свойства их изменя­ются в зависимости от направления действия нагрузки.

Прочность при растяжении ориентированных стеклопластиков определяется прежде всего количеством и прочностью армирующе­го материала, адгезионной и когезионной прочностью связующего, его модулем упругости и относительным удлинением. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении стеклопластика от со­держания волокна приведена на рис. 13.

Абсолютные значения разрушающего напряжения однонаправ­ленных стеклопластиков на основе алюмоборосиликатного волок­на достигают 1600÷1800МПа, а на основе волокна из стекла ВМ- 1 могут составлять 2000÷2200 МПа. Содержание стекла в неориен­тированных стеклопластиках обычно не более 50 вес. %, причем повышение прочности с ростом количества волокон не так заметно. Влияние адгезии связующего к стеклянным волокнам на прочность стеклопластика представлено на рис. 14.

Когезионная прочность связующего, его модуль упругости и эластичности, а также относительное удлинение оказывают решаю­щее влияние на монолитность системы связующее - стеклянные во­локна. Для обеспечения монолитности стеклопластика, армирован­ного алюмоборосиликатными волокнами, необходимо, чтобы свя­зующее имело прочность при растяжении 120÷150МПа, модуль упругости 4500÷5000МПа, а относительное удлинение 4÷5%.

Рис. 13. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении Рис. 14. Зависимость разрушающего напряжения при

ориентированных стеклопластиков от содержания стеклянного волокна. растяжении ориен­тированных стеклопластиков от адгезии связующих к стеклянным волокнам.

Прочность при сжатии в меньшей степени, чем при растяжении, зависит от прочности и количества стеклянных волокон, в то время как увеличение диаметра и модуля упругости волокон приводит к значительному увеличению разрушающего напряжения стеклопла­стика при сжатии. Очень велико влияние адгезионной прочности связующего, значение которой, для обеспечения монолитности стек­лопластика, должно составлять 80÷100МПа.

Прочность при изгибе стеклопластиков зависит как от диамет­ров волокон, влияющих на прочность при сжатии, так и от факто­ров, определяющих прочность при растяжении. Для неориентиро­ванных стеклопластиков значение разрушающего напряжения при изгибе является средним между значениями, характеризующими прочность материала при растяжении и сжатии. Ориентированные стеклопластики имеют прочность при изгибе, близкую к прочности при растяжении при условии, что разрушение происходит от нор­мальных, а не касательных напряжений, так как ориентированные стеклопластики слабо сопротивляются сдвигу.

Модуль упругости ориентированных стеклопластиков в направ­лении армирования не зависит от диаметра волокна и определяется в первую очередь содержанием стеклянного волокна, ориентирован­ного в направлении деформирования. Ползучесть ориентированных стеклопластиков в направлениях армирования невелика и снижение модуля упругости на базе 10 часов составляет 10÷15%. Ползучесть ортотропных стеклопластиков под углом 45° к направлениям армирова­ния при растяжении, изгибе и сжатии хорошо описывается зависимостью

где е - относительная деформация; с - напряжение, меньше 0,6ар; Е45 - модуль упругости под углом 45°; С - константа, равная ~ 0,3; - продолжительность действия нагрузки, мин.; = 1 мин; n = 0,2.

Влияние температуры на модуль упругости полиэфирного ортотропного стеклопластика показана на рис. 15.

Теплофизические свойства. Показатели теплофизических свойств стеклопластиков (по направлению основы ткани), полученные на различных связующих, приведены в табл. 5.

Оптические свойства. Стекло-пластики способны пропускать до 90% лучей ви­димой части солнечного спек­тра при условии максимальной близости показателей прелом­ления связующего и стеклянно­го волокна, а также прозрач­ности этих компонентов. Наибольшее распространение получили све­топропускающие стеклопластики на основе полиэфирных смол и алюмоборосиликатного стеклянного волокна.

Атмосферостойкость стеклопластиков определяется их способ­ностью выдерживать действие различных атмосферных факторов (солнечная радиация, кислород воздуха, тепло, влага, промышлен­ные газы и т. д.) в течение определенного времени без значительно­го изменения внешнего вида и физико-механических свойств. Изме­нение прочностных свойств стеклопластиков в процессе хранения в атмосферных условиях выражается зависимостью

где σ₀<τ₀ и στ- соответственно прочность до и после хранения;

В - параметр, зависящий от структуры стеклопластика и климатической зоны хранения; τ - продолжительность хранения; τ₀ = 0,1 года.

Таблица 5

Теплофизические свойства стеклопластиков с различными связующими

Обозначения: р - плотность, С- удельная теплоемкость, λ - коэфициент теплопроводности, а- коэффициент температуропроводнности ɑ - коэффициент термического расширения.

Опыт показывает, что механические свойства полиэфирных стек­лопластиков толщиной более 3мм после 5 лет хранения в различ­ных климатических зонах изменяются незначительно (на 5÷7%), однако их поверхность После хранения более года теряет товарный вид. Происходит растрескивание и шелушение связующего наруж­ного слоя, стеклянное волокно выступает на поверхность. Для пре­дотвращения старения наружного слоя изделий из полиэфирных стеклопластиков в связующее этого слоя вводят ультрафиолетовые поглотители. Наружную поверхность фенольных и эпоксидных стеклопластиков защищают тонким слоем эпоксидной смолы (50÷75мкм), окрашенной в черный цвет.

Химическая стойкость стеклопластиков определяется следующи­ми факторами, приведенными в порядке их значимости:

- химическая стойкость связующего;

- степень приближения структуры стеклопластика к стабильной;

- отсутствие пористости;

- химическая стойкость армирующего материала.

Химически стойким в данной среде при данной температуре можно

считать такое связующее, прочность которого при изгибе снижается не более, чем на 20% после месячной выдержки в этой среде. Относительное удлинение связующего должно быть больше, чем для стеклянного волокна, иначе под действием силовых факторов в процессе изготовле­ния, монтажа и эксплуатации связующее растрескивается, и изделие бы­стро выходит из строя в результате коррозии стеклопластика.

Высокую химическую стойкость в сочетании с достаточными механическими показателями обеспечивает многослойная структура стеклопластика, состоящая из защитного слоя, содержащего 90÷95 вес. % связующего, второго химически стойкого слоя, с содержанием связующего 70÷75%, конструкционного слоя и наружного слоя, ана­логичного первому. Полиэфирные связующие в защитных слоях ар­мируют штапельными стеклянными матами с массой 1 м², равной 40÷60г, эпоксидные связующие могут быть не армированными.

Для химически стойких слоев кислотостойких стеклопластиков целесообразно применять алюмоборосиликатные стекла типа 7-А и щелочные типа ЩС. Химическая стойкость изделий из стеклоплас­тиков в значительной степени зависит от плотности пластиков и наличия трещин и пор в них.

Хранение полиэфирных стеклопластиков в пресной и морской воде в течение 5 лет вызывает снижение разрушающего напряжения при растяжении на 10÷13% , при сжатии - на 10÷15%, при изгибе - на 15÷17%; модуля упругости - на 6÷10%.

Механические свойства стеклопластиков после выдержки их в воде до 1 года и последующего высушивания практически полнос­тью восстанавливаются.

Несущие конструкции из стеклопластиков, по сравнению с ме­таллическими из высокопрочных металлов, имеют ряд преимуществ:

- меньшая трудоемкость изготовления;

- более короткий цикл изготовления;

- низкая стоимость изделий;

- высокая удельная прочность;

- регулируемая анизотропия свойств материала;

отсутствие требований высокой квалификации персонала.

Теоретическая прочность стеклянных волокон составляет 1000÷1400кгс/мм² (10000÷14000МПа), а для плавленого кварца - 2500кгс/мм² (25000МПа). Снижение прочности против теорети­ческой объясняется наличием трещин на поверхности волокон и мик­родефектов структуры.

Сейчас наиболее прочные волокна - на основе магний- алюмосиликатного стекла: ~ 500÷600кгс/мм² (5000÷000МПа) при плотности р=500÷3000кг/м³. В настоящее время применяются вы­сокомодульные стекла типа ВМС и высокопрочные - типа ВМП.

Основным недостатком стеклопластиковых конструкций является то, что не все дефекты, допущенные при изготовлении, поддаются ремонту.

Органопластики

Синтетические волокна

В настоящее время создано очень много синтетических волокон, в том числе на основе полипропилена, полистирола, полиимидов, полиамидов, гидроцеллюлозы и т. п. Многие из них применяются для производства нитей, из которых изготовляются бытовые и тех­нические ткани. Количество синтетических материалов превосхо­дит количество естественных, таких как шерсть, лен, конопля и т. п.

В твердотопливных двигателях нашли применение высокопроч­ные полиимидные и полиамидные волокна. Благодаря низкой плот­ности и высокой прочности названные волокна обладают большой удельной прочностью, превосходящей подобную для всех известных пластиков, металлов и сплавов, уступая по модулю упругости лишь углеродным и борным волокнам. Среди полиамидных волокон особо выделяются так называемые арамидные. Они обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью и модулем упругости, не­значительной ползучестью, термостабильностью, хорошими диэлект­рическими свойствами и, главное, усталостной прочностью.

Все органические волокна хорошо поддаются текстильной пере­работке, сохраняя при этом не менее 90 % исходной прочности. Они сохраняют ее и в процессе получения полиамидных пластиков пу­тем намотки и прессования со связующим из органических смол (эпоксидных, феноло-формальдегидных и других).

Амиды - это производные кислот, у которых группа - ОН заме­щена на аминогруппу - NH₂. Рассмотрим, например, серную кислоту HSO₃OH (H₂S0₄). Если группу ОН заменить па аминогруппу, то получим сульфаминовую кислоту HОSО₂NH₂.

Арамиды - это ароматические соединения у которых группа - ОН замещена на аминогруппу.

Амидные волокна выпускаются под названиями капролон, нейлон (алифатический ряд) и фенилон (ароматический ряд), в США под маркой номекс.

Полиамиды - циклоцепные гетероциклические полимеры с общей формулой

содержащие в основной цепи макромолекулы циклическую имидную группу

R - радикалы линейного или циклического строения. Наибольшее прак­тическое применение получили ароматические линейные полиимиды.

Получают органические волокна путем вытягивания из раство­ров или из расплавов через тонкие отверстия в сосудах (лодочках) с последующей намоткой на барабаны или шпули со скоростью не менее 60км/час.

В табл. 6 приведены механические свойства некоторых отече­ственных и зарубежных органических волокон (1ГПа = 10⁴ кгс/см² = 10² кгс/мм²). Наиболее перспективными являются органические во­локна типа СВМ: армос и терлон.

Таблица 6

Механические свойства органических волокон

Обозначения: ρ- плотность; Е- модуль упругости; σв- прочность при растяжении; ε - относительное удлинение.

Ароматические высокомодульные и высокопрочные полиамид­ные и полиимидные волокна получают из растворов их аромати­ческих соединений в амидных растворителях, содержащих хлорис­тый литий, путем вытягивания через тонкие отверстия. Вместо амид­ных растворителей могут применяться концентрированные (98÷100%) серная, фтористоводородная или метансульфоновая кислота, также содержащие хлористый литий. Линейные полиамидные и полиимид­ные волокна типа СВМ получают из расплавов.

Имея низкую плотность, арамидные волокна по удельным показа­телям и работоспособности превосходят все остальные органические волокна. Они обладают повышенной огнестойкостью и теплостойко­стью, могут перерабатываться в любые текстильные формы, не теряя прочности, в отличие от стеклянных и углеродных волокон.

Другие искусственные волокна

В настоящее время существуют так называемые кремнеземные и кремнеалюминиевые нити, нити на основе титаната калия, окси­дов металлов и т. п.

Особый класс представляют усы и нитевидные волокна, в том числе графита, оксидов кремния, алюминия, бериллия и магния, кар­бидов кремния и бора, нитридов, тугоплавких металлов.

Керамические волокна получают путем формования их из вис­козных растворов, содержащих растворимые в щелочи керамичес­кие структурообразования, с последующим обжигом.

Усы и волокна представляют собой нитевидные кристаллы, получа­емые с использованием различных методов их выращивания. Они явля­ются самой прочной формой из всех известных разновидностей твердого тела. Появились в начале 50-х годов нашего столетия и применяются как наполнители дисперсноупрочненных и волокнистых КМ. Конечно, эти кристаллы еще не нашли такого широкого применения как непрерывные волокна. Очевидно, они займут достойное место уже в 21 веке.

Таблица 7

Физико-механические свойства некоторых нитевидных волокон

Обозначения: ρ- плотность; σв- прочность при растяжении; Е - модуль упругости; Тпл - температура плавления.

Как видно из табл. 7, самую высокую прочность имеют нитевид­ные волокна из оксида алюминия, а самый высокий модуль упругос­ти - графит, последний при самой низкой плотности и самой высо­кой температуре плавления (теоретической).

Высокопрочные органические волокна

Развитие ракетной и других видов техники привело к необходи­мости разработки новых армирующих материалов, которые могли бы повысить уровень несущей способности силовых конструкций и, прежде всего, корпусов твердотопливных двигателей. К таким пер­спективным материалам относятся искусственные органические волок­на, обладающие прочностью на разрыв выше 3000МПа (300кгс/мм²) и модулем упругости примерно равным 105МПа при сравнительно небольшой плотности р=1500кг/м³.

Общим и основным условием получения сверхпрочных волокон является наличие волокнообразующих полимеров с достаточно вы­сокой молекулярной массой и устойчивой ориентацией структурных элементов. Растворы таких полимеров при истечении из отверстий- фильер сохраняют достаточно высокую степень ориентации моле­кул и форму волокна, которые в последующей вытяжке и термооб­работке могут закрепиться. Высокая степень ориентации, которая достигается при формовании, и сопутствующая ей высокая гомоген­ность структуры обеспечивают сверхвысокую прочность и высокий модуль упругости волокон.

В промышленности наиболее разработаны и освоены методы получения волокон из предельно жесткоцепных полимеров, ведущее положение здесь занимают ароматические полиамиды.

Процесс получения волокна состоит из двух стадий: синтеза волок­нообразующих полиамидов и формования волокон. Синтез по­лиамидов представляет собой низкотемпературную поликонденсацию хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматичес­ких диаменов. Из полученного продукта вытягивают волокна из филь­ер со скоростью около 60м/с. Существуют и другие методы получения органических волокон, но они менее распространены.

По своей прочности на растяжение и модулю упругости (табл. 8) арамидные волокна превосходят все органические волокна и ней­лон в 2 и 4 раза соответственно. Прочность и модуль упругости у них выше, чем у стеклянных волокон в 2 раза и, в некоторых случаях, модуль упругости - в 1,5 раза. Отсюда следуют высокие удельная прочность и удельный модуль упругости арамидных волокон. Арамидные волокна практически безусадочны по сравнению с другими типами химических синтетических волокон. Незначительная усадка (0,04%) появляется лишь при температуре 350℃.

Таблица 8

Механические свойства арамидных, органических и других волокон

примечания: ρ - плотность; σв - прочность при растяжении; Ɛ- относительное удлинение; Е- модуль упругости; оуд и Е уд - удельная прочность и удельный модуль упругости соответственно.

Арамидные волокна сохраняют свои свойства при пропитке их связующими и в процессе изготовления изделий из ПКМ.

Адгезионная прочность волокон СВМ к эпоксидным связующим находится на том же уровне, что и для минеральных волокон, и соста­вляет 40÷50МПа. Для них характерны высокая усталостная прочность и незначительная ползучесть. Волокна обладают также повышенной стойкостью против перерезания и истирания, при текстильной перера­ботке они теряют не более 10...20% исходной прочности, тогда как стеклянные - до 50%. Арамидные волокна устойчивы к действию воды, растворителей, горючего, смол; кислоты и щелочи действуют на них только при повышенных концентрациях и температурах.

Теплопроводность их составляет 0,14Вт/м К, а термический ко­эффициент линейного расширения — 2,6-10⁻⁶ град⁻¹. К недостаткам арамид­ных волокон следует отнести несколько пониженную прочность при сжатии и большой разброс по прочности и модулю упругости, а так­же повышенную электризуемость, что требует принятия мер по за­щите изделий от накопления статического электричества. На проч­ность волокон влияет и ультрафиолетовое излучение. В табл. 9 приведены некоторые специфические характеристики нитей.

Таблица 9

Физико-механические свойства технических нитей из СВМ

На основании выполненных исследований и опыта изготовления органопластиковых изделий установлено, что наиболее эффективными из текстильных структур, с учетом их переработки в изделие, являются нить СВМ линейной плотностью 29,4 текс, с круткой 100кр/метр, со­стоящая из 200 волокон диаметром 12мкм, и жгут - ровинг линейной плотностью 1000текс из волокон диаметром 12мкм. Текс - это масса одного метра нити в миллиграммах или одного километра - в граммах.

Нужно сразу отметить, что органические волокна хорошо под­даются технологической переработке, особенно при изготовлении пластиков на эпоксидных матрицах.

Методы формования органопластиков такие же, как и для пла­стиков с другими армирующими волокнами, применяется то же обо­рудование.

Большое значение при переработке волокон имеют продолжи­тельность пребывания органического наполнителя в контакте с не- отвержденным связующим при пропитке и хранении препрегов, температура и длительность процесса отверждения или термообра­ботки композита при формовании изделий.

Наиболее высокие прочностные свойства проявляют однонаправ­ленные органопластики, армированные арамидными волокнами типа Кевлар и СВМ. Им присуща выраженная анизотропия свойств.

Опыт показывает, что повышенные механические свойства органи­ческих волокон при изготовлении изделий используются далеко не полностью. Ниже рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы.

1. Органические волокна нетеплостойки, прочность их падает с повышением температуры, причем, чем больше выдержка даже при полимеризации, тем больше падение прочности. Оно иногда дости­гает 25 %. Отсюда следует, что требуются такое связующее и такой режим полимеризации (поликонденсации), при которых потери проч­ности были бы минимальными.

2. Степень полимеризации никогда не достигает 100% и оста­навливается на каком-то определенном значении, выше которого практически не подымается. Здесь могут быть предложены методы дополнительного радиационного отверждения или радиационной обработки при отверждении. Например, применение электронной бомбардировки с энергией электронов около 1МэВ повышает проч­ность на 10÷15%. Известны также опыты по повышению стабиль­ности волокна путем нанесения на него специальных олигомеров с последующим отверждением их и одновременным облучением элек­тронами с энергией около 700кэВ.

3. Известно также, что кристаллизация полимеров, а с ней и полная полимеризация наступают лишь при температурах, при которых уже начинается деструкция матрицы и органического наполнителя. При­менение магнитных полей и радиационной обработки способствует внутренней перестройке макромолекул и комплексов в композите. Некоторое повышение прочности и диэлектрической постоянной несом­ненно говорит об этом. Имеются сведения о волокнах, созданных на основе жидкокристаллических полимеров. Возможно, что и эпоксид­ные связующие при размягчении ведут себя как жидкие кристаллы и в магнитном поле образуют волокнистую структуру в самой матрице.

4. Показано также, что полимеризация связующего с помощью инф­ракрасного излучения в процессе непрерывной намотки ускоряет про­цесс отверждения и способствует повышению прочности. Энергия акти­вации полимеризации при этом воспринимается молекулами не­посредственно, а не через теплопроводность отверждаемой системы.

Кроме того, при послойной полимеризации с помощью ИК-излу- чения в процессе намотки последующие слои наносятся на «твердую» основу, что способствует лучшему натяжению волокна. При этом связующее в полимере распределяется более равномерно, что также способствует повышению прочности.

5. Много внимания уделяется вопросу повышения адгезии на гра­нице матрица-наполнитель - прежде всего, за счет применения аппре­тов (силанов, полидиметилсилоксанов), замасливателей; используют­ся также обработка волокна сжатым воздухом, плазменным разрядом в газовых средах (NH₃, NH₃+N₂), электрохимическая обработка и т. п.

6. Очень интересными являются сообщения о получении арамидных волокон с пористой наружной оболочкой, содержащей игловидные пустоты, ориентированные параллельно оси волокна, т. е. с направленной ориентацией полимерных цепей. Прочность таких волокон составляет 3÷3,5ГПа, но, главное, они будут иметь высокую адгезию к матрице.

7. Необходимым является наличие прибора, контролирующего сте­пень отверждения связующего в процессе термической обработки по­лимерных органопластиков. Он может быть построен на принципе не­прерывного измерения диэлектрической постоянной.

Некоторые предложения будут высказаны также в главе, посвя­щенной материалам и технологии изготовления корпуса твердотоп­ливного двигателя, имеющего форму кокона.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Армирующие волокна

Волокна используются в качестве арматуры композиционных материалов (КМ). Они должны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур, технологичностью, минимальной растворимостью в матрице, вы­сокой химической стойкостью, отсутствием фазовых превращений при рабочих температурах и, по возможности, быть нетоксичными при изготовлении и эксплуатации.

Для армирования применяют нитевидные кристаллы (усы), металли­ческую проволоку, неорганические и органические волокна. Усы имеют диаметр от долей микрометра до нескольких микрометров и длину от долей микрометра до нескольких сантиметров. Широко в качестве армирующих элементов конструкционных КМ пока не используются.

Высокопрочная металлическая проволока из стали, вольфрама, мо­либдена и других металлов хотя и имеет большую плотность и мень­шую прочность чем у усов, используется в качестве арматуры, особен­но для КМ на металлической основе, намного чаще, благодаря своей технологичности, широкой доступности и сравнительно невысокой сто­имости. Поликристаллические неорганические волокна, как и металли­ческая проволока, выпускаются промышленностью в больших количес­твах. Их недостатком является высокая чувствительность к механичес­ким повреждениям, однако малая плотность, высокая прочность, хи­мическая стойкость углеродных, борных, стеклянных, карбидокремни­евых, кварцевых и других волокон позволяют широко использовать эти материалы для армирования пластмасс и металлов. Органические во­локна используются только для армирования полимерных матриц.

Волокна бора, карбида кремния и борсика (B/SiC), обладающие высокой прочностью, жесткостью и малой плотностью, наиболее перспективны для упрочнения матриц на основе легких металлов (Al, Mg, Ti) и их сплавов. В литературе уделяется много внимания алюминию, армированному волокнами бора и карбида кремния, ко­торые получают осаждением из газовой фазы бора и карбида крем­ния на нагретую до температуры 1373÷1473К поверхность вольф­рамовой проволоки диаметром 12,5мкм. Диаметр волокон, выпускаемых промышленностью, составляет 90÷150мкм.

Для получения волокон используют одно или двухкамерный ре­актор, через который со скоростью 5... 18 м/час протягивается вольфрамо­вая нить, нагретая с помощью прямого пропускания тока, подводимо­го через затворы-контакты. Соотношение компонентов парогазовой фазы подбирается в зависимости от требуемого конечного диаметра волокна, диаметра вольфрамовой подложки и размеров реактора.

Образование осаждающегося бора можно достичь путем восстанов­ления его из тетрахлорида, протекающего в среде водорода по реакции: 2ВСl₃+ЗН₂→2В+6НСl

Сердцевина волокон бора, полученных на вольфрамовой под­ложке, состоит из боридов вольфрама WB, W₂B₅ и WB₄. При продол­жительном нагреве сохраняется в основном фаза WB₄. Образование указанных соединений происходит в результате реактивной диффу­зии при взаимодействии вольфрама с бором в условиях высокотем­пературного нагрева.

Физико-механические свойства волокон бора, карбида кремния и борсика приведены в табл. 13; температурная зависимость модуля упругости и прочности волокон - в табл. 14.

Волокна бора имеют кристаллическую структуру β-ромбичес- кой модификации, формирующейся при температуре 1476К. При­меси в исходных продуктах влияют на фазовые превращения.

На рис. 34 схематично иллюстрируются главные особенности строения борного волокна.

В последнее время при получении борных волокон вместо вольфрамовой нити с плотностью 19000кг/м³ используют стекло­углеродное или углеродное моноволокно с плотностью 1600кг/м³, вырабатываемое из термопластичных пеков.

В табл. 15 и 16 приводятся некоторые свойства тех и других борных волокон.

Таблица 13 Физико-механические свойства волокон бора, борсика и карбида кремня

Обозначения: d – диаметр волокна; Е – модуль упругости; τсд – модуль сдвига; µ - коэффициент Пуассона; σв – прочность при растяжении; σн – сопротивление изгибу; Ɛ – относительное удлинение.

Таблица 14 Температурная зависимость модуля упругости и прочности волокон

Рис. 34. Структурное строение борного волокна:

1 - внешний вид текстурированной поверхности; 2 - увеличенное изображение отдельного зерна с субструктурой, зависящей от диаметра волокна; 3 - остаточный вольфрам (исходный диаметр - 12,5мкм); обычно имеет сильно выраженную ориентацию; 4 - богатые вольфрамом и бором кристаллические зоны (внешний диаметр - 18мкм), по составу отвечающие W₂B₃ и WB₄; 5 - слой аморфного бора из частиц в поперечнике 20÷30 Е с плотностью 2,35г/см³, типичных для межплоскостных промежутков 4,2; 2,5; 1,7 и 1,4 Е ; 6 - наружная оболочка

Таблица 15 Сравнительные характеристики волокон На W – и стеклоуглеродных подложках

Обозначения: d- диаметр волокна; σв - прочность при растяжении.

Таблица 16 Свойства борных волокон, произведенных в разных станах

Обозначения: d - диаметр волокна; σв -прочность при растяжении; Е - модуль упругости; τсд - модуль сдвига

Как видно из приведенных данных, качество борных волокон, полученных на стеклоуглеродной мононити, лучше, чем на вольфрамовой. Кроме того, стеклоуглеродные моноволокна значительно дешевле и доступнее.

Сравнение по удельному модулю упругости показывает, что у борных волокон он в 5 раз выше, чем у стеклянных.

Волокна бора, карбида кремния и борсика используются для армирования композиционных материалов в дискретном и непре­рывном видах, а также в виде полуфабрикатов - предварительно подготовленных однонаправленных лент. Из-за большой жесткос­ти в крученом виде их не применяют.

Лишь в последние десятилетия бор стал элементом первостепен­ной важности: он сам и многие его соединения понадобились атом­ной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химичес­кой промышленности и другим отраслям.

Металлические матрицы и композитные материалы на их основе

Возрастающий объем применения композиционных материалов в ответственных конструкциях привлек пристальное внимание к раз­работке и применению методов, позволяющих предсказать поведе­ние таких конструкций при нагружении. Фермы, балки, рамы и тон­костенные элементы являются в настоящее время наиболее распро­страненными конструкциями, которые изготавливают из комозици- онных материалов с металлической матрицей.

Наиболее перспективным и широко применяемым металлоком- позитом является система алюминий - бор.

Матрицы на основе алюминия

Алюминий и сплавы на его основе, используемые в качестве матрицы КМ, выпускаются промышленностью в виде слитков, лис­тов, лент, фольг, прутков, проволоки и порошка. Главными требо­ваниями, предъявляемыми к матрицам на основе алюминия и его сплавов, являются совместимость с материалом армирующих воло­кон при температурах получения и эксплуатации КМ; высокие значения прочности и достаточной пластичности при нормальной и по­вышенной температурах; высокие технологические свойства и кор­розионная стойкость.

В зависимости от технологических особенностей получения КМ и типа волокон для матрицы применяют алюминий, деформируе­мые и литейные алюминиевые сплавы.

Упрочнение алюминия высокопрочными и высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с повышенными удельной прочностью и удельной жесткостью, жаропрочностью и регулируе­мой анизотропией свойств. В КМ на основе алюминия матрицей служат сплавы АД-1, АМг-6, АМЦ, АМг-3, Д16, 2024, 7075. Ар­мирующими элементами - волокна стали, бора, борсика, углерода и карбида кремния. Кроме того, разработаны КМ на основе алюми­ния с волокнами вольфрама, молибдена, бериллия, титана и Si0₂. Известны КМ на основе алюминия, армированные усами Al₂O₃, SiC.

При изготовлении КМ на основе алюминия применяют жидко- и твердофазные методы (горячее прессование, прокатку, экструзию, сварку взрывом), а также процессы осаждения. Так, горячим прессо­ванием получают КМ Al-В, алюминий - борсик, Al-Be, алюми­ний - сталь, Al-SiC, Al-Si0₂, исходными формами для матриц которых являются фольга, лента, лист или порошок.

Процесс осуществляется в вакууме, на воздухе или в защитной атмосфере и контролируется напряжением текучести или ползучес­тью матричного материала. Для снижения температуры и давления могут использоваться вспомогательные средства - припои, легкоп­лавкие или образующие эвтектику металлы. Недостаток метода - прерывистость процесса.

Параметры процесса получения КМ с объемной долей волокон бора 0,5 такие: время - 1 час, давление - примерно 50МПа, темпе­ратура - 753К. Этим способом могут быть получены многослойные ленты, листы, стержни, профили, лопатки компрессоров и турбин.

Прокаткой изготавливают КМ, армированные металлическими проволоками, например, КМ Al-В, алюминий - сталь. Процесс осу­ществляется при температуре (0,7÷0,9) Тпл и является полунепре­рывным или полностью непрерывным. Недостаток: при больших сте­пенях обжатия происходит разрушение волокон. Во избежание этого явления применяют поперечную прокатку. При этом используется матрица в виде фольги, ленты, листа или порошка. Прокаткой могут быть получены КМ в форме многослойной ленты, листов, балок.

Методом экструзии из КМ изготавливаются прутки, трубы, ар­мированные непрерывными или дискретными, преимущественно ме­таллическими волокнами. Экструзия осуществляется как в холод­ном, так и в горячем состоянии заготовки. Матрица используется в виде порошка, прутков и трубчатых заготовок. Как правило, экст­рузия осуществляется в специальных контейнерах.

В последнее время сваркой взрывом изготавливаются КМ, ар­мированные металлическими волокнами, например, алюминий - сталь. Достоинством метода является его дешевизна и возможность получения листов и изделий большого размера; недостатком - разру­шение хрупких волокон бора, карбида кремния и т. п. Этим мето­дом можно производить листы, плиты, трубы, оболочки.

Процессы осаждения, заключающиеся в напылении или осаж­дении матричного материала, который применяют обычно в виде порошка или проволоки, например, при плазменном напылении, не являются окончательными. Они позволяют получать полуфабрика­ты для последующего уплотнения. Наиболее распространен и досту­пен полуфабрикат системы Al-В, полученный плазменным распыле­нием алюминия из проволоки на ориентированные волокна бора.

Жидкофазными процессами, заключающимися в пропитке расп­лавом алюминия и его сплавов армирующих волокон, можно выра­батывать КМ Al-В, Al-С, Al-B/SiC, Al-SiC, Al-В (с покрытием BN), алюминий - сталь. Процесс осуществляется в вакууме или конт­ролируемой атмосфере при температуре примерно 973К. Для пре­дотвращения взаимодействия волокон бора или стали с расплавом применяются покрытия, а для улучшения смачиваемости волокон расплавом - также покрытия или поверхностно-активные вещества.

Системы Аl—В и алюминий – борсик

Композиционные материалы Al-В и алюминий - борсик сочета­ют в себе высокие прочность и жесткость, а также малую плотность с хорошей технологичностью и конструкционной надежностью мат­рицы из алюминиевых сплавов. Системы Al-В по сравнению с поли­мерными КМ более прочны в направлениях, отличных от направле­ния укладки волокон. Они имеют высокие электро- и теплопровод­ность, пластичность, ударную вязкость и абразивную стойкость. На них легче наносятся покрытия, они поддаются термической обработке, влагоустойчивы, не возгораются. Конструкции из этих КМ способны работать при высоких температурах.

Алюминий и его сплавы при повышенных температурах хими­чески активны и склонны к взаимодействию с волокнами бора в условиях получения КМ и эксплуатации. Взаимодействие приводит к образованию хрупких реакционных зон и снижению прочности волокон и КМ.

Волокна бора с алюминиевой матрицей начинают реагировать уже на стадии получения КМ жидко- и твердофазными методами. Особенно интенсивно эта реакция протекает при температурах выше 833К. В интервале температур прессования 753÷833К понижение прочности волокон бора незначительно. После прессования при тем­пературе 753К лишь в отдельных местах на поверхности вытрав­ленных волокон видны следы взаимодействия. В основном поверх­ность сохраняет характерную для исходных волокон структуру «ку­курузного початка».

Для уменьшения взаимодействия применяют волокна борсика. Использование волокон борсика и волокон бора, покрытия нитри­дом бора позволяют значительно повысить температуру прессования и сократить время процесса, а также обеспечивает получение беспористого монолитного материала с высокой прочностью связи.

Основным методом производства КМ на основе алюминия и его сплавов, армированных волокнами бора, является диффузионная сварка, даже применяются пропитка в вакууме и заливка. Матрица для диффузионной сварки должна быть в виде фольги или порошка. Осуществляется сварка в две стадии: при повышенной и понижен­ной температурах в вакууме при разрежении до 6,7∙10⁻³ Па, либо в контролируемой атмосфере.

Основные параметры процесса следующие: температура - 853К, давление - 30МПа, выдержка - 120с (высокотемпературная ста­дия); температура 727÷773К, давление 35÷50МПа, выдержка - 1800÷5400с (низкотемпературная стадия). Уплотнение произво­дится в пресс-форме и в камере с контролируемой атмосферой, в газостате или автоклавах. Прочность КМ зависит от режима изго­товления. Так, при прессовании на воздухе прочность волокон сни­жается примерно на 15%, а при прессовании в аргоне - на 13%.

Диффузионной сваркой изготавливаются многослойные листы, плиты, трубы, уголки и другие профили. Прокатку для получения композиционных материалов алюминий - бор применяют очень редко и проводят чаще всего с небольшими степенями деформации за несколько проходов. Прочность КМ алюминий - бор зависит от метода получения и режимов технологического процесса, свойств упрочнителя и матрицы, содержания армирующих элементов в КМ, направления их укладки, а также от марки сплава матрицы, диамет­ра упрочняющих волокон и температуры испытаний.

Композиционные материалы на основе алюминия соединяются с помощью пайки, диффузионной, дуговой и точечной сварки, болтовых, заклепочных, клеевых, клеесварных и клееболтовых соединений.

Способность к формообразованию металлических КМ, в осно­вном, определяется природой упрочняющих волокон.

Материалы, упрочненные металлическими волокнами, способ­ны к значительным формоизменениям. Металлы, армированные хру­пкими неметаллическими волокнами, либо совершенно не способ­ны к формоизменениям, например Al-С, либо способны к дефор­мации в ограниченных пределах, например Al-В.

Большинство металлических КМ, армированных металлически­ми волокнами, удовлетворительно ведет себя при механической об­работке.

Композиционные материалы, легированные волокнами бора и борсика, из-за высокой твердости волокон практически не по для - ются механической обработке. Обычными методами эти материа­лы не обрабатываются. Для прямолинейных резов применяется аб­разивная резка. Отверстия в КМ Al-В образуют ультразвуковой и электроэрозионной прошивкой. Для резки листов на детали слож­ного профиля используются электроискровые станки с движущимися проволочками, являющимися режущим инструментом.

Композиционные материалы на основе алюминия предназна­чены, главным образом, для авиационной и космической техники, где высокая стоимость первоначальных разработок может окупиться за счет достижения лучших эксплуатационных характеристик. КМ на основе алюминия могут использоваться при температурах до 725К. Из них изготавливаются детали газотурбинных двигателей самолетов и других летательных аппаратов.

В литературе сообщается о новых разработках КМ с металли­ческой матрицей. Много внимания, конечно, уделяется материалам из алюминия и его сплавов. Это - наиболее распространенный ме­талл с низкой плотностью и наиболее дешевый, хотя в техноло­гическом отношении, из-за своей активности, не очень удобен.

Кроме борных волокон и коротких волокон карбида кремния в настоящее время для металлических матриц начали применять и дру­гие волокна, например, углеродные, Al₂O₃, нитриды, стальную и вольфрамовую проволоку.

Много внимания уделяется также КМ с керамической матри­цей, в том числе и бескислородной. Применяются матрицы из нитри­дов, например, Si₃N₄, AlN, оксидов (ZrO₂,), а в качестве наполнителя чаще всего - волокна SiC, Al₂O₃ , зерна технических алмазов и т. п.

Материалы с керамической матрицей широко применяются как инструментальные, а также в авиастроении, автомобильной про­мышленности - для подшипников, турбинных лопаток и многих других изделий.

Большой интерес к композиционным материалам вызван тем, что их можно создавать со многими наперед заданными свойства­ми, при этом экономить также исходные ресурсы для их получения и снижать энергетические затраты

УГЛЕГРАФИТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Необходимость рассмотрения углеграфитовых и углеродных материалов вызвана широким применением их в конструкциях РДТТ. Эти материалы практически не плавятся, а лишь сублимиру­ют при очень высоких температурах, имеют низкую плотность, вы­сокую огнеупорность и отличительное качество повышения меха­нической прочности с ростом температуры.

Кроме того, теплозащитные и эрозионностойкие материалы на основе феноло-формальдегидных и других углеродсодержащих свя­зующих при работе в высокотемпературных и скоростных потоках газов превращаются в углерод, и мы рассматриваем в этих условиях работу коксового остатка.

Важным обстоятельством является и то, что углеродные мате­риалы широко применяются во многих других областях техники, в том числе, в ядерной, металлургической, электротехнической, ма­шиностроении, электронике и т. п.

Эти материалы интересны еще и потому, что обладают многими свойствами металлов (электропроводность, теплопроводность), вместе с тем имеют многие качества, присущие неметаллам, такие, как хруп­кость, отсутствие деформации при любых температурах, а по технологии получения близки к композиционным материалам и даже керамикам.

Углерод занимает шестое место в таблице Менделеева, находит­ся в четвертой группе и во втором периоде. Его электронное строе­ние –

1s²2s²2p², то есть на первой оболочке у него 2 электрона (пол­ная), на второй, внешней, - 4, из них 2 - на подуровне (орбите) s и 2 - на р. Как видим, на внешней оболочке у углерода находится четыре электрона из восьми, следовательно, он может выступать и доно­ром их и акцептором. А наличие у него по два электрона на поду­ровнях 2s и 2р, говорит о том, что он может быть как четырехвалентным, так и двухвалентным. Действительно, он может реагировать как с неметаллами (СО и СО,), так и с металлами, образуя карбиды.

Все химические соединения с углеродом имеют ковалентную связь.

Углеграфитовые материалы имеют небольшую плотность (теоретическая плотность графита р=2270кг/м³, алмаза - в 1,5 раза больше), высокую огнеупорность и отличное свойство повышения прочности с возрастанием температуры.

Основной недостаток графита - низкая температура начала окисле­ния, но в настоящее время проблема его защиты является не более сло­жной, чем для молибдена, вольфрама и других тугоплавких металлов.

Кроме ракетной техники, графит находит широкое применение во многих областях техники, вплоть до электроники.

Физические свойства углеграфитовых материалов

Углеродистые материалы в зависимости от способа получения, исходного сырья могут иметь различную внутреннюю структуру, химические и физические свойства. В природе углеродное вещество существует в трех видах: алмаз, графит, угли.

Алмаз имеет объемноцентрированную кубическую решетку, кокс и многие угли являются аморфными веществами.

Основным структурным элементом графита является двумерная шестиугольная сетка. Она образуется во время графитизации уголь­ных материалов при температурах 2500÷2700К и выше.

Атомы в сетках имеют ковалентную связь, сетки располагаются параллельно друг другу и связаны между собой не химической свя­зью, а силами Ван-дер-Ваальса.

Как видно из рис. 35, каждый атом в сетке образует три кова­лентные связи, расположенные в одной плоскости, углы между ко­торыми составляют 120℃. Четвертый валентный электрон не свя­зан, он образует связь типа металлической, хотя подвижность его и ограничена близким расположением шестиугольных сеток. Он-то и обеспечивает графиту многие металлические свойства (электропро­водность, теплопроводность). Различные типы связей атомов угле­рода в сетках и между ними обусловливают пластинчатую структу­ру графита. Не связанные электроны легко перемещаются в плоскостях, переход в другую плоскость затруднен, отсюда - высокая ани­зотропия электропроводности.

Расстояние между атомами в сетках (рис. 35, а) равно 1,42Å (0,142нм), а между сетками (б) - 3,49Å (0,349нм). Связь между сет­ками примерно в шесть раз слабее, чем между атомами в сетке.

Следствием такой структуры является высокая температура плавле­ния и испарения, так как трудно вырвать из сетки атом, поскольку это приводит к разрыву ковалентной связи. И наоборот, вследствие непроч­ной связи между гексагональными сетками, плоскости их легко скользят друг относительно друга, что и объясняет смазочные свойства графита.

К шестиугольным кольцам иногда примыкают атомы и атомные группы линейно полимеризованного графита и других элементов.

На рис. 36 приведена диаграмма агрегатного состояния графита. По оси абсцисс отложена абсолютная температура, а по оси ординат - давление над поверхностью графита в полулогарифмическом масштабе.

Рис. 35. Структура графита: Рис. 36. Диаграмма состояния графита

а - шес­тиугольная сетка; б - расположение сеток

Из диаграммы видно, что тройная точка графита соответству­ет температуре примерно 4200К и давлению 11МПа (110кгс/см²), то есть, при обычных давлениях он не плавится, а испаряется из твердой фазы, сублимирует. Теплота сублимации равна примерно 170ккал/моль или 60000кДж/кг.

Атомная масса углерода - 12.

Твердость по Моосу: алмаза - 10 ед., графита - параллельно плоскостям - 1,5, в перпендикулярном направлении - 4,5.

Коэффициент термического расширения графита (рис.37) неболь­шой и при комнатной температуре равен (2...4)∙10⁻⁶ (для сравнения, у вольфрама - 8∙10⁻⁶, у урана - 34∙10⁻⁶). Он несколько возрастает с тем­пературой, причем, в разных направлениях отличается примерно в 1,5 раза. От комнатной температуры до 3300К графит расширяется не более, чем на 1%.

У разных авторов приведенные свойства могут отличаться, что свя­зано с разными исходными материалами и точностью измерения.

Сравнительно высокая теплоемкость и теплопроводность гра­фита (табл. 17), а также низкий коэффициент термического расши­рения обусловливают высокую стойкость его при резких тепловых нагружениях (термостойкость).

где а - коэффициент термического расширения; - прочность при рас­тяжении; Е - модуль упругости; - коэффициент теплопроводности.

На рис. 38 представлены графики изменения удельного электросопротивления при повышении температуры. Этот показа­тель при повышении температуры от комнатной до 800К слегка па­дает, а при дальнейшем повышении ее снова возрастает.

Ценным свойством графита, как указывалось выше, является повышение механической прочности вместе с возрастанием темпе­ратуры вплоть до 2700К (рис. 39). При таких условиях модуль уп­ругости тоже линейно возрастает почти в два раза (рис. 40).

Условно углеграфитовые материалы по прочности подразделя­ют на 5 групп:

- низкопрочные - σв < 500МПа;

- средней прочности -σв = 500÷2500МПа;

- высокопрочные - σв > 2000МПа;

- низкомодульные - Е < 2,5∙10⁵МПа;

- высокомодульные - Е > 2,5∙10⁶МПа.

Нужно отметить, что и прочность, и модуль упругости возрас­тают с повышением плотности углематериалов.

Как было указано выше, природные углеродные материалы име­ют две кристаллические структуры:

-кубическая гранецентрированная или трехмерная сетка (алмаз);

-двумерные плоские сетки, связанные между собой силами Ван-дер-Ваальса.

В 1992 г. академик И. Е. Вольпин в Вестнике РАН, № 10 сооб­щил, что еще в 60-е годы были синтезированы две новые кристалли­ческие структуры углерода: карбин и фуллерены. Работы по ним были закрыты.

Рис. 37. Зависимости коэффициента термического расширения графитов от температуры Рис. 38. Температурная зависимость удельного электросопротивления графита: а - в направлении, перпендикулярном на­правлению формования; в - в направлении, параллельном направлению формования

Рис. 39. Изменение прочности гра­фита при повышении температуры: Рис. 40. Изменение модуля упругос­ти с ростом температуры

1- для плотного графита; 2- для графита средней плотности.

Карбин представляет собой тоже слоистый материал, состоя­щий из палочкообразных молекул (рис. 41).

О свойствах карбина можно догадываться, это должен быть ма­териал с выраженной анизотропией свойств. Из публикации извест­но, что он испаряется при невысоких температурах.

Очень интересна структура фуллеренов. Они представляют собой многогранники, составленные из шестиугольников и имеют форму мяча. Но, согласно правилу Л. Эйлера, в многограннике число вер­шин, плюс число граней, минус число ребер равно двум. Из этого пра­вила следует, что нельзя составить замкнутый многоугольник, только из шестиугольников, т. е. там должны быть и пятиугольники (рис. 42).

Впервые этот принцип построения сферы из многоугольников использовал в 1895 году американский архитектор Д. Б. Фуллер при постройке крыш для больших площадей. Отсюда - фуллерены.

Рис. 41. Структура карбина Рис. 42. Элементарная ячейка фуллерена

Первая работа (1973 г.) на эту тему была теоретической. В ней предсказана возможность существования молекулы С60 в виде футбольного мяча.

В 80-х годах линии этой молекулы (кристаллы) были обнаружены в кометах. Сначала считали, что это углеродные кластеры, затем из сажи было выделено вещество красноватого цвета - фуллерены С60 и С70. Сообщалось и о существовании фуллеренов с 76, 78, 82, 84, 90, 96, 102, 110 и более атомами и даже суперфуллеренов «молекулярных матрешек», пространственная структура которых выглядит как шар в шаре.

Наиболее изучен фуллерен С60, он возгоняется при температуре около 700К в вакууме, имеет интересные физические и химические свойства, растворяется в органических растворителях. При испаре­нии из растворов можно получать тонкие углеродные пленки, обла­дающие полупроводящими и сверхпроводящими свойствами.

Соединения фуллеренов с рубидием, цезием, таллием и други­ми металлами имеют критическую температуру сверхпроводимос­ти Тк = 43К при высоких значениях критических токов.

Фуллерены способны легко принимать и отдавать электроны, являясь т. н. аккумуляторами электронов, присоединять радикалы и свободный водород, т. е. образовывать полимеры. Они реагиру­ют с фтором, хлором, бромом, могут внедрять другие комплексы.

Внутри углеродной сферы С^ имеется полость с внутренним диа­метром около 0,5 нанометра, где могут находиться атомы других элементов, например, лантана, иттрия и т. п., которые отдают свои электроны фуллереновой оболочке и плавают как свободные кати­оны по типу левитации в отрицательно заряженной сфере.

В сфере С82 могут находиться даже два атома. Предполагается, что в Чернобыле при взрыве образовались фуллерены, внутри ко­торых находятся атомы урана и других радиоактивных элементов. Эти фуллерены могут легко проникать в живые клетки.

В итоге можно сказать, что открытие фуллеренов означает пе­реход к новому этапу органической химии. Намного увеличилась возможность создания новых органических молекул и, может быть, не только их, а и новых неорганических соединений.

Некоторые авторы употребляют и другую терминологию примени­тельно к углеродным материалам, например, И. Г. Черныш, И. И. Кар­пов и др. в монографии «Физико-химические свойства графита и его соединений», не выходя за пределы известных углеродных структур. В книге рассмотрен целый класс так называемых соединений интерка- лирования графита, или соединений внедрения других элементов между плоскими сетками углерода. Они имеют большое значение для элект­ронной техники, но как эрозионностойкие материалы не применяются, и в дальнейшем изложении курса не рассматриваются.

Изменение свойств при нейтронном облучении

Как было сказано выше, графит применяется в ядерной технике в качестве замедлителя в гетерогенных реакторах в виде отдельных бло­ков, секций или стержней. В гомогенных реакторах углерод (графит) применяется в смеси с ураном или его соединениями. Для этих целей обычно применяют графиты высокой химической чистоты, например, марки АРВ. Рентгеноструктурными исследованиями установлено, что после нейтронного облучения при поглощенных дозах свыше 1020 Н/см² (10200 Н/м²) наблюдается сначала смещение или расширение а затем исчезновение интерференционных линий. Это указывает на разруше­ние кристаллической решетки или полное разупорядочение структуры.

В результате такой перестройки структуры наблюдается изме­нение физических свойств: электросопротивление увеличивается в 3,5 раза, теплопроводность уменьшается в 20 раз, а модуль упругос­ти и твердость повышаются примерно в 2 раза.

Трмическая обработка облученного графита при температурах, превышающих температуру при облучении, снимает эти изменения. Например, модуль упругости восстанавливается уже при 1400К, а теплопроводность и электропроводность - только после отжига при температурах выше 2400К.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Углеграфитовые материалы весьма инертны в химическом отношении ко многим реагентам при невысоких температурах. По­этому они используются при изготовлении кислотоупорной аппара­туры. Но с повышением температуры их химическая активность рез­ко меняется (табл. 17). Окисление аморфных углеродистых материа­лов начинается уже при температуре 620К, графита - при 720К.

При повышении температуры графитации температура окисле­ния и воспламенения повышается.

Как видно из табл. 17, углерод не реагирует с азотом, но по некото­рым сведениям, он начинает реагировать с поверхностью графита при Tw = 2800К, тогда как сублимация последнего становится существен­ной при Tw > 3300К (Tw - температура поверхности). При сублима­ции графита образуется в основном молекула углерода С₃. По сведе­нию Ю. В. Полежаева и Ф. Б. Юревича, при температуре торможения набегающего газового потока Тс = 6000К и давлении Рс = 5∙10⁵Па, 30% графита уносится в виде цианистых соединений. Химическая активность углеродистых материалов определяется степенью упорядоченности и плотностью углеродного вещества, величиной графитовых кристалли­тов, наличием химически связанного или адсорбированного водорода и других газов. Так, реакция карбидообразования в вакууме происхо­дит при температурах на 300÷500К ниже, чем в защитной атмосфере.

На реакционную способность углерода каталитически влияют примеси Fe, Си, Mn, Na, Са, Si, V, Al и других металлов.

Большое практическое значение имеет сорбция (физическая и химическая) газов углеродом. Активирование углеродных материа­лов повышает сорбционную емкость в 2÷5 раз. На принципе уголь­ной сорбции созданы противогазы, медицинские сорбенты, кото­рые применяются на Земле и в космосе.

Таблица 17 Основные свойства и реакции графита

*Т - температура.

В последние годы были созданы волоконные угольные сорбен­ты, а на их основе - специальные ткани, войлок и т. п. В ракетной технике благодаря применению сорбентов, принятию других мер, удалось создать «чистую» атмосферу, свободную от паров компо­нентов топлива и газоотделений неметаллических материалов в от­секах ракет и транспортно-пусковых контейнерах. В связи с повы­шением рабочих температур в ракетной и ядерной технике, энерге­тике, металлургии особое значение приобрели карбиды многих ту­гоплавких металлов. Этому будет посвящена отдельная глава.

Из табл. 17 видно, что углерод реагирует с металлами и неме­таллами, т. е. обладает амфотерными свойствами. Это обуслов­лено наличием 4-х электронов на внешней оболочке на подуров­нях 2s² и 2р².

Некоторые авторы склонны отнести графит к полуметаллам(As, Sb, Те и др.), которые близки по свойствам к обычным метал­лам, но обладают в 10²÷10⁵ раз меньшей электропроводностью, сильно зависящей от воздействия электрических и магнитных полей (термоэлектричество, термомагнитное охлаждение). Графит же об­ладает металлической электропроводностью и теплопроводностью.

Получение графитовых материалов

Специфика применения углеродистых материалов обусловливает перечень исходных сырьевых материалов и технологию производства. В настоящем параграфе рассмотрим технологию получения графита. От­дельно будет рассмотрена технология получения углеродных волокон.

Несмотря на то, что графит обладает многими металлическими свойствами, технология получения заготовок из него ближе к тако­вой из КМ и керамики.

Важнейшие исходные материалы:

нефтяной кокс;

сажа;

пековый кокс;

древесный уголь;

антрацит связующие материалы;

натуральный графит;

специальные добавки.

Характеристика исходных материалов и технология

Нефтяной кокс. Продукт перегонки нефти. Сначала получают не­фтяной пек (смолу), которая составляет 8÷10% от перерабатываемой нефти. Это - тяжелая фракция или крекинг-остаток. Из полученного пека путем полимеризации и карбонизации получают нефтяной кокс. Он также составляет 10% от пека или 1% от перегоняемой нефти.

Пековый кокс. Продукт разложения каменноугольного пека, который образуется при коксовании углей.

Антрацит. Разновидность каменного угля, отличающаяся пони­женной зольностью и повышенным содержанием углерода (93÷97%).

Натуральные графиты. Добываются как сырье из графитовых руд, которые представляют смесь кристаллов графита и глины, из­влекаются методом флотации. Содержание графита в зависимости от месторождения колеблется от 15% до 90%.

Сажа. Продукт разложения углеводородов при ограниченном доступе воздуха или при полном его отсутствии. Имеется много раз­новидностей сажи, отличающиеся способом получения и исходным сырьем. Бывает газовая, канальная, ламповая, ацетиленовая и т. п.

Обладает высокой химической активностью, малыми размерами час­тиц, особой кристаллической структурой, подобной структуре графи­та, но ее шестиугольные сетки изогнуты. С открытием карбинов и фуллеренов взгляд на кристаллическую структуру сажи, возможно, изме­нится. Качество сажи зависит от температуры графитизации, которая может достигать 3100К. Размер частиц - 10÷350нм (100÷3500Å). Иногда говорят о белой саже, но это может быть аморфный оксид крем­ния, нитриды, которые вводятся как пигменты или твердые смазки.

Древесный уголь. Выжигается из березовых дров в специальных ретортах при температуре 600÷650К без доступа воздуха.

Связующие материалы. Это - нефтяной и каменноугольные пеки, каменноугольные, фенольные, фурановые и другие смолы, деготь.

Специальные добавки. Вводятся для придания необходимых свойств угольным материалам в таких изделиях, как щетки, контак­ты и т. п. В качестве добавок используют медь, серебро и др.

Измельченные сырьевые материалы и связующее смешиваются в определенных пропорциях. Из смеси прессуются заготовки или го­товые изделия - в пресс-формах или на прошивных прессах.

Спрессованные заготовки подвергаются обжигу, который про­исходит в три стадии:

полимеризация и удаление летучих веществ при температуре 500÷550К; пиролиз и коксование связующего в камерных печах при температуре 1200÷1700К, при этом происходит дальнейшее удале­ние летучих, перестройка коксового вещества, образование пор; в целом этот процесс называется карбонизацией. Графитация - процесс высокотемпературной обработки угле­родных материалов, при котором происходит перевод их в состоя­ние кристаллического графита; температура полной графитации в зависимости от сырья, назначения готовых изделий колеблется 2500÷3300К, при этом, повышение температуры сокращает весь процесс и улучшает качество.

Все названные превращения происходят и при работе полимерных эрозионностойких материалов в высокотемпературных газовых пото­ках, что очень важно, т. к. при этом повышается эффективная энтальпия ТЗП. Так как при полимеризации, карбонизации и графитации происхо­дит удаление летучих веществ, структурная перестройка, в углеродис­тых и графитизованных материалах образуются поры, причем порис­тость может доходить до 50%, например в графите ПроГ-2400.

Иногда специально получают пористые заготовки углеродных материалов с тем, чтобы затем подвергнуть их пропитке необходи­мыми компонентами в зависимости от применения.

Если необходим плотный графит, то полученные заготовки по­сле графитации или карбонизации пропитывают пеками или смола­ми - под давлением в специальных ретортах или гидроклавах. Пос­ле этого заготовки снова подвергают всем стадиям обжига.

Операции пропитки-обжига повторяются несколько раз. Мар­кировка некоторых графитов полностью отражает количество этих операций. Например, маркировка ЗОПГ означает: 3 обжига, про­питки, графитации; 50ПГ-3000-24 - это 5 циклов, плюс 24 часа об­жига при температуре 3000℃ (3273К).

Графитация производится в печах сопротивления или индукци­онных, в которых в качестве нагревателя служат сами графитируе- мые заготовки с уплотненными зазорами между ними с помощью графитовой крошки.

Процесс этот очень ответственный, особенно чревато последстви­ями непредусмотренное отключение электроэнергии, т. к. при этом разрушаются водоохлаждаемые токоподводы и другие системы, что может вывести печь из строя и нарушить весь ход процесса, прервать или совсем остановить графитацию. Продолжительность полного цик­ла изготовления некоторых графитизованных материалов составляет несколько месяцев (иногда более 6). Поэтому на заводах, производя­щих подобную продукцию и по традиции называемых электродными, устанавливаются несколько параллельных линий.

Углеродные волокна

Благодаря уникальным физико-химическим и механическим свойствам, углеродные волокна (УВ) среди других жаропрочных за­нимают особое место. В них удачно сочетаются высокие прочностные характеристики с низкой плотностью, поэтому по удельным показате­лям они превосходят любые другие жаропрочные волокна. Так, проч­ность при растяжении их составляет σв=2,5÷3,5ГПа, а модуль упруго­сти

Е= 200÷700ГПа при плотности ρ = (1,6÷1,8)10³кг/м³

К этому нужно добавить, что углеродные волокна обладают мно­гими свойствами, присущими компактным углеродным материалам, в том числе и такими как повышение прочности с температурой.

Углеродные волокна могут применяться в ракетной технике в каче­стве наполнителей теплозащитных, теплоизолирующих и конструк­ционных материалов в сочетании с полимерной, углеродной, кера­мической, металлической и даже стеклянной матрицей. Компози­ционные материалы, армированные углеродными волокнами, все больше начинают применяться и в других областях техники.

Углеродные волокна делятся на карбонизованные и графитирован- ные, которые, соответственно, содержат 80÷90% и 90÷99% углерода. Они образуются из волокнистых полимеров путем термической обра­ботки в инертных средах. В зависимости от исходного сырья и техно­логии обработки можно получить УВ с различными прочностными и физико-химическими свойствами.

Основными видами сырья являются:

- гидроцеллюлозное вискозное волокно (ГЦВ);

- полиакрилнитрильное волокно (ПАН-волокно).

Целлюлоза - это полимер природного происхождения: хлопок,

древесина и т. п., имеющие общую формулу (С₆Н₁₀О₅)ₙ.

Структурная формула мономера целлюлозы:

Как видим, молекула целлюлозы имеет кратные (двойные) свя­зи, через которые и осуществляется полимеризация.

ПАН-волокно - это полимер акрилнитрильной кислоты СН₂=СН-CN, которая кипит при температуре 350,6К и также имеет кратную связь.

Как перспектива рассматривается и более дешевое сырье: пеки, фенольные и фурфурольные смолы, из которых сначала получают органические волокна, а затем - угольные.

ПАН-волокно используется в основном для получения высоко­прочных высокомодульных углеродных волокон, а ГЦВ - для угле­родных волокнистых материалов другого назначения.

К недостаткам ПАН-волокна можно отнести высокую стоимость, а также то, что при его получении выделяется синильная кислота, ГЦВ - дешевле и доступнее, но его высокие прочностные свойства могут быть достигнуты только путем графитации при температурах свыше 2700К.

Волокна, изготовленные из пеков и упомянутых выше смол, не дорогие, но имеют пониженную прочность.

Процесс получения всех видов УВ включает две стадии высоко­температурной обработки: карбонизацию при температуре 1170÷2270К и графитизацию при температуре около 3270К в контроли­руемых средах (водороде, метане, азоте, аргоне, оксиде и диоксиде углерода), в угольной или графитовой засыпке и в вакууме.

Для создания углеродных волокон средней прочности подвер­гают карбонизации и графитации предварительно изготовленные ткани, ленты, пряжу, жгуты, трикотаж из органических волокон. В таком виде углеродные материалы могут применяться непосред­ственно для производства изделий, но часто их распускают на нити, из которых затем получают нужный полуфабрикат.

При получении высокопрочных и высокомодульных волокон сначала изготавливают органическое волокно путем вытягивания из растворов, например, ПАН-волокно - из акрилнитрильной кис­лоты. Процесс создания высокопрочных волокон является непре­рывным: органическое волокно, вытягиваемое из раствора, прохо­дит стадию карбонизации при температуре около 1270К и после­дующую стадию высокотемпературного обжига при температуре 2170÷2270К или выше и сразу наматывается на барабан. Волокно при этом должно быть сильно натянутым, чтобы в нем образова­лась неравновесная вытянутая структура (рис. 43).

Рис. 43. Схема получения высокопрочных волокон:

1 - лодочка с акрилнитрильной кислотой; 2 - направляющие ролики; 3 - устройство для нанесения модификаторов или покрытий; 4 - печь карбони­зации; 5 - печь высокотемпературного обжига; 6 - барабан или шпуля

Нужно отметить, что акрилнитрильная кислота при взаимо­действии с кислородом воздуха моментально отверждается, при этом происходит поликонденсация через «кислородный мостик»:

Иногда при этом применяются катализаторы и модификаторы, в качестве которых могут быть соли и оксиды гафния, бора, кремния, циркония, ванадия и др. Растворами этих и других веществ пропитываются карбонизованные волокна, ткани, ленты, жгуты. Кро­ме того применяются специальные покрытия, наиболее эффективны среди них - из пироуглерода, карбида кремния, нитрида бора.

Некоторые свойства углеродных волокон

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Благодаря низкой плотности и высоким прочностным свойствам, углеродные волокна имеют наи­более высокие удельные характеристики.

Коротко дадим понятие удельных характеристик прочности: удельной прочности и удельного модуля упругости.

Удельная прочность - это отношение прочности при растяже­нии к удельному весу:

Удельный модуль упругости - это отношение модуля упругости к удельному весу:

Еуд=Е/γ где γ=ρ/g

где р - плотность, кг/м³; g - ускорение силы тяжести, м/с²; σв - проч­ность при растяжении, Па; Е - модуль упругости, Па.

По прочности УВ делятся на три группы:

– низкопрочные, (σв < 500МПа);

– средней прочности, (σв = 500÷1500МПа);

– высокопрочные, (σв > 1500МПа).

Модуль упругости изменяется в пределах 30÷700ГПа и про­порционально зависит от плотности углеродного волокна (табл. 18).

Высокопрочные углеродные волокна используются в композици­онных материалах для несущих конструкций, остальные - для теплоза­щитных и эрозионностойких материалов, теплоизоляции и т. д.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА углеродных волокон такие же, как у компактных углеродных материалов, хотя плотность их значитель­но ниже, чем у графита (теоретическая плотность 2260кг/м³), что обусловлено менее совершенной структурой УВ и большей порис­тостью.

Для УВ характерна развитая пористость и большая удельная по­верхность, достигающая 2000м²/г при определенной термообра­ботке (табл. 19).

В последние годы разработаны волокнистые в том числе имп- регнированные различными веществами сорбенты в виде тканей, войлока, которые получают путем обработки исходных вискозных заготовок в среде углекислого газа при повышенных температурах.

Таблица 18 Механические свойства некоторых углеродных волокон

Обозначения: d – диаметр волокна; ρ – плотность; Е – модуль упругости; σв – прочность при растяжении; Ɛ – относительное удлинение.

Таблица 19 Физические свойства углеродных волокон

Обозначения: ρ – плотность; Тсубл –температура cублемации; Sуд. –удельная поверхносгь; Г - гигроскопичность; Ср - удельная теплоемкость; а - ко­эффициент термического расширения; λ - теплопроводность; ρэ - оми­ческое сопротивление; tg а - тангенс угла диэлектрических потерь.

Угольные волокна имеют более низкую поверхностную энергию, чем стеклянные и органические, поэтому хуже смачиваются поли­мерными связующими, а полимерные композиционные материалы на их основе характеризуются пониженным напряжением сдвига.

Величину адгезии матрицы и УВ повышают путем удаления замасливателя после текстильной переработки, аппретированием, нане­сением мономеров, травлением поверхности окислителями.

По характеристикам тепло- и электропроводности графитированные волокна приближаются к металлам, карбонизованные во­локна относятся к полупроводникам (табл. 20).

Угольное волокно, как и компактные углеродные материалы, об­ладает исключительно высокой теплостойкостью и термостойкостью, но низкой стойкостью к окислению. С целью защиты от окисления на волокна наносят карбиды, оксиды, нитриды и пироуглерод (ОКГ5). В теплонапряженных узлах ракетной техники используются углеродные волокна, в основном, с покрытием из пироуглерода.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. По химическим свойствам У В близки к объемным углеродным материалам. При повышенных тем­пературах (около 620К) они подвержены воздействию азотной и серной кислот, а также К₂Сг₂О₇ и воды. При этом волокна, получен­ные из ГЦ-В, химически более стойки, чем волокна из ПАН-В, об­работанные при одинаковых температурах.

ПЕРЕРАБОТКА. Схема переработки, как указывалось выше, состоит в предварительном изготовлении вискозных форм с после­дующей их карбонизацией и графитацией. Иногда, при необходи­мости, удобно получать углеродные нити из готовых целлюлозных тканых материалов, например трикотажных полотен, прошедших термообработку, путем их роспуска. Так получают нить для после­дующего плетения углеродно-металлических лент или сеток, необ­ходимых для создания углеметаллопластиков.

Кроме способа получения углеродно-металлических гибридных тканей, лент, сеток, жгутов разработаны многие другие - для производ­ства таких материалов на основе углеродных, органических, стеклян­ных и металлических нитей и волокон в различных сочетаниях. Напри­мер, волокна типа Кевлар (арамидное органическое волокно с высокой прочностью, но с более низким модулем упругости, чем УВ) сочетают­ся с углеродными волокнами в каком-нибудь материале для намотки (лента, жгут) или наносятся полностью по определенной программе.

При изготовлении полимерных композиционных материалов и изделий из углеродных волокон применяются примерно те же технологические процессы, что и при переработке стеклянных и орга­нических волокон.

Как видно из табл. 21, в приведенных полимерных пластиках далеко не полностью использованы прочностные характеристики моноволокон, но удельная прочность ПКМ все же значительно выше, чем стали и алюминия.

Таблица 21 Свойства некоторых пкм с волокнистыми наполнителями

Обозначения: ρ - плотность; σв - прочность при растяжении; Е - модуль упругости; σуд - удельная прочность.

К сожалению, конструкторы и технологи еще не научились так проектировать изделия из волокнистых композиционных материа­лов, чтобы максимально использовать высокие прочностные свой­ства элементарных волокон.

Углепластики

Углепластиками называются композиционные материалы, у ко­торых матрицей является отвержденное полимерное связующее, а наполнителем - углеродные волокна в форме нитей, жгутов, лент, тканей. Производятся они по типу стеклопластиков и других арми­рованных полимерных материалов. В ракетной технике применяются в качестве теплозащитных покрытий, изоляционных материалов или несущих (силовых) конструкций. Так, в РДТТ они используются как материал тепловой защиты выходного раструба в сочетании с ме­таллом или силовым пластиком, выходного воротника, а иногда даже вкладыша критического сечения сопла, например, на ускори­телях ракеты-носителя «Шаттл». Применяются углепластики и для других теплонагруженных деталей твердотопливного двигателя.

Как будет показано далее, применение углепластиков стало пер­вой и самой ранней стадией использования углеродных материалов в ракетной технике после графита, который обладает главными не­достатками - хрупкостью и низкими твердостью и эрозионной стой­костью.

Так как при создании теплозащитных материалов стремятся к максимальной реализации их энтальпийных характеристик, в каче­стве связующих применяют фенольные, феноло-формальдегидные и феноло-фурфуроловые смолы, которые дают наибольший выход кокса или, как выражаются специалисты ракетной техники, облада­ют наибольшим коксовым числом (90÷95%). K=mₖ/mₙ

где К - коксовое число; mₖ- масса кокса; mₙ- масса пластика.

Углепластики формуются непосредственно на защищаемых ими узлах или изготавливаются по нужной форме, а затем наклеиваются на наружную часть узла, или на внутреннюю - если это раструб. Ког­да силовой оболочкой раструба служит стеклопластик или другой пластик, последний наматывается на готовый углепластик.

В зависимости от назначения изделий применяются различные методы формования:

прямого прессования в пресс-форме;

прямого прессования под вакуумированным резиновым меш­ком (вакуумный метод);

гидроклавное или автоклавное формование (иногда эти мето­ды объединяются под одним общим названием - автоклавные).

Технология изготовления углепластиков

Подготовка оснастки. В общем случае пуансон и матрица пресс- формы или оправка тщательно очищаются от остатков смолы, заг­рязнений и т. п. Затем на них наносится специальная смазка ЦИАТИМ-221 или другая теплостойкая смазка в два слоя: первый слой сушится при температуре цеха на воздухе в течение одного часа, вто­рой - при температуре 100℃ в течение двух часов.

Если углепластик наносится как ТЗП на какую-нибудь деталь, то последняя подвергается опескоструиванию с помощью кварце­вого песка. Эта операция выполняется на специально оборудован­ном участке, который, как правило, обслуживает все цехи машино­строительного завода. После опескоструивания деталь обезжири­вается бензином и сушится в течение 10÷15мин.

Пропитка материала смолой. Производится на специальных пропи­точных машинах непрерывного действия или вручную. Перед пропит­кой ткани или ленты просушиваются при температуре 120÷150℃ до получения содержания влаги в них 1,5 % (ОСТ 09-3 - 78). Просушенные материалы хранятся в полиэтиленовых или полихлорвиниловых па­кетах, без упаковки - в печи при температуре 40÷60℃.

Вязкость связующего при пропитке по стандартному вискозимет­ру ВЗ - 4 составляет 40...60с. Измерение ее с помощью названного прибора в соответствии с ГОСТ 9070-75 заключается в следующем:

1-чашечка

2-смола

в чашечку вискозиметра (рис. 44) нали­вается жидкость до необходимого уровня, при этом отверстие закрыва­ют пальцем. Затем открывают отвер­стие, одновременно включают секун­домер и останавливают его после пре­кращения вытекания жидкости сплош­ной струей. Чем больше время вытека­ния, тем больше вязкость жидкости.

Вязкость смолы уменьшают пу­тем добавления растворителя (спирт, ацетон), если вязкость выше нормы и наоборот, доливают неразбавлен­ную смолу, если вязкость низкая.

Машина для механизированной пропитки включает в себя про­питочное устройство и вертикальную теплоизолированную шахту, в которой производится подсушка ткани или ленты (рис. 45).

Рис. 45. Схема пропиточноймашины:

I-металлическая шахта с теплоизоляцией; 2-направляющие ролики; 3 - электронагреватели (ТЭН); 4 - ванна со смолой; 5 - первичная бобина или барабан; 6 - бобина или барабан для намотки пропитанной ткани или ленты

Шахта разбита по высоте как бы на три температурные зоны:

1- температура 20÷40℃ - находится внизу;

2- температура 40÷60℃ - находится в центральной части шахты;

3- максимальная температура 80℃ - находится в верхней ча­сти шахты.

Нужно отметить, что при пропитке строго выдерживается за­данная скорость движения ткани или ленты и температура по зонам. Пропитанные материалы нельзя перегреть, так как при этом про­изойдет частичное или полное отверждение смолы. Обычно пропи­танные материалы не должны послойно слипаться при хранении.

Пропитанные и просушенные материалы хранятся в рулонах, бобинах или катушках в полиэтиленовых мешках в прохладном мес­те зимой и в специальных холодильных камерах летом.

Метод прямого прессования

Рассмотрим метод прямого прессования. Связующим при изготовлении углепластиков являются феноло-формальДегидные или феноло-фурфурольные (фурановые) смолы. Феноло-формальдегид- ная смола имеет старую маркировку - ФН, новую - ЛБС-4.

Здесь можно применить две разновидности формования.

1. Формование в пресс-форме под прессом по схеме, показан­ной на рис. 46.

Кратко технология состоит в том, что раскроенные заготовки уг­леродной ткани, пропитанной в смоле ЛБС-4 определенной величи­ной наноса, укладываются в пресс-форму. Заготовки могут быть зара­нее пропитаны смолой и укладываются в полусухом виде (до отлипа­ния) или пропитываются непосредственно перед укладкой. В процессе выкладки производится предварительная подпрессовка заготовок в пресс-форме с помощью пуансона 2. Затем подается удельное давле­ние от 4 до 15 МПа и, по величине общей площади нагружения, рас­считывается усилие пресса. Производится нагрев пресс-формы элект­рическими нагревателями сопротивления, заделанными в тело пресс- формы, или индукторами. Частота индуктора тем меньше, чем больше размеры пресс-формы, что видно из эмпирической формулы:

где ρэ - удельное электросопротивление, Ом ·м; d - диаметр пресс- формы, см.

На практике для нагрева крупных пресс-форм используют токи промышленной частоты, т. е. 50Гц.

Сначала температура материала доводится до 80℃ (353К), при этом делается выдержка примерно в течение одного - двух часов, при которой происходит удаление воды и других летучих компо­нентов смолы. В это же время материал дает сильную усадку, поэто­му давление пресса корректируется и поддерживается постоянным до достижения максимальной температуры, при которой произво­дится поликонденсация (отверждение) связующего.

Отверждение производится при температуре (155 ± 5)℃ из рас­чета один час на 8 мм толщины материала, но не менее двух часов. При этом поддерживается необходимое давление (14÷15МПа). Пос­ле отверждения производится плавное охлаждение пресс-формы, сна­чала за счет уменьшения электрической нагрузки, а по достижению 80℃ (353К), электропитание выключается и происходит естествен­ное охлаждение. Затем производится разборка холодной пресс-фор­мы, извлечение изделия, подрезка до нужных размеров, неразру­шающий контроль качества материала; определяется содержание смолы, степень отверждения ее, механические и теплофизические характеристики, плотность, производятся другие виды контроля.

2. В некоторых случаях можно производить запрессовку матери­ала в пресс-форму без применения пресса, путем затягивания болтов (рис. 47). Количество болтов и их размеры рассчитываются исходя из обеспечения необходимых показателей давления и прочности.

Рис. 46. Прямое прессование под прессом:

I- подвижный пуансон пресса;

2 - сменный пуансон пресс-формы;

3 - матрица пресс-формы;

4 - прессуемый материал; 5 - нагреватель индукцион­ный или омического сопротивления (ТЭН); 6 - основание пресса

Рис. 47. Беспрессовое формование:

I - пуансон пресс-формы; 2 - прессуе­мый материал; 3 - стягивающие болты:

4 - матрица пресс-формы

Выкладка материала осуществляется как и в первом случае, т. е. при прессовании под прессом. Подпрессовку можно осуществлять пуансоном 1 с помощью затяжки болтов.

Отверждение материала производится в электрических печах сопро­тивления или в аэродинамических. Использование метода удобно тем, что можно отверждать в одной печи сразу несколько пресс-форм.

Так как аэродинамические печи появились недавно (впервые - в бывшем СССР), о них еще мало говорится в литературе и, поэто­му, на принципиальном устройстве их необходимо остановиться.

В основу работы их положен закон возрастания коэффициента вну­треннего трения в газе с повышением температуры, т. е. закон Ньютона:

где ц - коэффициент внутреннего трения, кг/(м с) или Н с/м²; m - масса молекулы, кг; n - количество молекул в единице объема (число Лошмидта), 1/м³; ū- средняя скорость хаотического движения молекул, м; X - длина свободного пробега молекул, м; λ – длина свободного пробега молекул, м.

Скорость молекулы в зависимости от температуры изменяется по закону:

откуда

где к - постоянная Больцмана, кДж/К; Т - абсолютная температура газа, К.

При движении тела в газе между слоями последнего создается касательное напряжение

где dv/dz - градиент скорости направленного или вынужденного дви­жения молекул, 1/с.

Известно, что при трении выделяется тепло, это же будет происхо­дить и в атмосфере печи. Таким образом, если вращать вентилятор в замкнутом объеме, то газ, находящийся там, будет нагреваться.

Схема аэродинамической печи показана на рис. 48.

История появления этих пе­чей анекдотична: пирометристка выключила электронагреватели сопротивления, забыв выключить вентилятор, который перемеши­вал воздух в печи. За ночь печь на­грелась так, что сгорел и отверж­даемый узел и вентилятор.

Как видим, в аэродинами­ческих печах лопасть вентиля­тора одновременно нагревает и перемешивает воздух. Коэффи­циент полезного действия аэродинамических печей примерно в че­тыре раза выше, чем печей сопротивления. В принципе ее нетрудно сделать на любом предприятии. Максимальная допустимая темпе­ратура в таких печах примерно 600℃ (875К).

Опыт эксплуатации аэродинамических печей необходимо широко распространять, особенно в условиях недостатка энергоносителей.

Метод намотки

Этот метод применяется, например, при изготовлении теплозащитного покрытия раструба РДТТ. Предварительно пропитан­ные лаком ЛБС-4 ленты наматываются на жесткую оправку на специ­альных станках с программным управлением, как показано на рис. 49.

Жесткая оправка служит для придания формы изделию и устанавли­вается на специальный намоточный станок. Шпулярник служит для уста­новки бобин с лентой, к нему относятся и натяжные ролики.

В процессе намотки оправка вращается вокруг своей оси и одновременно совершает поступательное движение вместе с суппор­том станка с регулируемой по программе скоростью. Скорость вра­щения составляет от одного до нескольких оборотов в минуту и за­висит от величины изделия.

Иногда суппорт станка является неподвижным, а перемещается шпулярник, но это часто приводит к изменению натяжения ленты и другим неудобствам, вызывающим частые остановки процесса на­мотки. Это объясняется малой массой шпулярника и плохой устой­чивостью его.

Кроме «сухой» применяется еще и так называемая «мокрая» на­мотка. Чаще всего она используется при намотке силовых конст­рукций жгутом или лентой и на эпоксидных связующих. Схема на­мотки показана на рис. 50 (вид сбоку).

В принципе «мокрая» намотка похожа на «сухую», но все даль­нейшие операции после каждой из них отличаются очень сильно.

После «сухой» намотки производится отверждение материала в гидроклавах под избыточным давлением. Автоклав отличается от гидроклава тем, что в качестве рабочего тела используется сухой воздух или азот. Они менее безопасны, но «чище» в работе.

Перед отверждением производится сборка оправки, как пока­зано на рис. 51.

Назначение отдельных элементов.

Оправка. Служит для придания формы наматываемому изделию, изготовлена из обыкновенной стали (ст 03, ст 20 и т. п.). Как прави­ло, пустотелая, снаружи полированная. Есть сообщения о примене­нии надувных оправок.

Смазка ЦИАТИМ-221. Применяется с целью предупреждения прилипания отверждаемого материала к оправке и для облегчения снятия материала с нее. Теплостойка, консистентна.

Целлофан. Предотвращает прилипание обкладных листов к материалу, имеет небольшие отверстия по всей поверхности для вы­хода летучих компонентов.

Обкладные листы. Изготавливаются из мягкого алюминиевого сплава, толщиной 0,5... 1 мм, имеют отверстия по всей площади, слу­жат для формирования наружной поверхности изделия.

Металлическая сетка. Высотой и ячейкой примерно в 5-10мм, создает объем для выхода газообразных продуктов, выделяющихся при отверждении смолы.

Двунитка или мешковина. Служит для предотвращения повреж­дения резинового мешка.

Резиновый мешок. Является гибким формирующим элементом и служит также для сбора летучих компонентов. Этот очень ответ­ственный элемент изготавливается из специальной теплостойкой резины, поставляется в готовом виде или готовится по месту произ­водства пластиков.

Отводные трубки, штуцера и коллектор. Служат для отвода ле­тучих компонентов и воздуха в вакуумный насос.

Вся вакуумная система должна быть герметичной. Материал на собранной оправке может отверждаться и формоваться двумя спосо­бами: вакуумным и гидроклавным (автоклавным). При вакуумном формовании за счет вакуумирования создается наружное давление на материал величиной около одной избыточной атмосферы (0,1 МПа).

Собранная по описанной схеме оправка помещается в печь, если формование вакуумное. Здесь вакуумный коллектор подсоединяет­ся к откачной системе, устанавливаются термопары и далее произ­водится отверждение по заданному режиму.

При гидроклавном или автоклавном методах формования со­здается избыточное давление в несколько десятков атмосфер (не­сколько мегапаскалей). Рабочей жидкостью в автоклавах служит гли­церин, относящийся к тяжелым эфирам. Основные преимущества глицерина перед другими жидкостями состоят в следующем:

высокая температура кипения (290℃ или 563К);

низкая упругость паров при рабочих температурах гидроклава;

очень незначительная растворимость газов в нем;

взрывобезопасен, не возгорается;

низкий коэффициент объемного расширения;

достаточная теплопроводность;

сравнительно невысокая стоимость.

Рис. 49. Схема намотки ленты на оправку «сухим» способом:

1 - жесткая металлическая оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - шпулярник;

4 - бобины или шпули; 5 - натягивающее и контролирующее устройство

Рис. 50. Схема «мокрой» намотки:

1 - шпулярник; 2 - направля­ющие ролики; 3 - бобины или шпули; 4 - пропиточная ван­на;

5 - блок подсушки ленты или жгута; 6 - натяжитель с ре­гулятором; 7 - оправка; 8 - лента или жгут

Рис. 51. Собранная оправка для отверждения:

1 - оправка; 2 - смазка К-21 или ЦИАТИМ-221; 3 - углепластик или другой пластик; 4 - целлофан; 5 - обкладной лист; 6 - металлическая объемноплетенная сетка; 7 - двунитка или мешковина; 8 - резиновый мешок; 9 - штуцер; 10 - отводные трубки; 11 - коллектор; 12 - выход к вакуумной системе.

При гидроклавном формовании оправка помещается в гидро- клав, где также производится подсоединение коллектора к вакуум­ной системе, устанавливаются необходимые первичные преобразо­ватели (термопары, манометры и т. п.). После этого гидроклав зак­рывается и заполняется глицерином из специальной емкости.

Остаточное давление под резиновым мешком, не выше 150 мм рт. ст., поддерживается вакуумными насосами типа ВН-4.

Подъем температуры и давления в гидроклаве осуществляется по заданной программе.

Температурный график представлен на рис. 52.

Максимальное давление в гидроклаве поддерживается равным 50атм или 4-5МПа. Нагрев глицерина осуществляется специаль­ными герметизированными электрическими нагревателями (ТЭН).

Из графика видно, что при температуре 80℃ делается вы­держка примерно в течение двух часов. При этой темпера­туре происходит выделение первичных летучих продуктов: воды, спиртов и других раство­рителей.

Затем температура поднимается до (150 ± 5)℃, если связующим являются фе- ноло-формальдегидные или фу- рановые смолы.

Для углепластиков, служащих в качестве теплозащитного и эро­зионностойкого материала, применяются именно эти смолы. Они име­ют высокое коксовое число (~ 80-90%), но при поликонденсации выделяют много побочных продуктов и имеют значительную усадку (~ 6-8%). Все это обусловливает необходимость их отверждения при повышенном внешнем давлении и одновременном вакуумиро­вании, что, в конечном итоге, помогает избежать повышенной по­ристости и придать материалу достаточную прочность.

Нужно отметить, что эпоксидные смолы, используемые при созда­нии силовых пластиковых конструкций, в процессе полимеризации прак­тически не выделяют летучих компонентов и не дают усадки, поэтому отверждаются в свободном состоянии, т. е. без внешнего давления.

Температуру, после выдержки материала с оправкой при ее уров­не 50℃ (323К), поднимают до 150℃ (423К) с отклонением ± 5℃.

При этой температуре производится выдержка в течение 8 часов, давление в гидроклаве поддерживается равным 40...50 кгс/см² или 4-5МПа. Охлаждение изделия после отверждения смолы осуще­ствляется в гидроклаве при выключенных нагревателях. До температуры 80℃ (353К) нужно, чтобы вакуумные насосы работали и поддерживалось необходимое давление в аппарате.

После этого выключаются вакуумные насосы и компрессоры, и дальше осуществляется свободное охлаждение до температуры 20-35℃. Перед вскрытием гидроклава его освобождают от гли­церина путем перекачивания последнего в другую емкость, отсо­единяют термопары, вакуумную систему и т. п.

Полимеризация эпоксидных смол производится с отвердителями полиэтилен-полиамином или гексаметилендиамином, которые вводят в смолу перед пропиткой лент или жгутов в количестве 5÷15%. Повышение содержания отвердителя приводит к охрупчи­ванию отверждаемого полимера.

Полимеризация связующего, т.е. эпоксидной смолы, произво­дится при температуре 120℃ (393К) в течение 8 часов. Таким обра­зом, углепластик, отвержденный при температуре 155℃ (428К), не претерпевает внутренних изменений, т. е. деструкции.

Нужно отметить, что полимеризация стеклопластика осуществ­ляется без внешнего давления в аэродинамических или электричес­ких печах сопротивления с вытяжной вентиляцией. Объясняется это тем, что при отверждении эпоксидные смолы почти не выделяют ле­тучих компонентов и дают незначительную усадку, что вместе с пред­варительным натягом лент и жгутов при намотке создает естествен­ное давление опрессовки.

По некоторым сведениям из литературы, применяется и такой режим отверждения эпоксидных смол;

– выдержка намотанного изделия в течение 24 часов при ком­натной температуре;

– подъем температуры до 85℃ и выдержка в течение 8-16 часов.

При таком режиме отверждения лучше насыщается смолой элемен­тарное волокно, что способствует повышению адгезии на границе матрица -наполнитель и, в конечном итоге, прочности пластика.

В табл. 22 приведены теплофизические и физико-механические свойства материала УПА-3 (углепластик автоклавного отверждения).

Из таблицы видно, что теплопроводность материала в направ­лении расположения слоев значительно выше ее в направлении, перпендикулярном расположению слоев; прочность на сжатие не­значительно отличается по направлениям.

С повышением температуры вплоть до 2500℃ механические ха­рактеристики возрастают, не сильно понижаясь и при дальнейшем ее увеличении. Степень черноты, т.е. коэффициент излучения изменяется от 0,83 при температуре 1200℃ до 0,92 - при температуре 3000℃.

Указанные свойства углепластиков и характер их изменения обусловливают применение этих материалов при очень высоких тем­пературах.

Тенденция перехода со стеклотекстолитов на углепластики наблюдается не только в отечественной технике, а и за рубежом, на­пример, на МБР типа «ТРАЙДЕНТ», «МХ».

Появление углепластиков стало возможным после создания угле­родных волокон и всевозможных полуфабрикатов на их основе: нитей, жгутов, лент и тканей различного плетения (сатиновое, трикотажное, объемное). Теплозащитные покрытия и конструкции на основе углерод­ных волокнистых материалов позволили повысить несущую способ­ность, эрозионную стойкость изделий, лучше реализовать энтальпий­ные характеристики ТЗП при абляции. Но несмотря на то, что углепла­стики оказались лучше, чем ТЗП на основе асбеста, кварца со связую­щим на основе феноло-формальдегидных и фуриловых (фурфурольных) смол, они все же имеют недостаточную эрозионную стойкость и не пол­ностью реализуют свои высокие энтальпийные характеристики.

С целью повышения эрозионной стойкости углепластиков было предложено «укрепить» эти материалы с по­мощью «корневой системы» на основе тугоплавких материалов. Идея взята из самой окружающей природы: корни деревьев и кустарников укрепляют овраги, склоны, берега рек и т. п. В зависимости от рабо­чей температуры в качестве армирующих материалов могут быть взя­ты молибден, вольфрам и даже стали в виде нитей или проволоки. Так как углепластики применяются в основном в качестве несущего и аблирующего материала выходной части сопла твердотопливного дви­гателя, для армирования используется вольфрамовая нить, толщиной около 80мкм, т. к. вольфрам является тугоплавким материалом. В связи с этим нужно вкратце остановиться на некоторых свой­ствах вольфрамовой нити. Она, как и компактный материал, обладает высокими прочностными свойствами, жесткостью и жаропрочностью. К недостаткам можно отнести высокую плотность (19,3-103 кг/м³) и низкую жаростойкость.

Технология производства нити или проволоки в начальной ста­дии, как и для компактного материала, основана на методах порошковой металлургии, которые подробно будут рассмотрены ниже в соответствующем разделе. Схема ее состоит в следующем:

- холодное прессование штабиков из порошков вольфрама;

- спекание штабиков в водороде;

- прогрев металла с целью сварки состыкованных штабиков при температуре, близкой к температуре плавления, путем пропускания тока.

- высокотемпературная обработка давлением: ротационная ков­ка, прокатка;

- гидростатическое высокотемпературное выдавливание для получения прутковой заготовки;

- волочение с целью получения проволоки диаметром 2,5... 3мм;

- волочение проволоки на барабанных станках при температу­ре 1173...1273К;

- отжиг в газовом пламени, в водороде;

- освобождение от смазки и т. д.;

- окончательная намотка на катушки и упаковка.

Механические свойства вольфрамовой проволоки при повышен­ных температурах приведены в табл. 23.

Таблица 23 Механические свойства вольфрамовой проволоки

Обозначения: σв – прочность при растяжении при нормальном нагружении; σ1, σ 10, σ 100 - то же при длительном нагружении в течение 1, 10, 100 часов соответственно; Е - модуль упругости.

Из табл. 23 видно, что вольфрам в деформированном состоя­нии обладает высокой прочностью на растяжение и длительной прочностью при комнатной и повышенных температурах. Кроме того прочность проволоки из вольфрамовых сплавов при повышенных температурах снижается меньше, чем из чистого вольфрама. Осо­бенно высокими прочностью и жаропрочностью обладает прово­лока из сплава ВР-20, который содержит 20% рения.

Обычно углепластиковые конструкции получают путем намот­ки на оправку лент из угольного волокна. При намотке углеметал- лопластиков применяется дублирование угольной ленты вольфра­мовой. В зависимости от порядка чередования этих лент материалы имеют соответствующую маркировку:

- УМП-1 - через каждые два слоя угольной ткани укладывается один слой вольфрамовой;

- УМП-2 - один слой угольной ткани чередуется с одним слоем вольфрамовой.

В материале УМП-2 УВТ применяется лента в виде углеволь­фрамового трикотажа совместного плетения. Для плетения указан­ных лент используются специальные станки по типу таких, как и для вязания капроновых чулков.

Есть еще одна модификация углеметаллопластика - УМП-3. Как го­ворилось в предыдущих главах, фенольные и фурфурольные смолы хоро­шо воспринимают всевозможные модифицирования. Так, для повышения эластичности УМП, в фенольно-фурфурольное связующее добавляется акрилнитрильный каучук. Характеристики УМП приведены в табл. 24.

Таблица 24 Характеристики умп

Технология изготовления углеметаллопластиков

Технология производства изделий из углеметаллопластиков прак­тически не отличается от таковой для углепластиков. Изделия могут изготовляться как методом намотки, так и прессованием. Применя­ется, как правило, «сухая» намотка или укладка на оправку, в матри­цу или на пуансон. Пропитка угольных материалов (тканей, лент) опи­сана в главе «Углепластики». Вольфрамовая сетка в виде ленты про­питывается на тех же машинах. Перед намоткой на оправку пропи­танную угольную ленту дублируют вольфрамовой сеткой.

Осесимметричные изделия типа конусов или оживальной фор­мы наматываются на оправку, при этом можно получать сразу две детали. Шаг намотки рассчитывается по формуле:

где Н - шаг намотки , мм; 8 - толщина дублированной ленты, мм; β - угол наклона образующей к продольной оси изделия, град.

Если укладка производится вручную в матрицу или на пуансон, количество заготовок по толщине определяется коэффициентом упрессовки, который составляет 0,4-0,5, и размерами технологических при­пусков. После механической намотки оправка собирается в таком же порядке, как и при изготовлении углепластиков. Отверждение произво­дится в гидроклавах при давлениях не ниже 4МПа и температуре (428 ± 5)℃. Прямое прессование производится при давлении 5-15МПа. В некоторых случаях запрессовка производится путем подтяжки болтов до необходимого уровня с учетом упрессовки мате­риала (40-50%)℃. Очень ответственной операцией является механи­ческая обработка углеметаллопластиков (табл. 25). Должны приме­няться резцы с твердосплавной напайкой типа ВК (ВК-6М, ВК-3 и др.).

Таблица 25 Режимы резания

Готовые детали подвергаются неразрушающему ультразвуко­вому контролю, в том числе механизированному.

Углеметаллопластики обладают более высокой эрозионной стойкостью по сравнению с углепластиками, поэтому лучше реали­зуют свои теплофизические свойства (табл. 26).

Таблица 26 Теплофзические свойства углеметалопластиков

Если сравнивать теплофизические характеристики, такие, как теплопроводность и температуропроводность, то углеметаллопласти­ки имеют большие их значения, чем углепластики, т. е. на первый взгляд, первые менее предпочтительны, чем вторые. Однако за счет меньшего уноса углеметаллопластики в массо­вом отношении лучше углепластиков, т. е. конструкции из них легче.

К недостаткам углеметаллопластиков нужно отнести следующее:

- у них хуже формуемость по сравнению с углепластиками, по­этому нужно применять более высокие давления прессования; ме­тод вакуумирования для УМП совсем неприемлем;

- значительно хуже, чем для неармированных вольфрамовой нитью пластиков, обрабатываемость резанием;

- в случае применения вольфрамовой нити расходуется дефи­цитный материал.

Углерод-углеродные композиционные материалы

Среди главных задач развития современной ракетно-косми­ческой техники на первом месте стоит решение проблемы полез­ной нагрузки, доставляемой к цели или выводимой на заданную орбиту, при минимальной стартовой массе ракеты. На втором месте - совершенствование твердотопливных двигателей, на тре­тьем - материалы и на четвертом - технология. Но если хорошо проанализировать, то окажется, что две первые проблемы не мо­гут быть решены без внимания к третьей и четвертой.

Кроме того, создание конструкций из композиционных мате­риалов никак нельзя отделить от технологии. Если говорить о мате­риалах, то ни один из классических материалов не может удовлет­ворить всем требованиям, предъявляемым к конструкциям РКТ, авиации и других областей техники. В последние три - четыре де­сятилетия очень быстро развивается направление в материаловеде­нии - композиционные материалы, сочетающие в себе все лучшие качества входящих и полученных новых компонентов.

В течение последних 10-15 лет начали применяться так называ­емые углерод-углеродные' материалы, т. е. такие, у которых и мат­рица и наполнитель являются углеродными. Обычные углепласти­ки, кроме ракетной техники, уже нашли применение в авиации. Из них изготов­ляются крылья самолетов, пропеллеры и т.п. Часто углепластики применяются в сочетании с другими полимерными пластиками (стек­лопластиками, органопластиками).

Чем вызвано появление углерод-углеродных материалов? Как известно, при очень высоких температурах наилучшим образом мо­гут реализовать эффективную энтальпию углеродные материалы, т. к. они при этом не плавятся, поскольку тройная точка их нахо­дится примерно при температуре 4500К и давлении 10МПа. При создании всех теплозащитных покрытий стремятся к тому, чтобы в связующем было как можно больше углерода, чтобы при работе ТЗП образовался твердый коксовый остаток. Но этот остаток, вследствие удаления продуктов гидролиза и коксования, имеет большую по­ристость, которая обусловливает повышенный эрозионный унос в газовых потоках больших скоростей и температур. Покрытие счи­тается работоспособным, если его пористость, выраженная через газопроницаемость, была меньше 10-17м². В верхнем слое покрытия или эрозионностойкого материала она, конечно, выше.

Как сделать, чтобы она не менялась? Для этого нужно, чтобы в матрице при высоких температурах не происходил процесс коксо­вания, т. е. чтобы этот процесс был осуществлен раньше, при полу­чении эрозионностойкого материала.

Таким материалом и является углерод-углеродный компози­ционный материал (УУКМ), у которого матрицей является плотный кокс или даже графит, а наполнителем - те же углеродные волокна, что и в углепластике. В этом материале матрица и наполнитель име­ют один и тот же химический состав, но находятся в разных формах (фазах). Ценным является и то, что оба компонента КМ имеют оди­наковые или близкие коэффициенты термического расширения и другие физико-химические и теплофизические свойства.

Приведем некоторые из них.

Теплота сублимации Qs = 60000кДж/кг.

Теплопроводность λ= 0,75-0,85Вт/(м К).

Коэффициент термического расширения ɑ = 5∙10⁻⁶ 1/К.

Излучательная способность е = 0,8÷0,9.

Модуль упругости Е = (1,6÷2,2)∙10⁴МПа.

Ниже будут приведены свойства некоторых конкретных углерод - углеродных КМ. Углеродное волокно (УВ) в них сохраняет свои прочностные характеристики вплоть до температуры активной субли­мации > 3000℃ (~ 3300К), а также прочное сцепление с углеродной матрицей, которая также не теряет своей механической прочности.

Углеродная матрица - кокс полимерного связующего или пека, либо пироуглерод, осажденный из газовой фазы или то и другое.

При создании УУКМ много внимания должно уделяться воп­росу совместимости матрицы и наполнителя, плотности каркаса и его структуре, выбору технологических приемов изготовления их. Как и в случае получения других КМ, углерод-углеродные тоже фор­муются вместе с изделием или по форме, близкой к нему.

Существует ряд способов получения изделий из УУКМ. Рассмот­рим некоторые из них:

1. Сначала изготовляются объемные каркасы из углеродных ни­тей или трикотажных сеток по форме изделия на графитовой оправ­ке путем плетения или выкладки и подпрессовки. Иногда первичное формование каркаса производится на стальной оправке, а затем за­готовка переносится на графитовую оправку и помещается в специ­альную печь для насыщения пироуглеродом.

Печь представляет собой закрытый стальной сосуд с контролиру­емой атмосферой, которая сама создается при пиролизе метана или другого углеродсодержащего газа. Стенки стального каркаса обычно футеруются графитовыми блоками. Нагрев осуществляется с помощью графитовых нагревателей сопротивления или индукторов, но тоже с графитовыми нагревателями. Для высокочастотного индукционного нагрева, как правило, применяются машинные генераторы. Нагрев печи осуществляется с контролируемой атмосферой или вакуумом внутри.

После достижения на поверхности каркаса температуры при­мерно 1100℃ (1373К) в печь подается газ метан, который разлага­ется и «оставляет» углерод внутри каркаса по реакции: СН₄→С+2Н₂Т↑.

Выделившийся водород сжигается на выходе из печи (рис. 55).

1 - корпус печи с футеровкой;

2 - нагреватель;

3 - насыщаемый каркас;

4 - устройство подачи метана;

5 - выходной патрубок водорода

Процесс разложения метана на горячей поверхности называет­ся пиролизом. После первого насыщения производится графитация углерод-углеродной заготовки при температуре выше 2500К. Вре­мя графитации определяется температурой, но длится не менее 24 часов. Чем выше температура, тем меньше продолжительность про­цесса графитации. В этом процессе образуется кристаллическая гек­сагональная структура углерода, происходит дальнейшее удаление продуктов разложения углеводородов, уплотнение углеродного вещества и - как следствие - об­разование пор. Поэтому произ­водится многократное насыще­ние пироуглеродом и графи­тация с целью уменьшения по­ристости, повышения плотнос­ти и прочности. Иногда перед последующим насыщением пи­роуглеродом механическим способом снимается более плотная наружная корка, что­бы улучшить доступ метана к более глубоким слоям. В таких случаях размеры насыщаемого каркаса берутся с некоторым припуском. В принципе перед послед­ним насыщением - графитацией, - изделие можно довести до необхо­димых линейных размеров.

Полный цикл производства УУКМ толщиной до 50мм по дан­ному методу составляет примерно 700 часов.

Конечно, изделия из такого материала стоят очень дорого, это как правило, наиболее ответственные детали твердотопливного дви­гателя (вкладыш критического сечения сопла) или головной части.

Так, созданный по указанной технологии углерод-углеродный ма­териал УПА-3 и его модификации позволили с успехом заменить псев­досплавы вольфрама с медью - АВМГ и ВНДС. Для сравнения: плотность АВМГ, содержащего 85% вольфрама, - 18000кг/м³, а УУКМ имеют плотность ρ <2000кг/м³.

2. Второй способ получения углерод-углеродного материала применяется для крупногабаритных конструкций со сравнительно тонкими стенками, не более 20мм. В этом случае УУКМ создаются из углерод­ного волокнистого наполнителя в форме тканей, лент, жгутов и мат­рицы на основе кокса фенольно-формальдегидной или фурфуроль- ной (фурановой) смолы, пека, пироуглерода или пирографита.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ. На металлическую оправку, изго­товленную по форме изделия, наматывается каркас нужной толщины с применением предварительно пропитанной ленты или жгута. Если кар­кас представляет собой конус или слегка оживальную форму, то могут наматываться сразу два каркаса по типу получения углепластиков. Пос­ле намотки оправка помещается в печь, где производится отверждение смолы и образование твердого каркаса. Полученный таким образом каркас обрабатывается по наружной поверхности на токарном станке, разрезается по большему диаметру, и с оправки снимаются два конуса (раструба). Затем эти конуса надеваются на графитовую оправку и по­мещаются в печь с контролируемой атмосферой. Температура в печи поднимается до 1000-1100℃, производится выдержка в течение двух часов или больше в зависимости от толщины стенки. При этом про­исходит карбонизация связующего, т. е. получение углеродного веще­ства - кокса, улетучиваются газообразные составляющие, за счет чего образуется пористый углеродный каркас. Этот каркас в этой же печи насыщается пироуглеродом до полного закрытия пор. Время насыщения составляет несколько суток в зависимости от толщины стенки изделия. Полученные контуры подвергаються механической обработке для получения требуемых размеров и формы детали.

В начале описания было сказано, что таким методом можно получать детали с толщиной до 20 мм, но потеем набора можно создавать изделия с толщиной стенки и до 100мм.

Если менять наполнитель, т.е. применять другое волокно, то по этому же способу можно получать изделия с несколько другими механическими и теплофизическими свойствами, например, воля углеродную ткань с пироуглеродным покрытием. Кроме того, насыщенные пироуглеродом каркасы при необходимости подвергают ещё и графитации при температуре 2500℃ и выше.

В табл. 27 приведены показатели плотности некоторых углерод-углеродных КМ.

Плотности углеродо - углеродных КМ Таблица 27

Есть и другие возможности создания УУКМ. Так, американская фирма SEP создала материал, углеродная матрица которого армирована углеродными волокнами по четырём диагоналям. Объём, занятый нитями, составляет 68-75%. Эта сетка пропитывается пеком, карбонизуется под давлением, затем графитируется. Цикл повторяется несколько раз, полученный материал имеет плотность γ= 2 000кг/м³ . Можно применять и другие смолы, имеющие высокое коксовое число.

Плотность некоторых углеродных матриц:

- кокс феноло-формальдегидный - 1650кг/м³ ;

- кокс фурановой смолы – 1800кг/м³;

- кокс пека – 2100кг/м³ ;

- пироуглерод – 1600-2100кг/м³

Наиболее широко применимы: феноло-формальдегидные, фурфуроло-формальдегидные и фурановые смолы, каменноугольный пек.

Феноло-формальдегид – это продукт поликонденсации фенола с формальдегидом, представляющий собой вязкую жидкость (бакелит) или твёрдое вещество.

Фурфурол

Фурфуроло-формальдегидные смолы – это то же, что и фурановые. В них вместо фенола имеется кольцо фурфурола. Мы сделали некоторое отступление, чтобы показать роль матрицы в УУКМ. Продолжим рассмотрение методов получения этих материалов. Это – ещё один из изотермических методов получения УУКМ.

3. Речь идёт о композиционном материале, в состав которого входят углеродная ткань из нити с пироуглеродным покрытием, кокс феноло-формальдегидной смолы и кокс среднетемпературного каменноуогольного пека.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ. На прессах, обеспечивающих уденьное давление прессования 10-15МПа (100-150кг·с/см²) формуются заготовки ‹сырого› (заполимеризованного) пластика, геометрические размеры которых определяются размерами деталей и величиной упрессовки при термомеханической обработке, осуществляемой при давлении 6МПа (60кг·с/см²) и температуре 1500℃. При этом удаляются летучие вещества и происходит превращение заполимеризованной матрицы в кокс. Этот процесс называется карбонизацией. Заготовки деталей при этом приобретают повышенную пористость. Полученная структура заполняется смолой под давлением 0,5-0,6МПа при температуре 300℃ в течении трёх часов. Окончательная обработка – при температуре 2600℃ с одновременной подпрессовкой до 20МПа. До нужных размеров детали доводятся с помощью механической обработки.

Данная технология близка к технологии получения графита. Конечно, такой вариант технологии УУКМ, очень сложен и применяется редко.

4. Одним из недостатков изотермического метода является то, что, несмотря на применения многократных попыток – насыщения каркасов, плотность по сечению деталей получается неравномерной.

Термоградиентный метод получения углерод – углеродных КМ, устраняющий этот недостаток, применяется для производства толстостенных деталей с центральным отверстием. Схема его представлена на рис. 56.

В варианте (а) через молибденовый или графитовый стержень пропускаеться большой силы ток для получения температуры 1000℃ или 2200℃ в зависимости от того, насыщается ли заготовка пироуглеродом или пирографитом. В варианте (б) частота индуктора подбирается таким образом, чтобы нагревался центральный графитовый стержень. Конечно, при этом нагревается и гильза, но до более низкой температуры. В обоих вариантах она служит теплоизолятором и каналом для прохождения газообразного метана. Отличительной чертой этого метода является наличие градиента температуры направленного внутрь детали, т.е. к нагревателю. Отложение пироуглерода начинается от центра детали, где температура выше, чем снаружи. Таким образом, граница насыщения движется к периферии и закрытия пор не происходит.

Теоретически метод – идеален, но на практике появляется трудность, состоящая в том, что по мере накопления пироуглерода меняется сопротивление нагревателя, по этому нужно увеличить силу тока при омическом нагреве или мощность и частоту генератора – при индукционном.

Процесс осуществляется в восстановительной атмосфере: сначала камера вакуумируется, а при пиролизе метана выделяется водород, который создаёт восстановительную атмосферу и, конечно, непрерывно отводится из объема камеры. Плотность полученного материала в изделиях равна примерно 1800кг/м³. Таким методом можно получать не все изделия, т.к. трудность заключается в создании равномерной температуры по всей детали, особенно, если сечение её в разных местах неодинаковы.

С помощью термоградиентного метода получают детали ракет, которые подвергаются воздействию высокотемпературных скоростных газовых потоков, а так же элементы ТВЭЛов для гомогенных реакторов. В одном элементе имеется внутри делящееся вещество, например, уран или оксид урана, а сверху – замедлитель из углерода. Можно надеяться, что такие ТВЭЛы будут применятся в новых атомных реакторах.

Известно, что скорость уноса УУКМ в газовых потоках понижается с уменьшением межцентрового расстояния между волокнами, т.е. зависит от их ‹упаковки›, плотности и пористрости. Лучшие результаты могут дать волокна с квадратным поперечным сечением. В любом случае скорость абляции УУКМ с пироуглеродной матрицей вдвое меньше, чем с карбонизованной смолой. Высокая прочность УУКМ сохраняется при рабочих температурах деталей ракет, и составляет не ниже 11кгс/мм² (Т˃ 3000℃).

При создании УУКМ нужно правильно выбирать структуру и плотность углеродного каркаса, температуру и скорость осаждения пироуглерода, а так же другие параметры, т.к. вместо пироуглерода можно получить сажу или слишком напряженную конструкцию, неравномерное распределение компонентов, а отсюда – низкие термостойкость, и т.д.

Пластинчатый пирографит

Идеальная кристаллическая структура графита предполагает высокую анизотропию его свойств, но в природе таких структур нет, а обычные природные и искусственные графиты являются поликристаллическими веществами.

Пластинчатый пирографит предполагает близкую к нормальной структуру графита. Она представляет собой гексагональную слоистую структуру, состоящую из плоских шестиугольных сеток, в узлах которой находятся атомы углерода.

Расстояние между атомами углерода в сетке а₀ =1,49Å, а между плоскими сетками

Б=3,49Å (рис.59). Такая структура определяет высокую температуру плавления графита и ярко выраженную анизотропию свойств.

Больше всего в структуре монокристаллического графита приближается пластинчатый пирографит, полученный методом пиролиза углеродсодержащих газов на горячей поверхности.

Обычный пластинчатый пирографит получают путём разложения метана в электровакуумных печах, на графитовой подложке, имеющей температуру 25000С. Нагрев подложки осуществляется прямым пропусканием тока или индукционным методом.

Пирографит осаждается слоями толщиной от 3 до 10мм, но не более, т.к. при больших толщинах возникают сильные внутренние напряжения в материале. Полученный материал отличается высокой плотностью, прочностью и сильно выраженной анизотропией свойств (табл.28)

Свойства пластинчатого пирографита Таблица 28.

Обозначения: Т – температура; λ|| - теплопроводность параллельно слоям; λ┴ - теплопроводность перпендикулярно слоям; Ср- удельная теплоёмкость; σв- прочность при растяжении.

Как видно из таблицы, пластинчатый пирографит обладает высокой анизотропией свойств, что хорошо иллюстрируется его теплопроводностью.

К этому нужно добавить, что омическое сопротивление в направлении, параллельном слоям, примерно в 50 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении (50 Ом·м и 2400Ом·м, соответственно). Твёрдость по Моосу в параллельном направлении к слоям составляет 1, а в перпендикулярном – 4,5 единицы.

Механические свойства, как и для обычного графита, возрастают с повышением температуры: прочность при растяжении составляет 110МПа при нормальной температуре и 350МПа – при температуре 3000К.

Пластинчатый пирографит в последние годы находит широкое применение в ракетной и атомной технике.

Так как из пирографита нельзя получать толстостенные изделия, то они набираются из пластин допустимой толщины и доводятся с помощью механической обработки до нужной формы.

Пирографит может использоваться как экранирующий материал и замедлитель в ядерных ракетных двигателях (ЯРД). Кроме того, пирографит и пироуглерод, полученные по специальной технологии, могут использоватся как полупроводники. На эти свойства углеродных материалов указывал ещё А.Ф. Иоффе в 1919 году. Осаждение таких материалов можно осуществлять в электростатических полях в вакууме.

В заключение нужно отметить, что по типу углерод-углеродных материалов, могут быть созданы и уже создаются пирокарбиды, найдены новые полупроводниковые и сверхпроводящие материалы.

Конечно, все рассмотренные углерод – углеродные материалы и технологии требуют своего совершенства, возможно, появятся и новые.

Карбон

Карбон (углепластики, карбонопластики, от англ. carbon — углерод) — полимерные композитные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450кг/м³ до 2000кг/м³.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, и гораздо легче. По удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например, легированную конструкционную сталь 25ХГСА.

Основные сведения

Основная составляющая часть углепластика — это нити углеродного волокна, состоящего в основном из атомов углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005—0,010мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).

Для придания ещё большей прочности ткани нити углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов:

1.Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250℃ в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.

2.После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах 800÷1500℃. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.

3.Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600—3000℃, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99%.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но при этом обходятся значительно дороже.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоёв используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклонитью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав).

Недостатки

При производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий (в том числе, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеновская, оптическая голография и даже акустический контроль).

Другим серьёзным недостатком углепластиков является их низкая стойкость по отношению к ударным нагрузкам. Повреждения конструкций при ударах посторонними предметами (даже при падении инструмента на неё) в виде внутренних трещин и расслоений могут быть невидимы глазу, но приводят к снижению прочности; разрушение повреждённой ударами конструкции может произойти уже при относительной деформации, равной 0,5 %.

Производство

·Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме (вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.

·Контактное формование. На примере изготовления бампера: берётся металлический исходный бампер, смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания снимается. Это матрица. Затем её смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а может пропитываться кистью или поливом непосредственно в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отверждения, то в печи, если нет, то при комнатной температуре — 25℃). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

·Вакуумная инфузия. На подготовленную матрицу выкладывается углеродная ткань (без пропитки), далее выкладываются технологические слои для равномерного распространения связующего. Под технологический пакет подаётся разрежение. После этого открывается клапан подачи связующего и оно, под действием вакуума заполняет пустоты и пропитывает углеродную ткань.

·Вакуумное формование. Это изменение формы плоских заготовок (листов или плёнок) из термопластичного полимерного материала при повышенных температурах и воздействии вакуума в объёмные формованные изделия. За счёт относительно невысокой стоимости технологической оснастки, данная технология оказывается крайне привлекательной при изготовлении партий изделий от 10 до 5000шт., а иногда и до 30000шт.

·Пултрузия. Технология изготовления высоконаполненных волокном композиционных деталей с постоянной поперечной структурой. В настоящее время активно используется в производстве полимерных композиционных материалов, например, для производства углеродных ламелей (пластин).

·Намотка. Суть технологии заключается в непрерывном наматывании предварительно пропитанного ровинга/ов (стеклянного, углеродного, базальтового, комбинированного) или ленты на предварительно подготовленную форму – мандрель. После намотки необходимого количества слоёв, мандрель с намотанными слоями помещается в нагревательную печь для дальнейшей полимеризации.

·RTM. Сухой армирующий материал укладывается между двух частей герметично закрытой жёсткой оснастки. Связующее низкой вязкости подаётся под давлением в пресс-форму, вытесняя воздух в сторону дренажных каналов до тех пор, пока форма не будет полностью заполнена. Пресс-формы для этой технологии, как правило, изготавливаются из металла с низким КЛТР. Данная технология хорошо подходит для мелкосерийного и серий средних объёмов от 500 до 20 000 изделий в год.

·LFI. Технология LFI (Long Fiber Injection - длинноволоконная инжекция) была разработана немецкой фирмой Krauss Maffei в 1995 году. Характеристика производства: инжекция длинного волокна, процесс используемый для производства компонентов интерьера и экстерьера автомобилей, конструкция которых имеет сложную форму, крупные габариты и окрашенную поверхность класса А. В этом процессе рубленое волокно из ассемблированного ровинга, напыляется в форму (матрицу) с контролируемой температурой. В это же время смешивается жидкий изоцианат и полиол, подаётся совместно с рубленым волокном в матрицу. Все эти компоненты напыляются в форму (матрицу), форма смыкается и заполняются путём расширения полиуретановой пены в результате химической реакции введённых компонентов. Несколько минут спустя, полимеризация закончена и изделие может быть извлечено из матрицы.

·SMC/BMC. Материал нарезается, в соответствии со схемой раскроя, и переносится в пресс-форму, нагретую до рабочей температуры. Пресс-форма смыкается, в результате чего под давлением материал растекается в полости формы и отверждается. В конце цикла изделие извлекается из пресс-формы, и производится его окончательная механическая обработка и окраска (если это необходимо).

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

Композитные материалы (продолжение); Порошковая металлургия

Возвращаясь к предыдущей главе (не хватило максимального объёма главы).

Полимерные композиционные материалы: броневые материалы и конструкции

Для изготовления материалов и конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного высокоэнергетического удара различной интенсивности используют : 1) ткани различной текстуры на основе волокон из ароматических полиамидов (Kevlar, СВМ, Русар, Twaron и др.), сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Spectra, Dyneema и др.) — полимерная текстильная (тканая) броня; 2) органо- и стеклотекстолиты на основе тканей из волокон Kevlar, СВМ, Армос, Русар, стеклянных и их смесей с полимерными и термореактивных (олигоакрилаты, олигомалеинаты, эпоксидные), термопластичных (блоксополимерные, иономерные), эластомерных связующих с высокой энергией разрушения при ударных нагрузках — полимерная композиционная броня; 3) супергибридные полимер-металлические и полимер-керамические межслоевые композиционные материалы — комбинированная броня; 4) нанополимерные материалы на основе полимерных гелей и электроактивных полимеров.

Полимерные текстильные (тканые) броневые материалы

В полимерных текстильных материалах, обеспечивающих защиту от высокоскоростного инденторного воздействия («мягкая» броня) используют многослойные пакеты из тканей (и войлоков) с определенным плетением волокон (текстурой). Наиболее эффективны ткани из волокон со специфической фибриллярной структурой, образующейся на стадии вытяжки из растворов, расплавов, гелей, волокнообразующих полимеров при оптимальной степени вытяжки.

Наибольшее применение в качестве компонентов материалов «мягкой» брони получили волокна из ароматических полиамидов СВМ, Армос, Русар (Россия), Kevlar (DuPont, США), Twaron (Enka, Нидерланды) и волокна из CBMПЭ Spectra (AlliedFibers, США), DYNEEMA (DSM, Нидерланды).

Для многих полимеров в ориентированном состоянии характерна фибриллярная структура с чередованием аморфных и кристаллических участков с периодичностью порядка единиц десятков нм. При вытягивании многих видов волокон наблюдается изменение характера зависимости свойств волокна от кратности вытягивания, что связано с изменением механизма ориентации, разворотом кристаллитов, перестройкой аморфных областей, формированием фибриллярных структур.

Наличие фибриллярной структуры (фибриллы в волокнах Kevlar— стержни из палочкообразных кристаллов диаметром около 50нм, в волокнах из СВМПЭ — шиш-кебабной структуры длиной 50-70мм, длина фибрилл — функция молекулярной массы полимера) является одним из проявлений анизотропии энергетических характеристик волокнообразующих полимеров. Межфибриллярные прослойки в волокнах из гибкоцеппых полимеров (например, из СВМПЭ) имеют большое число цепей, проходящих из одной фибриллы в другую в поперечном направлении. Высокая жесткость макромолекул ароматических полиамидов затрудняет межфибриллярный переход цепей, следствием чего является продольная расщепляемость микрофибрилл со значительной затратой энергии на преодоление межмолекулярного взаиимодействия.

Удержание высокоскоростного удара полимерными волокнами с фибриллярной структурой обеспечивается комплексным механизмом торможения роста трещин: 1)созданием барьеров на пути трещин — фибриллярное расщепление волокон на плоскости с минимальной поверхностной энергией; участием межфибриллярного взаимодействия в перераспределении механических напряжений между структурными элементами волокна и межфазной областью; ветвлением трещин преимущественно в аксиальном направлении, в результате чего поверхность разрушения волокон в сотни раз превосходит площадь их поперечного сечения; участием межфазной области в перераспределении и релаксации напряжений; 2)затуплением вершины трещины вследствие многостадийного протекания релаксацнонных процессов; демпфированием и релаксацией напряжений при создании растущей трещины :поверхностью из-за низкого ЕI волокон; 3) низкой чувствительностью волокон к концентраторам напряжений; 4)сильной фибрилляцией с отщеплением микрофибрилл с поверхности волокон при увеличении деформации, накоплением дефектов.

Обмен энергиями между двумя системами трещин выражается в том, что при предельном расщеплении и проскальзывании структурных элементов волокна относительно друг друга, волокно частично выполняет функцию матрицы вплоть до момента разрыва фибрилл отдельнoro фрагмента. Множественность актов разрушения фиксируется акустической эмиссией, уровень которой более чем в 3 раза выше, чем при разрушении углеродных волокон.

Разрушение волокон практически при всех видах механического нагружения обязательно проходит через стадию межфибриллярного расщепления волокна с последующим обрывом отдельных продольно расположенных структурных элементов.

При разрушении волокон Kevlar49 выделяется вдвое больше энергии, чем при разрушении хрупких волокон. Три четверти этой энергии расходуется на создание развитой поверхности разрушения и деформацию расщепленных волокон. Процесс разрушения высокопрочных арамидных волокон можно классифицировать как обширное аксиальное расщепление, в котором лри статическом нагружении длина трещин примерно в 70 раз превышает диаметр волокна, а в случае усталостного нагружения волокна знакопеременными нагрузками длина трещин примерно в 485 раз превышает диаметр волокна (в 7 раз больше). Такой характер разрушения волокна обусловливает многие важные эксплуатационные свойства, в том числе высокую стойкость к ударному и усталостному пагружению. При импульсном высокоскоростном растяжении для филаментов СВМ, Армос, Тwаroп характерно одноэтапное разрушение, для (филаментов Русар — трехэтапное, что резко повышает стойкость изделий на основе Русар-С, Русар НТ к пенетрации.

Исследования, проведенные на образцах «мягкой» (тканевой) брони из тканей ТСВМ (арт. ДЖ-56319) саржевого переплетения, ткани из волокон Twaron (фирма Akzo Nobel), ткани Twaros (полотно из нитей Twaron 93 текс), изготовленных на основе волокон подшлихтованых, отмытых и гидрофобизированных, показали сложность и многофакторность стойкости «мягкой» брони, которая повышается при увеличении энергоемкости тканевого материала (его прочности и деформируемости). Стойкость брони определяет комплекс свойств (деформируемый объем, его форма, поля нагружений-деформаций, коэффициенты внешнего трения, количество адсорбированной влаги, частота и амплитуда колебаний динамического «гружения, скорости распространения обратимой и необратимой деформаций) и особенно текстуру ткани. Так, искривленность нитей в ткани Twaros полотняного плетения по сравнению с тканью ТСВМ (саржа) с учетом зазора между нитями, зависящего от степени натяжения утка и основы, в 1,25 раза выше.

Важным свойством арамидных нитей (как и многих других волокнистых конструкций) является дискретность их структуры. Каждая нить состоит из множества моноволокон (филаментов). Например, в нити СВМ линейной плотностью 29,4 текс таких филаментов 200. Дискретность структуры определяет высокую стойкость нитей к изгибным напряжениям.

Малый диаметр моноволокон позволяет нитям выдерживать значительные изгибные напряжения без разрушения. В современной бронеодежде используются ткани полотняного, саржевого, сатинового (атлас) переплетения из нитей с линейной плотностью от 14 до 110 текс. Толщина тканых бронепакетов колеблется от 6-7мм (1 класс защиты) до18-20мм (2 класс - предел текстильной брони).

Разработка тканых структур для «мягкой» брони в связи со сложностью процессов, имеющих место при динамических скоростях нагружения и интерпретации результатов испытаний, ориентируется во многом на результаты экспериментальных испытаний, которые позволяют сформулировать некоторые рекомендации:

1) эффективны пакеты из слоев тканей различного типа. Верхние слои первыми принимают на себя высокоскоростной удар и должны обеспечить максимальный отбор энергии индентора. Нижние слои не должны подвергаться пенетрации и минимизировать травмирование организма человека;

2) лицевые слои пакетов пробиваются по механизму «раздавливания», для которых необходимы ткани со структурой, которая эффективно преобразует локальное воздействие индентора в распределенный по объему конус деформации, в котором нити работают, в основном, на растяжение;

3) лицевые «жертвенные» и тыльные слои многослойного текстильного бронепакета целесообразно изготавливать из плотных тканей; толщина тканей средних слоев и количество переплетений на единицу длины нитей утка и основы должны быть меньше, чем у лицевых и тыльных слоев.

Полимерная броня из непропитанных полимерными связующими тканями с определенным плетением волокон применяется в качестве защиты от высокоскоростных ударных нагрузок конструкций вертолетов, самолетов, ГТД (защита конструкций при разрушении разделительных колец турбинных лопаток). Так, кольцевой экран толщиной 38мм, сформированный из 75-100 слоев тканей из полиарамидных волокон, задерживает осколки разрушенного колеса с частотой вращения 6000об/мин из ванадий-никель-хромового сплава.

К преимуществам текстильной брони, при сравнении ее с другими защитными структурами 1-2 класса защиты, следует отнести меньший вес и больший комфорт при эксплуатации изделия. Толщина тканых бронепакетов разных фирм-производителей колеблется от 6-7мм для 1 класса защиты, до 18-20мм — для 2-го. В составе защитных структур могут применяться демпферы различных конструкций для уменьшения травмирования организма человека.

Полимерные композиционные броневые материалы

При разработке материалов, эффективных в качестве защитных от высокоскоростных инденторных воздействий, анализ свойств полимерных композиционных материалов с полимерными волокнами, в том числе непрерывными, и тканями из них в качестве наполнителей (ВПКМ, органоволокниты и органотекстолиты на основе термореактивных или термопластичных связующих, органопластики, органиты), характеризующих их поведение при статических и динамических нагрузках со скоростью деформирования при ударе е* = 10⁻³с⁻¹ (разрушающие напряжения, трещиностойкость, коэффициенты концентрации напряжений, энергоемкость разрушения при ударе и др.), являются лишь первым шагом к оптимизации состава и структуры материалов с требуемой динамической работоспособностью при е* = 10²-10⁴с⁻¹.

Использование ВПКМ различного состава и структуры в качестве броневых материалов имеет ряд особенностей. Пенетрации высокоскоростного индентора в многослойные пакеты из тканей препятствуют волокна, деформирующиеся с растяжением и сжатием и поглощающие энергию удара при разрушении.

Деформации волокнистой фазы ВПКМ, зафиксированной в материале отвержденным, застеклованным связующим, ограничены, что приводит к определенному снижению показателей защитных свойств ВПКМ при воздействии высокоскоростного индентора по сравнению с показателями многослойных тканевых пакетов из волокон Kevlar, CBM, Русар. В то же время легкая формуемость полимерных композиций позволяет: 1) изготавливать защитные изделия с дискретными волокнами сложных фиксированных форм (бронешлемы, бронекаски и др.); 2) использовать ВПКМ с непрерывными волокнами и тканями в качестве наполнителей для бронезащиты от пенетрации инденторами короткоствольного стрелкового оружия, осколков или бронирования транспортных средств; 3) использовать в качестве жестких подложек в различных типах полимер-полимерной, полимер-керамической, полимер-металлической брони.

Для изготовления конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного удара используются органо- и стеклопластики на основе «хрупких» полимерных матриц с высокой энергией разрушения. При высокоскоростном ударном воздействии накопление дефектов в ВПКМ сначала идет отдельно в матрице и волокнах (в матрице и стеклянных волокнах — хаотичная система трещин, в полимерных волокнах накапливаются аксиальные трещины с локальным обрывом фибрилл).

Разрушение полимерных волокон (Kevlar, CBM, Русар, СВМПЭ) при растяжении проходит по межфибриллярному механизму с выровом участков микрофибрилл. При увеличении деформации происходит сильная фибрилляция с отщиплением микрофибрилл с поверхности волокон.

Комбинированные (супергибридные) полимер-металлические и полимер-керамические броневые материалы и конструкции

Полимерные текстильные и композиционные материалы не эффективны для защиты от высокоскоростных (1000-1100м/с) пуль и осколков и низкоскоростных нуль особой конструкции, раздвигающих нити в тканях, пролетающих между нитями, не разрушая их. В этих случаях защита от высокоскоростных ударных воздействий, предотвращение пенетрации защитных материалов осуществляется использованием многослойных комбинированных (супергибридных) защитных конструкций (полимер-металлическая, полимер-керамическая броня). Комбинированная броня основана на использовании различных сочетаний разных типов брони, например, слоев из тканей и металлических или керамических бронеэлементов, слоев из органопластиков с волокнами или тканями из волокон ароматических полиамидов, СВМПЭ с бронеэлементами из металлов или керамики, слоев из тканей и органо (стекло) пластиков.

Разработка комбинированных броневых конструкций — наиболее рациональный путь совершенствования средств защиты 5-6 классов защиты (по ГОСТ Р50744-95), позволяющий оптимизировать их весовые и защитные характеристики. Особенности поглощения энергии высокоскоростного удара различными материалами позволяет разделить защитную конструкцию на функциональные слои, выполняющие специфические задачи:

1) торможение высокоскоростных инденторов, деформация (расплющивание) головной части бронебойного индентора, его разрушение в слоях с высокой вязкостью разрушения, высоким уровнем поглощения энергии высокоскоростного удара (твердые бронежилеты, пластины, слои из металлов, керамик, ВПКМ);

2) остановка индентора (остатков пули, осколков) в слоях, сформированных из полимерных волокон (тканевых пакетах). Жесткие слои из ВПКМ позволяют реализовать высокую прочность при сжатии керамических элементов, наклеенных на их поверхность, а высокая прочность органо- и стеклопластиков — существенно снизить энергию индентора. Низкая плотность полимерных слоев позволяет оптимизировать массу всей многослойной защитной конструкции.

Принцип проектирования комбинированной брони заключается в обеспечении снижения воздействия индентора до такого уровня, при котором после пенетрации индентором части защитной конструкции, его остаточная энергия уже недостаточна для пенетрации оставшихся слоев защитной конструкции. Например, если наружные слои тканевых пакетов изготавливать из высокопрочных волокон малого диаметра (бронежилеты фирмы «ФОРТ Технология»), то увеличивается размер осколков, что усложняет их пенетрацпю. В бронежилетах 5 и 6 классов защиты используются, как минимум, два типа материалов (ткани из полиарамидпых или СВМПЭ — волокон и бронеэлементы из керамики, стали, титана, алюминия). Масса м2 брони со стальными элементами составляет 50-60кг, с керамическими (дороже в 2 раза) — 45-50кг.

С момента своего появления средства индивидуальной бронезащиты проделали огромный путь от стальных кирас и пластин до современных бронежилетов из арамидной ткани со вставками из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) и карбида бора.

Бронежилет 6Б45 военнослужащих армии РФ с бронеплитой «Гранит 5а» из карбида бора

Совершенствование СИБ идёт в направлениях поиска новых материалов, создания композитных и металлокерамических бронеэлементов, оптимизации формы и структуры элементов СИБ, в том числе на микро- и наноуровне, что позволит эффективно рассеивать энергию пуль и осколков. Прорабатываются и более экзотические решения, такие как «жидкая броня» на основе неньютоновских жидкостей.

Наиболее очевидным путём является совершенствование традиционных конструкций бронежилетов за счёт их усиления вставками из перспективных композитных и керамических материалов. В настоящий момент большая часть СИБ укомплектована вставками из термоупрочнённой стали, титана или карбида кремния, но постепенно идёт замена на бронеэлементы из карбида бора, обладающие меньшей массой и существенно большей стойкостью.

Бронеэлементы из карбида кремния

Бронеэлементы из карбида бора

Другим направлением совершенствования СИБ является поиск оптимальной структуры размещения бронеэлементов, которые с одной стороны должны прикрывать максимальную площадь поверхности тела бойца, а с другой стороны не сковывать его движения. В качестве примера, пусть не совсем удачной, но интересной разработки, можно привести бронежилет «Шкура дракона» (Dragon Skin), разработанный и производимый американской фирмой Pinnacle Armor. В бронежилете «Шкура дракона» реализовано чешуйчатое расположение бронеэлементов.

Бронежилет «Шкура дракона»

Скреплённые диски из карбида кремния диаметром 50мм и толщиной 6,4мм обеспечивают удобство ношения данного СИБ за счёт определённой гибкости конструкции и одновременно достаточно большую площадь защищаемой поверхности. Также данная конструкция обеспечивает устойчивость к многократным попаданиям пуль, выпущенных из стрелкового оружия с ближнего расстояния – «Шкура дракона» выдерживает до 40 попаданий из пистолета-пулемёта Heckler & Koch MP5, винтовки M16 или автомата Калашникова

Недостатком бронежилетов «чешуйчатой» схемы расположения бронеэлементов является практически полное отсутствие защиты бойца от запреградной травмы, что приводит к тяжким ранениям или смерти военнослужащих даже без пробития СИБ, вследствие чего бронежилеты данного типа не прошли испытания армии США. Тем не менее они используются некоторыми спецподразделениями и специальными службами США.

Аналогичная «чешуйчатая» схема была реализована в предназначенном для экстремальной защиты от холодного оружия советском бронежилете ЖЗЛ-74, в котором использовались бронеэлементы-диски диаметром 50мм, толщиной 2мм из алюминиевого сплава АБТ-101.

Бронежилет ЖЗЛ-74

Несмотря на недостатки СИБ «Шкура дракона», чешуйчатое расположение бронеэлементов может быть применено в комбинации с другими типами бронезащиты и амортизирующих элементов для уменьшения запреградного воздействия пуль и осколков.

Говоря о материалах, свойства которых во многом определяются структурой, нельзя не упомянуть о разработках в области пенометалла – металлической или композитной металлической пены. Пенометалл может быть создан на основе алюминия, стали, титана, других металлов или их сплавов.

Образец пенометалла

Специалисты разработали стальной пенометалл со стальной же матрицей, заключив его между верхним керамическим слоем и тонким нижним слоем алюминия. Пенометалл толщиной менее 2,5см останавливает бронебойные пули калибра 7,62мм, после которых на задней поверхности остается лунка менее 8мм.

Кроме всего прочего, пенометаллическая пластина эффективно снижает воздействие рентгеновского, гамма- и нейтронного излучения, а также защищает от огня и тепла вдвое лучше обычного металла.

Другой материал с полой структурой – сверхлёгкая форма пенометалла, создан компанией HRL Laboratories совместно с Boeing. Новый материал в сто раз легче пенопласта – он на 99,99% состоит из воздуха, но обладает крайне высокой жёсткостью. По утверждению разработчиков, если этим материалом покрыть яйцо, и оно упадёт с высоты 25-ти этажей, то не разобьётся. Полученный пенометалл настолько лёгок, что может лежать на одуванчике.

В прототипе используются полые никелевые трубки, соединённые между собой, структура расположения которых похожа на структуру человеческих костей, что позволяет материалу поглощать много энергии. Толщина стенки каждой трубки составляет порядка 100 нанометров. Вместо никеля в перспективе могут применяться другие металлы и сплавы.

Данный материал или его аналог, как и вышеупомянутый структурированный полимерный материал, могут быть рассмотрены для применения в перспективных СИБ в качестве элементов лёгкого и прочного амортизирующего подпора, предназначенного для минимизации повреждений, наносимых организму запреградным воздействием пуль.

Одним из самых перспективных материалов, которому прочат широкое применение в различных отраслях промышленности XXI века, является графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Испанские специалисты разрабатывают бронежилет, в основе которого лежит графен.

Двумерный углерод против пуль

Бронеэлементы из графена предположительно будут значительно прочнее кевларовых и будут комбинироваться с керамической бронёй для получения наилучшего результата. Наибольшую сложность представляет производство графена в промышленных количествах.

В конце 2007 года израильские ученые создали самовосстанавливающийся материал на основе наночастиц дисульфида вольфрама (соль металла вольфрама и сероводородной кислоты). Наночастицы дисульфида вольфрама представляют собой слоистое фуллерено-подобное или нанотубулярное образование. Нанотубулены обладают рекордными механическими характеристиками, принципиально недостижимыми для других материалов, удивительной гибкостью и прочностью, находящейся на грани прочности ковалентных химических связей.

Электронно-микроскопическое изображение и модель строения многостенной нанотрубки дисульфидов молибдена и вольфрама

Возможно, что в перспективе бронежилеты с наполнением из данного материала могут превзойти по характеристикам все другие существующие и перспективные образцы СИБ.

Концепт экипировки «Ратник-3»

Простейшую неньютоновскую жидкость может сделать практически любой – достаточно смешать крахмал с водой, с бронежилетами всё, конечно, сложнее.

Существуют различные виды композитной брони, например, слоистая броня, которая состоит из наружного слоя, выполненного из керамики или сплава с твердостью выше 27HRC, промежуточного сло C и тыльного слоя из полимерного композиционного материала. Все три слоя связаны между собой полимерным намоточным композиционным материалом. Недостатками такой композитной брони являются большой вес, низкая эксплуатационная надежность и малая живучесть конструкции. Обусловлено всё это тем, что при падении, ударах или вибрациях происходит отслоение керамического слоя брони от остальных её слоев, что приводит к резкому снижению её баллистической стойкости. В настоящее время наибольший интерес представляет композитная броня с дробяще - отклоняющим слоем. Дробяще-отклоняющий слой состоит из отдельных плотно упакованных керамических элементов. Такую броню ещё называют дисперсной композиционнокерамической бронёй, или композитной бронёй. Конструктивно такая композитная броня состоит из дробяще-отклоняющего и задерживающего слоёв (рисунок 1)

Основу такой брони составляет дробяще-отклоняющий слой, который состоит из отдельных высокопрочных керамических элементов, в частности, корундовых элементов, твердость которых превышает твёрдость сердечника бронебойной пули. Выполнены керамические элементы в виде цилиндров с выпуклыми торцами, оси которых расположены по нормали к наружной поверхности брони. Керамические элементы плотно упакованы в один слой и соединены в единую панель посредством связующего состава на основе полимеров, например, полиуретанового полимера.

При попадании пули в один из керамических элементов дробяще-отклоняющего слоя брони или между ними происходит разрушение пули, самого керамического элемента и близлежащих керамических элементов на осколки. Энергия удара при этом расходуется не только на разрушение пули и керамических элементов, но и на перемещение остальных керамических элементов в плоскости брони за счёт частичного преобразования осевого ударного импульса в импульс в плоскости брони ввиду выпуклости торцов цилиндрической части керамических элементов. Наиболее критичный вариант взаимодействия пули с керамическим элементом соответствует попаданию пули по центру керамического элемента. Именно такой гипотетический вариант взаимодействия рассматривался авторами этой статьи в расчётной части данной работы. Предполагалось, что керамический элемент не разрушается, а масса пули полностью соединяется с массой керамического элемента, который далее воздействует на задерживающий слой брони. Задерживающий слой брони препятствует проникновению осколков пули, осколков разрушенных керамических элементов и целых керамических элементов.

Задерживающий слой может быть выполнен на основе армидных (Кеу1аг) или полиэтиленовых волокон (Бупееша) и полимерной матрицы, что обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули. Недостаток композитной брони с таким задерживающим слоем состоит в том, что материалы на основе армидных и полиэтиленовых волокон являются слишком дорогостоящими.

Использование в конструкции данного вида композитной брони в качестве задерживающего слоя более дешевых конструкционных материалов, например алюминиевых сплавов или сталей, имеет свои конструктивные особенности. Так в ходе работы экспериментально было установлено, что плотное прилегание дробяще-отклоняющего слоя к задерживающему слою, выполненному из этих материалов, само по себе неэффективно. Объясняется это тем, что эти материалы имеют высокий модуль упругости при поперечном сжатии, что ограничивает перемещение керамического элемента, в результате чего рассеивание энергии пули невелико, а сам керамический элемент действует на задерживающий слой брони с большой силой, как пробойник, и вместе с пулей пробивает броню. Для устранения этого недостатка было предложено конструктивно обеспечить зазор между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями (см. рисунок 1). Наличие зазора между вышеуказанными слоями даёт некоторую свободу перемещения керамическому элементу под действием пули. В частности, возможность некоторого разворота керамического элемента в поперечном направлении до его контакта с задерживающим слоем, в результате чего он эффективнее приводит в движение (расталкивает) смежные элементы, что, в свою очередь, обеспечивает лучшее рассеивание энергии пули, что было подтверждено соответствующими испытаниями. Таким образом, задача по использованию дешевых материалов для задерживающего слоя, в частности, может быть решена конструктивным путём за счёт обеспечения зазора между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями или за счёт размещения между ними прослойки из материала с модулем упругости при сжатии менее 40ГПа (рисунки 1 и 4).

Рассмотренная композитная броня обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули, однако она имеет недостаточно высокий уровень живучести, так как способна обеспечивать защиту от бронебойных пуль только определённого, небольшого калибра. Этот недостаток объясняется следующими конструктивными особенностями брони. Так, для защиты от бронебойных пуль большого калибра требуется увеличение размеров керамических элементов дробяще-отклоняющего слоя брони, а именно диаметра их цилиндрической части. Однако увеличение диаметра цилиндрической части керамических элементов приводит к увеличению размеров полости (зазора), которая имеет место быть между каждыми тремя соседними керамическими элементами, прилегающими друг к другу своими цилиндрическими поверхностями с образованием указанной полости (рисунок 2).

Чем больше калибр пули, тем большего диаметра требуются керамические элементы, и тем больше будут размеры указанной полости. Через эти полости композитной брони возможно проникновение бронебойных пуль меньшего калибра, чем те пули большого калибра, на которые рассчитана броня. Причём защитные свойства брони в местах, где расположены полости существенно снижаются и при попадании в них пуль большого калибра, снижая живучесть брони в целом.

Задача повышения уровня живучести брони в плане обеспечения её защитных свойств как при использовании против неё бронебойных пуль мелкого калибра, например 5.45, так и крупного калибра, например 12.7 , 14.5, может быть решена чисто конструктивными мероприятиями. Так, каждый керамический элемент конструктивно может быть выполнен с расположенным в его верхней части шестигранным поясом. При этом окружность основания верхнего торца цилиндрической части керамического элемента является вписанной в поперечное сечение шестигранного пояса, а каждая грань шестигранного пояса сопряжена с соответствующей гранью соседних шестигранных поясов керамических элементов (рисунки 3 и 4).

Рисунок 2 — Керамические (корундовые) элементы дробяще-отклоняющего слоя: 1- полость (зазор) между каждой тройкой соседних керамических элементов

Рисунок 3 — Композитная броня. Вид сверху. Керамические элементы выполнены с шестигранными поясами

В этом случае, как видно на рисунке 3, упомянутые полости, через которые возможно проникновение пуль малого диаметра, перекрываются углами шестигранных поясов. Таким образом, шестигранные пояса и сопряжение их граней без образования зазоров позволяют перекрыть полости, образующиеся между цилиндрическими частями каждой тройки соседних керамических элементов и тем самым исключить проникновение бронебойных пуль небольшого калибра через дробяще-отклоняющий слой.

Рисунок 4 – Композитная броня, поперечное сечение. 1- дробяще-отклоняющий слой, 2- прослойка из материала с модулем упругости на сжатие менее 40ГПа или зазор, 3- задерживающий слой, 4- керамический элемент, 5- связующий состав, полиуретановый полимер, 6- верхний торец керамического элемента, выпуклой формы, 7- шестигранный пояс керамического элемента, 8- основной внешний слой из специальной высокопрочной арамидной ткани из нитей «Русал», СВМ, Армос и др., 9- дополнительный внутренний слой из той же ткани, что и основной внешний слой, 10- осесимметричная полость для снижения массы керамического элемента

Однако полученная сплошная (без зазоров) поверхность из шестигранных поясов керамических элементов создаёт проблему технологического характера. Эта проблема связана с тем, что через закрытые шестигранными поясами полости производилась заливка в них связующего состава для соединения керамических элементов между собой. Чтобы сохранить возможность такой заливки, вдоль рёбер шестигранных поясов могут быть выполнены закругления или срезы, которые позволяют создать небольшой зазор, порядка двух миллиметров, для заливки связующего состава. Причём задавая определённый радиус закругления или величину среза можно получать нужные размеры зазора для заливки связующего состава. Размеры зазора не должны превышать размеры диаметра сердечника бронебойной пули. Важно отметить, что шестигранный пояс может быть выполнен по всей длине цилиндрической части керамического элемента, т.е. фактически цилиндрическая часть керамического элемента в целом выполнена в виде шестигранного пояса (шестигранника). В этом варианте конструктивного выполнения керамических элементов упомянутые полости фактически отсутствуют, так как в них полностью размещаются углы шестигранников. Ввиду отсутствия полостей снимается проблема, связанная с выполнением зазоров для заливки через них связующего состава. Однако связующий состав необходим не только для того, чтобы связать керамические элементы между собой в единую панель, но и для того, чтобы снизить продольные ударные нагрузки между керамическими элементами при воздействии на них пули и тем самым сузить зону их разрушения. Поэтому при выполнении керамических элементов целиком в форме шестигранников они должны сопрягаться между собой с небольшим зазором, в котором и размещается необходимый связующий состав (рисунок 5).

Рисунок 5 - Поперечное сечение керамических элементов, выполненных в форме шестигранников: 1- поперечное сечение керамического элемента, 2-зазор между керамическими элементами, 3- связующий состав

Рисунок 6 - Композитная броня, поперечное сечение: 1- дробяще-отклоняющий слой, 2- прослойка из материала с модулем упругости на сжатие менее 40ГПа или зазор, 3- задерживающий слой, 4- керамический элемент, 5- связующий состав, полиуретановый полимер, 6- верхний торец керамического элемента выпуклой формы, 7- шестигранный пояс керамического элемента, 8- нижний торец керамического элемента выпуклой формы

Введение шестигранных поясов в конструкцию керамических элементов естественно вызывает увеличение их массы. Чтобы при необходимости компенсировать это увеличение массы, предусмотрено выполнение в каждом керамическом элементе со стороны его нижнего торца продольной осесимметричной полости (рисунок 4), или обработка его цилиндрической части с меньшим диаметром d , чем диаметр D окружности основания выпуклого верхнего торца керамического элемента (рисунок 6), или выполнение и того и другого вместе.

Ещё одна проблема, которая также может быть решена конструктивно, связана с живучестью брони, которая существенно снижается при использовании брони при низких температурах, порядка -40, -50℃. Это связано с тем, что при низких температурах связующий состав керамических элементов теряет свои свойства, ослабляя живучесть брони.

Для обеспечения стойкости и живучести брони при пониженных температурах в её конструкцию введены слои: основной внешний слой и дополнительный внутренний слой из специальной высокопрочной арамидной ткани из нитей «Русал», СВМ, Армос и др., обладающей высокой прочностью и низким удельным весом (рисунок 4). Основной внешний слой из высокопрочной ткани устанавливается сразу после заливки полиуретанового связующего состава на верхнюю поверхность керамических элементов брони, при этом происходит адгезия основного внешнего слоя ткани с полиуретановым связующим составом. Дополнительный внутренний слой устанавливается под керамическими элементами, которые установлены на нём. Основной внешний и дополнительный внутренний слои связывают своими поверхностями связующий состав (полиуретан), которым залиты керамические элементы, и тем самым не дают распасться связующему составу (полиуретану) на мелкие части, что характерно для него при пониженной температуре. Таким образом, сохраняется работоспособность связующего состава, а значит, стойкость, и живучесть брони в целом при пониженных температурах, как показывают испытания до -50℃. При этом и сами по себе слои, выполненные из высокопрочной ткани, обладая высокой прочностью, компенсируют потери прочности брони из-за низких температур.

Рассмотрены конструктивные особенности композитной брони и предложены конструктивные варианты её исполнения, которые обеспечивают возможность использования брони для крупных калибров бронебойных пуль, сохраняя весовые характеристики и защитные свойства от бронебойных пуль меньшего калибра и одновременно расширяя диапазон её рабочих температур при сохранении требуемого уровня защитных свойств. Таким образом, конструктивно решается задача создания композитной брони повышенной живучести для обеспечения её защитных свойств в случаеприменения более широкого диапазона калибров бронебойных пуль, и для расширения диапазона её рабочих температур.

В начале Второй мировой в поражающих свойствах боеприпасов произошла революция: появились кумулятивные снаряды. В 1941 году Hohlladungsgeschoss («снаряд с выемкой в заряде») начали применять немецкие артиллеристы, а в 1942-м и в СССР был принят на вооружение 76-мм снаряд БП-350А, разработанный после изучения трофейных образцов. Так были устроены и знаменитые фауст-патроны. Возникла проблема, не разрешимая традиционными способами из-за неприемлемого увеличения массы танка.

В головной части кумулятивного боеприпаса сделана коническая выемка в виде облицованной тонким слоем металла воронки (раструбом вперед). Детонация взрывчатого вещества начинается со стороны, ближайшей к вершине воронки. Детонационная волна «схлопывает» воронку к оси снаряда, а поскольку давление продуктов взрыва (почти полмиллиона атмосфер) превышает предел пластической деформации обкладки, последняя начинает вести себя как квазижидкость. Такой процесс не имеет ничего общего с плавлением, это именно «холодное» течение материала. Из схлопывающейся воронки выдавливается тонкая (сравнимая с толщиной оболочки) кумулятивная струя, которая разгоняется до скоростей порядка скорости детонации ВВ (а иногда и выше), то есть около 10км/с и более. Скорость кумулятивной струи существенно превышает скорость распространения звука в материале брони (порядка 4км/с). Поэтому взаимодействие струи и брони происходит по законам гидродинамики, то есть они ведут себя как жидкости: струя вовсе не прожигает броню (это широко распространенное заблуждение), а проникает в нее, подобно тому как струя воды под давлением размывает песок.

Первой защитой от кумулятивных боеприпасов стало применение экранов (двухпреградной брони). Кумулятивная струя формируется не мгновенно, для ее максимальной эффективности важно взорвать заряд на оптимальном расстоянии от брони (фокусное расстояние). Если перед основной броней поместить экран из дополнительных листов металла, то подрыв произойдет раньше и эффективность воздействия снизится. Во время Второй мировой для защиты от фаустпатронов танкисты крепили на свои машины тонкие металлические листы и сетчатые экраны (распространена байка об использовании в этом качестве панцирных кроватей, хотя в реальности применялись специальные сетки). Но такое решение было не слишком эффективным — прирост стойкости составлял в среднем всего 9−18%.

Поэтому при разработке нового поколения танков (Т-64, Т-72, Т-80) конструкторы применили другое решение — многослойную броню. Она состояла из двух слоев стали, между которыми помещался слой малоплотного наполнителя — стеклопластика или керамики. Такой «пирог» давал выигрыш в сравнении с монолитной стальной броней до 30%. Однако этот способ был неприменим для башни: у этих моделей она литая и поместить внутрь стеклопластик сложно с технологической точки зрения. Конструкторы ВНИИ-100 (ныне ВНИИ «Трансмаш») предложили вплавлять внутрь башенной брони шары из ультрафарфора, удельная струегасящая способность которого в 2−2,5 раза выше, чем у броневой стали. Специалисты НИИ стали выбрали другой вариант: между внешним и внутренним слоями брони помещались пакеты из высокопрочной твердой стали. Они принимали на себя удар ослабленной кумулятивной струи на скоростях, когда взаимодействие происходит уже не по законам гидродинамики, а в зависимости от твердости материала.

Хотя затормозить кумулятивную струю достаточно непросто, она уязвима в поперечном направлении и легко может быть разрушена даже слабым боковым воздействием. Поэтому дальнейшее развитие технологии состояло в том, что комбинированная броня лобовых и бортовых частей литой башни образовывалась за счет открытой сверху полости, заполненной сложным наполнителем; сверху полость закрывалась приварными заглушками. Башни такой конструкции применялись на более поздних модификациях танков — Т-72Б, Т-80У и Т-80УД. Принцип действия вставок был разным, но использовал упомянутую «боковую уязвимость» кумулятивной струи. Такую броню принято относить к «полуактивным» системам защиты, поскольку в них используется энергия самого средства поражения.

Один из вариантов таких систем — ячеистая броня, принцип действия которой был предложен сотрудниками Института гидродинамики Сибирского отделения АН СССР. Броня состоит из набора полостей, заполненных квазижидким веществом (полиуретан, полиэтилен). Кумулятивная струя, попав в такой объем, ограниченный металлическими стенками, генерирует в квазижидкости ударную волну, которая, отражаясь от стенок, возвращается к оси струи и схлопывает каверну, вызывая торможение и разрушение струи. Такой тип брони обеспечивает выигрыш по противокумулятивной стойкости до 30−40%.

Еще один вариант — броня с отражающими листами. Это трехслойная преграда, состоящая из плиты, прокладки и тонкой пластины. Струя, проникая в плиту, создает напряжения, приводящие сначала к местному вспучиванию тыльной поверхности, а затем к ее разрушению. При этом происходит значительное вспучивание прокладки и тонкого листа. Когда струя пробивает прокладку и тонкую пластину, последняя уже начала движение в сторону от тыльной поверхности плиты. Поскольку между направлениями движения струи и тонкой пластины имеется некоторый угол, то в какой-то момент времени пластина начинает набегать на струю, разрушая ее. В сравнении с монолитной броней той же массы эффект от использования «отражающих» листов может достигать 40%.

Следующим усовершенствованием конструкции был переход на башни со сварной основой. Стало ясно, что разработки по увеличению прочности катаной брони более перспективны. В частности, в 1980-х годах были разработаны и готовы к серийному производству новые стали повышенной твердости: СК-2Ш, СК-3Ш. Применение башен с основой из проката позволило повысить защитный эквивалент по основе башни. В результате башня для танка Т-72Б с основой из проката обладала увеличенным внутренним объемом, рост массы составил 400кг по сравнению с серийной литой башней танка Т-72Б. Пакет наполнителя башни выполнялся с применением керамических материалов и стали повышенной твердости или из пакета на основе стальных пластин с «отражающими» листами. Эквивалентная бронестойкость стала равна 500−550мм гомогенной стали.

Тем временем технологии в области кумулятивных боеприпасов продолжали совершенствоваться. Если в годы Второй мировой войны бронепробиваемость кумулятивных снарядов не превышала 4−5 калибров, то позднее она значительно выросла. Так, при калибре 100−105мм она уже составляла 6−7 калибров (в стальном эквиваленте 600−700мм), при калибре 120−152мм бронепробиваемость удалось поднять до 8−10 калибров (900−1200мм гомогенной стали). Чтобы защититься от этих боеприпасов, требовалось качественно новое решение.

Работы над противокумулятивной, или «динамической», броней, основанной на принципе контрвзрыва, велись в СССР с 1950-х годов. К 1970-м ее конструкция уже была отработана во ВНИИ стали, но принять ее на вооружение мешала психологическая неподготовленность высокопоставленных представителей армии и промышленности. Убедить их помогло только успешное применение израильскими танкистами аналогичной брони на танках М48 и М60 в ходе арабо-израильской войны 1982 года. Поскольку технические, конструкторские и технологические решения были полностью подготовлены, основной танковый парк Советского Союза был оснащен противокумулятивной динамической защитой (ДЗ) «Контакт-1» в рекордный срок — всего за год. Установка ДЗ на танки Т-64А, Т-72А, Т-80Б, и без того уже обладавшие достаточно мощным бронированием, практически одномоментно обесценила существовавшие арсеналы противотанкового управляемого вооружения потенциальных противников.

При пробитии элемента ДЗ кумулятивной струей взрывчатое вещество, находящееся в нем, детонирует и металлические пластины корпуса начинают разлетаться. При этом они пересекают траекторию струи под углом, постоянно подставляя под нее новые участки. Часть энергии расходуется на пробитие пластин, а боковой импульс от соударения дестабилизирует струю. ДЗ снижает бронепробивные характеристики кумулятивных средств на 50–80%. При этом, что очень важно, ДЗ не детонирует при обстреле из стрелкового оружия. Применение ДЗ стало революцией в защите бронетехники. Появилась реальная возможность воздействовать на внедряющееся поражающее средство так же активно, как до этого оно воздействовало на пассивную броню.

Кумулятивный снаряд — не единственное средство поражения бронетехники. Гораздо более опасные противники брони — бронебойные подкалиберные снаряды (БПС). По конструкции такой снаряд прост — он представляет собой длинный лом (сердечник) из тяжелого и высокопрочного материала (обычно это карбид вольфрама или обедненный уран) с оперением для стабилизации в полете. Диаметр сердечника намного меньше калибра ствола — отсюда и название «подкалиберные». Летящий со скоростью 1,5−1,6км/с «дротик» массой в несколько килограммов обладает такой кинетической энергией, что при попадании способен пробивать более 650 мм гомогенной стали. Причем описанные выше способы усиления противокумулятивной защиты практически не влияют на подкалиберные снаряды. Вопреки здравому смыслу, наклон броневых листов не только не вызывает рикошет подкалиберного снаряда, но даже ослабляет степень защиты от них! Современные «срабатывающиеся» сердечники не рикошетируют: при контакте с броней на переднем конце сердечника образуется грибовидный оголовок, играющий роль шарнира, и снаряд доворачивается в сторону перпендикуляра к броне, сокращая путь в ее толще.

Схема работы кумулятивной защиты «Нож»

Следующим поколением ДЗ стала система «Контакт-5». Специалисты НИИ стали проделали большую работу, решив множество противоречивых проблем: ДЗ должна была давать мощный боковой импульс, позволяющий дестабилизировать или разрушить сердечник БОПС, взрывчатое вещество должно было надежно детонировать от низкоскоростного (по сравнению с кумулятивной струей) сердечника БОПС, но при этом детонация от попадания пуль и осколков снарядов исключалась. С этими проблемами помогла справиться конструкция блоков. Крышка блока ДЗ выполнена из толстой (около 20 мм) высокопрочной броневой стали. При ударе в нее БПС генерирует поток высокоскоростных осколков, которые и детонируют заряд. Воздействие на БПС движущейся толстой крышки оказывается достаточным, чтобы снизить его бронепробивные характеристики. Воздействие на кумулятивную струю также увеличивается по сравнению с тонкой (3мм) пластиной «Контакт-1». В результате установка ДЗ «Контакт-5» на танки повышает противокумулятивную стойкость в 1,5−1,8 раза и обеспечивает повышение уровня защиты от БПС в 1,2−1,5 раза. Комплекс «Контакт-5» устанавливается на российские серийные танки Т-80У, Т-80УД, Т-72Б (начиная с 1988 года) и Т-90.

Последнее поколение российской ДЗ — комплекс «Реликт», также разработанный специалистами НИИ стали. В усовершенствованных ЭДЗ удалось устранить многие недостатки, например недостаточную чувствительность при инициировании малоскоростными кинетическими снарядами и некоторыми типами кумулятивных боеприпасов. Повышенная эффективность при защите от кинетических и кумулятивных боеприпасов достигается за счет применения дополнительных метательных пластин и включения в их состав неметаллических элементов. В результате бронепробиваемость подкалиберными снарядами снижается на 20−60%, а благодаря возросшему времени воздействия на кумулятивную струю удалось добиться и определенной эффективности по кумулятивным средствам с тандемной боевой частью.

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Известный металловед М.Ф. Бальшин как-то сказал: «Порошко­вая металлургия столь же древнее творение человека, как и египет­ские пирамиды, и, вместе с тем, она столь же современна, как и реактивный самолет».

Как метод порошковая металлургия существует примерно 170 лет. Основателем ее в России считается Петр Григорьевич Соболевский, который открыл возможность получения платины из порошков. Она относится к тем областям науки и техники, которые после своего возникновения часто оказывались забытыми и возрождались спус­тя много лет.

Этот метод сочетает в себе элементы металлургического производ­ства (порошки), машиностроительного (изделия) и керамического (спе­кание). Сначала эту отрасль называли металлокерамикой, хотя об этом как-то стали забывать. Интенсивное развитие порошковая металлургия получила в последние десятилетия. Но уже в 20-е годы были созданы твердые сплавы на основе карбида вольфрама, а в период второй миро­вой войны порошковая металлургия занимала немаловажное место в создании боеприпасов, инструмента.

Технология порошковой металлургии с присущими ей исклю­чительными возможностями в управлении структурой и свойства­ми материалов способствовала созданию новых КМ.

Практика изготовления порошков и спеченной металлической губки (крицы) с переработкой в компактные изделия уходит в глу­бокую древность (бронза, около 5000 лет до н. э.).

Но древняя порошковая и губчатая металлургия была освоена че­ловеком как источник получения металлических изделий вообще, т.к. других возможностей у него просто не было. С появлением новых металлургических процессов эта технология была забыта полностью или частично и вернулась к нам в новом качестве и с новыми задачами.

Появилась возможность и необходимость синтеза новых ком­позиционных материалов, применение которых позволило резко по­высить прочность, жаропрочность, усталостную прочность, жест­кость, вязкость разрушения конструкций. Кроме того, это позволи­ло регулировать в широких пределах теплофизические, электричес­кие, магнитные и другие свойства материалов, в чем нуждаются все без исключения отрасли современной техники.

Основные направления, в которых порошковая металлургия мо­жет успешно конкурировать с другими:

- возможность изготовления изделий практически без механи­ческой обработки;

- получение сплавов и композиций с уникальными свойства­ми, которые нельзя получить обычными методами литья, (КМ, дис­персно-упрочненные сплавы, псевдосплавы, пористые материалы и т. п.).

Технологический процесс получения изделий из порошков со­стоит из следующих основных операций:

- получение порошков;

- формование изделий из порошков;

- спекание отформованной заготовки;

- окончательная обработка, доводка до нужных размеров;

- контроль.

В реальных условиях в зависимости от требований, предъяв­ляемых к изделию, и технологических возможностей могут быть от­клонения от общей схемы, например вторая и третья операции при горячем способе формования совмещаются.

Свойства материалов в значительной степени определяются качеством исходного сырья. Этим сырьем являются порошки метал­лов, тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и т. д.), сплавов с размерами частиц от 1 до 800мкм.

Основными исходными характеристиками порошков являются:

- насыпная плотность, определяемая взвешиванием определен­ного объема;

- текучесть, которая аналогично вязкости характеризуется ско­ростью высыпания из стандартной емкости с отверстием (типа при­бора ВЗ-4);

- пикнометрическая плотность, определяемая также взвешива­нием, но в жидкости, характеризует плотность самих частиц, т. к. в них могут быть пустоты и т. п.;

- критерий Фишера, определяется на спрессованной таблетке по величине сорбции паров жидкости;

- прессуемость и формуемость.

На свойства конечного продукта существенное влияние оказыва­ют гранулометрический состав порошка, макро и микроструктура ча­стиц, их форма, состояние поверхности и т. п. Определяют также спекаемость при различных температурах в лабораторных условиях, после чего полученные режимы переносят в технологический процесс.

Конечно, объем необходимых анализов зависит от назначения выпускаемых изделий.

Методы получения и свойства металлических порошков

Поведение порошков при прессовании и спекании определя­ется свойствами исходного материала, зависящими от различных факторов, и в первую очередь, от методов его получения. От этого зависят не только характеристики конечных изделий, но зачастую и возможности применения в их производстве конкретных техно­логических приемов. Рассматривая характеристики выбираемых ис­ходных порошков, главное внимание следует уделять их физиче­ским и технологическим свойствам, химическому составу, в том числе и содержанию газов.

Свойства металлических порошков

Химический состав порошков характеризуется содержанием в ма­териале основного металла, легирующих элементов, примесей или заг­рязнений, оксидов и газов. Для производства изделий из порошковых материалов могут применяться предварительно легированные порош­ки, химический состав каждой частицы которых соответствует химсос­таву материалов готовых изделий. Таким образом, в данном случае речь идет о получении изделий из сплавов. Очень часто применяются меха­нические смеси порошков чистых металлов, малолегированных сплавов и тугоплавких наполнителей ( карбидов, нитридов, оксидов и т. п.).

Промышленные порошки всех металлов и сплавов содержат газо­образные примеси. Это - газы, адсорбированные на поверхности час­тиц, и такие, что попали внутрь частиц в процессе производства.

Основными газами, содержащимися в порошках, являются кис­лород, азот, водород, оксиды углерода (СО, СО₂). Газообразные включения в порошках могут появляться также в результате разло­жения имеющихся загрязнений и остатков смазок в шихте при тер­мической обработке.

Присутствие газов внутри частиц связано с методами получения порошков. Например, в порошках, полученных путем восстановления оксидов, газы-восстановители и продукты реакции могут не успеть про- диффундировать из объема частицы за время прохождения процесса и остаются в газонаполненных порах или в растворенном состоянии.

Электролитические порошки содержат много водорода, кото­рый выделяется при осаждении металлов на электроде. При распы­лении расплавов металлов газы захватываются жидкими каплями и сохраняются в объеме закристаллизовавшихся частиц. Карбониль­ные порошки имеют повышенное содержание кислорода и оксидов углерода. Особое значение не только для свойств спеченного мате­риала, но и порошков, имеет, конечно, содержание кислорода. Так, наличие оксидных пленок на поверхности частиц снижает прессуемость и спекаемость порошков но, в то же время, присутствие лег­ковосстановимых оксидов повышает их активность при спекании, благодаря образованию ненасыщенных металлических связей. Осо­бенно ухудшаются прессуемость, пластичность и другие свойства в присутствии газов в порошках при получении изделий из тугоплав­ких металлов и соединений: Тi, Zr, Мо,W, Сr, карбидов, боридов.

Существует ряд методов определения содержания газов в по­рошках, основной из которых - нагрев и плавление в вакууме.

К физическим свойствам порошков относятся гранулометричес­кий состав (размер частиц и их распределение по фракциям), форма частиц, удельная поверхность, пикнометрическа плотность, микротвер­дость частиц, микроструктура, искажения кристаллической решетки.

При получении специальных теплостойких материалов присут­ствие тугоплавких оксидов, например Al₂O₃, МgO, ТiO₂ и других, является не только желательным, но и необходимым.

Качественная оценка содержания оксидов в порошках иногда производится путем взвешивания определенной порции до и после прокаливания ее в атмосфере водорода при температуре 1000-1050℃ в течение часа. Уменьшение веса при прокаливании проис­ходит преимущественно вследствие восстановления оксидов водо­родом, а также обезуглероживания и удаления других примесей. По­тери массы обычно составляют 0,1...2%.

Такое же представление можно получить на основании оценки плотности, которая понижается в присутствии оксидов. Правда, сни­жение этой плотности может вызываться и наличием закрытых пор в частицах и других факторов. Например, для железных порошков она составляет (7,4...7,8)·103кг/м³.

Количество газов, адсорбированных на поверхности частиц, с умень­шением их размера увеличивается. Адсорбционная способность частиц зависит также от искажений кристаллической решетки порошков. Так, наклепанные и неравновесные порошки содержат больше газов.

Для уменьшения содержания газов после процесса изготовления порошков, их часто подвергают вакуумной обработке. Поставки боль­шинства порошков осуществляются в запаянной металлической таре.

Физические свойства

Размер частиц. У применяемых в металлургии порошков размер частиц, обычно колеблется от 0,5мм до долей микрометра (микрона). Наиболее широк диапазон размеров частиц у порошков, получаемых восстановлением и электролизом. Этими методами можно получать как очень тонкие порошки с диаметром частиц до 0,1мкм и даже 0,01мкм, так и такие, у которых величина частиц измеряется десятками и сотнями микрометров. У порошков, изготавливаемых механическими методами, размеры частиц составляют несколько микрометров, вер­хний предел не превышает 0,5мм. При таком широком диапазоне раз­меров частиц для исследований гранулометрического состава порош­ков применяется несколько методов, главными из которых являются:

- рассев порошка на стандартных ситах;

-микроскопическое исследование размеров частиц с примене­нием оптических и электронных микроскопов;

- седиментация.

Форма частиц

Форма частиц практически определяется условиями получения порошков. От нее зависят такие технологические свойства как на­сыпной вес, текучесть, прессуемость, плотность и проницаемость спрессованных брикетов, изотропность свойств и т. п.

Из многообразия форм можно выделить несколько основных (табл. 31).

Форма порошков, как и форма тел, является величиной качественной, хотя она в большей мере определяет поведение по­рошковой массы во всех технологических операциях.

Существует система численных критериев, которые содержат основные геометрические параметры, присущие данному набору час­тиц, такие как их объем, поверхность, высота и т. п. Применяются так­же характеристики, построенные на сравнении частиц сложной формы со сферой идентичного объема. Существуют шаблоны формы частиц.

Таблица 31

Микротвердость

Твердость - это свойство поверхностного слоя материала, состоя­щее в его способности сопротивляться упругой и пластической дефор­мации или разрушению при местных контактных воздействиях со сто­роны более твердого тела (индентора) определенной формы и размера.

Микротвердость - это твердость малых (микроскопических) объемов материала. Ее определяют измерением диагонали отпечат­ка на приборе микротвердости ПМТ-3. Для этого порошок смеши­вают с бакелитовым лаком или оргцементом, затем прессуют в не­большие брикеты, которые полимеризуют при температуре 140℃. Готовят шлиф и при нагрузке 20-30г определяют микротвердость, которая является характеристикой пластичности порошков. Напри­мер, для армко железа микротвердость составляет 1300-1400МПа.

H=P/S=1.854P/d²

где Р - нагрузка; d - диаметр частицы; S - площадь отпечатка.

Здесь учтен пространственный угол в вершине пирамиды инден­тора (α = 136°).

Удельная поверхность

Удельной называется поверхность единицы массы или объема по­рошка. Ее величина для большинства металлических порошков ко­леблется от 0,01 до нескольких десятых квадратного метра на 1 грамм. Она зависит не только от размера частиц, но и от степени развитости поверхности, которая определяется условиями получения порошков.

От величины удельной поверхности зависит содержание адсорбиро­ванных газов, коррозионная стойкость, спекаемость порошков и ряд других характеристик. С уменьшением размера частиц их удельная поверхность увеличивается. Эта зависимость имет следующий вид:

S=a∙eᵇᵈ

где a и b - константы; d - диаметр частицы.

Пунктирной линией изображен график зависимости для сфери­ческих частиц.

Рис.64. Зависимость удельной поверхности от размера частицы.

Коэффициент шероховатости - это отношение удельной повер­хности реальных частиц к удельной поверхности сферических час­тиц того же размера. Он колеб­лется в пределах 10-14 для вих­ревых порошков (рис.64). Ве­личина удельной поверхности значительно снижается при от­жиге, так как частица, как и вся­кая система, стремится к мини­муму поверхностной энергии: Е=σ·S, где σ – поверхностное натяжение или поверхностная энергия. Минимум энергии не соответствует сферической частице, так как су­ществует анизотропия поверхностного натяжения у кристаллических тел.

Удельная поверхность косвенно определяется измерением газопроницаемости или величины адсорбции. Газопроницаемость определяется в режиме молекулярного (Кнудсевого) течения газа.

Адсорбционные методы основаны на величине сорбции азота или другого газа навеской порошка (~ 30г), обезгаженного при тем­пературе 200...300℃ и остаточном давлении в вакуумной камере 10⁻⁴-10⁻⁵мм.рт.ст. (тор).

В качестве характеристики, определяющей внутреннюю порис­тость частиц, применяется пикнометрическая плотность, которая измеряется на специальных приборах - пикнометрах.

Состояние кристаллической структуры металлических порошков

Металлические и другие порошки, как правило, получают в неравновесных условиях. Это относится ко всем видам порошков, полученных различными методами. Искажения полностью не уст­раняются и при отжигах, вплоть до температуры плавления. Иска­жениями являются вакансии, атомы в междоузлиях решетки, дисло­кации, примеси, оксиды.

Для исследования несовершенства кристаллического строения применяются методы калориметрии и рентгенографии.

Металлические порошки с искажениями кристаллической решет­ки хорошо спекаются , но плохо прессуются и могут активно погло­щать газы и окисляться.

Технологические свойства порошков

Насыпной вес

Насыпной вес - это вес единицы объема свободно насыпанного порошка. Он зависит от плотности укладки частиц и определяется их размером, распределением по фракциям и формам. Значение величи­ны насыпного веса очень существенно при конструировании прессформ, а также при прессовании и дозировке порций порошка. От это­го зависит постоянство размеров и плотность спрессованных брике­тов. Величина насыпного веса оговаривается в ТУ или ГОСТах.

Насыпной вес определяется с помощью простого прибора - волюмометра, который пред­ставлен на рис. 65.

Через воронку 1 порошок засыпается и попадает в мерный сосуд, объемом примерно 25см³. Избыток порошка в мерке среза­ется стеклянной пластинкой и проба взвешивается. Операция повторяется несколько раз и рас­считывается среднее значение.

Наличие неровностей на по­верхности частиц затрудняет их перемещение относительно друг друга, поэтому для увеличения насыпного веса производят обкатку в шаровых мельницах или от­жиг порошков. Лучше, конечно, регулировать его при изготовлении порошка. Наиболее низким насыпным весом обладают порошки, по­лученные газовым восстановлением, что связано с развитой формой частиц, наличием внутренних пор в них и большим количеством мел­ких фракций. В зависимости от того, для каких изделий используются порошки, выбирают нужный насыпной вес. Например, при изготовле­нии конструкционных силовых деталей, выбирают порошки с высо­ким насыпным весом, для пористых - с низким.

Кроме обычного насыпного веса применяется и такая характеристика, как насыпной вес утряски, который на 20-50% выше вследствие лучшей укладки частиц при встряхивании.

Текучесть порошков

Текучесть порошка - это его способность быстрее или медлен­нее вытекать из отверстий под действием силы тяжести. Определя­ется она как и вязкость жидкости, но выражается отношением на­вески в граммах ко времени вытекания в секундах. Кроме того, при­меняют коэффициент текучести K=trⁿ/F

Где t - время вытекания порошка, с; r - радиус отверстия, мм; F - навеска порошка, r.; n = 2,58.

Чем больше К, тем хуже порошок течет и наоборот. Обычно значения его колеблются в пределах от 1,2 до 6,5. Повышать теку­честь можно теми же методами, что и насыпной вес.

Прессуемость

Прессуемость объединяет два понятия: уплотняемость и формуемость порошка.

Уплотняемость определяется путем построения диаграмм прессования - зависимости плотности спрессованных брикетов от давления прессования.

Формуемость - это способность сохранять форму после прессо­вания. Для ее оценки используют определение минимального дав­ления прессования, при котором спрессованный образец не рассы­пается и кромки его устойчивы.

Хуже уплотняются порошки наклепанные и неотожженные, окислен­ные и газонасыщенные, а также тонкие. Однако и такие порошки, и с развитой формой частиц характеризуются хорошей формуемостью. Но порошки с хорошей формуемостью обладают невысокой уплотня- емостью и наоборот. Чем выше насыпной вес порошка, тем ниже его формуемость.

Так, для получения устойчивых форм из восстановленных порошков требуется давление 2-5т/см², соответственно. Перед запус­ком в производство порошки проверяются по этим показателям.

Производство порошков

Существуют следующие основные способы получения металли­ческих порошков:

- восстановление оксидов металлов или их солей;

- электролитическое осаждение;

- механическое дробление;

- распыление струи расплавленного металла;

- термическая диссоциация;

- специальные методы.

Метод восстановления

Получение металлических порошков восстановлением оксидов или солей является одним из самых древних и распространенных методов. Он наиболее экономичен при условии использования в качестве исходных дешевых видов сырья: непосредственно руд, от­ходов металлургических производств и др.

В промышленности этот метод широко применяется для получения порошков таких металлов, как железо, медь, никель, кобальт, вольфрам, молибден, а для некоторых из них, например для вольфрама и молибдена, является единственным. Восстановленные порошки хорошо прессуются и спекаются. Восстановителями могут быть водород, СО, природный газ; твердые вещества - сажа, кокс, древесный уголь, щелочные металлы.

Недостатком метода является то, что полученные с его помощью порошки содержат много примесей, в том числе оксиды, карбиды.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Под восстановлением понимают превращение оксида или соли в элемент или низший оксид (низшую соль). Согласно адсорбцион- но-автокаталитической теории, процесс восстановления складыва­ется из следующих этапов:

- адсорбция газа-восстановителя на поверхности оксидной пленки;

- разрушение кристаллической решетки оксида;

- образование новых оксидных фаз;

- десорбция газообразных продуктов с поверхности частиц.

В общем виде реакцию восстановления можно записать как: MeOn+mX↔Me+XmOn,

где МеО - оксид металла; X - восстановитель; mиn- стехиометри­ческие коэффициенты.

Для смещения процесса вправо, т. е. для восстановления, необ­ходимо, чтобы химическое сродство элемента X к кислороду было больше, чем у металла М. За меру химического сродства к кислоро­ду обычно принимают изменение изобарного термодинамического потенциала ʌG (энергия Гиббса): ʌG=R T ln Kρ,

где ʌG - максимальная работа реакции при постоянном давлении; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Кρ - константа равновесия.

Чтобы оценить направление реакции, необходимо определить величины ʌG для МеО и ХО. В соответствии с выражением для ʌG запишем:

2Ме+О₂→2МеО ʌG1=4,575lg (Ро2) МеО

2Х+О₂→2X0 ʌG1=4,575lg (Ро2) ХО,

Где (Ро2) Ме0 и (Ро2) ХО - упругости диссоциации оксидов МеО и ХО.

Чем выше сродство к кислороду, тем больше понижение термоди­намического потенциала, т. е. условием реакции восстановления ме­талла будет ʌG2<ʌG1 или по абсолютной величине |ʌG2| >|ʌG1|.

Металл, у которого сродство с кислородом больше, может восстанавливать металлы с меньшим сродством. Различают вос­становление газами, углеродом и металлами.

Восстановление газами и углеродом

Активными газами-восстановителями являются СО и Н₂ и раз­личные газы их содержащие.

Восстановление происходит по следующим реакциям:

МеО+Н₂→Ме+Н₂О,

МеО+СО→Me+СО₂.

По термодинамическим соображениям СО более активен до 800℃, а Н₂ - при более высокой температуре.

Водород используется для восстановления оксидов таких метал­лов, как Fe, Ni, Сu, Со, W, Мо; окись углерода - для Fe, Сu, Ni.

При восстановлении оксидов в качестве восстановителя часто используется углерод. В противоположность металлам для углеро­да aGуменьшается с ростом температуры. При высоких температу­рах углерод применяется для восстановления Fe, Mo, Cr, Nb и др. В реакциях углерода с оксидами почти всегда присутствует и СО, уча­ствующий в восстановлении.

Недостатком восстановления углеродом является возможность науглероживания конечного продукта.

Восстановление оксидов твердым углеродом происходит при температурах выше 900-1000℃, так как образования СO₂ в этом случае не происходит, т. е. реакция 2СО↔СO₂+С смещена влево.

Для получения тонких порошков следует применять тонко­дисперсные оксиды и низкие температуры восстановления. Исполь­зование высоких температур нежелательно еще и тем, что в припо­верхностном слое восстанавливаемого порошка образуется плотная корка, затрудняющая диффузию газов. Конечно, понятие низкой температуры здесь относительно, т. е. она должна быть такой, что­бы шла реакция восстановления.

Восстановление обычно проводится в проходных муфельных печах с внешним обогревом муфеля и циркуляцией восстановитель­ной атмосферы в муфелях, в которых помещена шихта.

В последнее время для восстановления вместо водорода применя­ют конвертированный природный газ, который получается по реакции

СН₄+H₂O(пары)→СО+3Н₂.

Конверсия осуществляется при температуре 1 100℃, а в при­сутствии специальных катализаторов- при более низкой.

Получение порошков электролизом

Получение порошков электролизом среди физико-химических методов является одним из наиболее распространенных. Электроли­тическим осаждением можно получать порошки всех металлов. Важ­ным преимуществом этого метода является высокая чистота про­дукта за счет очистки от примесей во время электролиза, хотя и сле­дует отметить высокую стоимость порошков из-за низкой произво­дительности и большого расхода электроэнергии. В основе метода лежит разложение водных растворов металличес­ких соединений и расплавленных солей при протекании постоянного тока. Сущность осаждения металлов состоит в разряде металлических ионов на катоде (Mene+ пе). Схема­тически процесс показан на рис. 66.

Источником металлических ионов в общем случае является анод, состоящий из металла, под­верженного электролизу, и элект­ролит, содержащий соль этого ме­талла. В некоторых случаях анод может быть нерастворимым.

Протекание процесса зависит от подвижности ионов, которая обусловлена температурой электролита, вязкостью раствора, раз­мером ионов, скоростью перемешивания. А в общем все характери­зуется скоростью диффузии.

В зависимости от условий протекания процесса получают по­рошки трех видов:

- твердые хрупкие осадки в виде плотных слоев, чешуек или кристаллов;

- губчатые мягкие осадки - мелкие кристаллы, легко поддаю­щиеся растиранию;

- рыхлые (черные) осадки, представляющие собой мелкодиспер­сные порошки.

Первые два из этих осадков дополнительно подвергаются меха­ническому размолу, рыхлые же в измельчении не нуждаются. Вид осадка в основном зависит от плотности тока:

і = 0,2К∙С,

где і - плотность тока, А/см²; С - концентрация электролита, моль/л; К - константа, зависящая от вида солей и находящаяся в пределах 0,5-0,9.

Метод электролиза широко используется для получения легиро­ванных порошков путем совместного осаждения компонентов сплава из растворов солей. Этим методом можно получать субмикроскопические порошки с размером зерна 0,01-0,1мкм, которые приме­няются для изготовления магнитных и других материалов.

Методы механического дробления

Измельчение материалов дроблением (размолом или истирани­ем), являясь старейшим методом перевода твердых веществ в по­рошкообразное состояние, может применяться как самостоятельно для получения порошков, так и в качестве дополнительной опера­ции к другим методам. Наиболее целесообразно применять его при измельчении хрупких металлов (кремний, бериллий, хром, марга­нец) и сплавов (некоторые из алюминие-магниевых).

Если необходимо дробить пластичные металлы (цинк, медь, алю­миний, железо и т. п.), то сначала их переводят в хрупкое состояние, т. е. понижают пластичность и ударную вязкость.

Наиболее распространенными методами охрупчивания являют­ся термообработка и наводораживание. Водород интенсивно про­никает в металл и образует хрупкие соединения. После дробления водород можно удалить путем вакуумного отжига.

Процесс дробления твердых тел заключается в том, что под дей­ствием внешних сил в наиболее слабых местах образуются мельчай­шие трещины. В момент разрушения напряжения превышают пре­дел прочности материала, упругая деформация сменяется деформа­цией разрушения и происходит измельчение. Согласно теории дроб­ления, предложенной академиком П. А. Ребиндером, работа, затра­чиваемая на измельчение, является суммой двух энергий:

Е=σ·ʌS+КʌV,

где σ·ʌS - энергия, расходуемая на образование новых поверхностей; а - удельная поверхностная энергия; ʌS - приращение поверхности; КʌV - энергия деформации, равная работе К упругой деформации на единицу объема; ʌV - величина объема, подвергшегося деформации.

При крупном дроблении величина вновь образовавшейся поверхности невелика, так как получаемые частицы значительны по размеру. В связи с этим σ·ʌS˂КʌV, и расход энергии на дробление примерно пропорционален объему разрушаемого тела.

При тонком измельчении, наоборот, σ·ʌS>КʌV и расход энер­гии приблизительно пропорционален площади вновь образовавшей­ся поверхности. Много энергии тратится на нагрев и деформацию, поэтому КПД измельчения очень мал.

Общая схема получения порошков механическим дроблением.

Подготовка шихты:

- предварительное грубое дробление;

- механическая обработка слитков для получения стружки;

- наводораживание.

Размол шихты в шаровых, вибрационных, вихревых мельницах.Отжиг для снятия наклепа и удаления водорода.

ШАРОВЫЕ МЕЛЬНИЦЫ.

Для грубого дробления применяют шаровые, валковые и конусные дробилки, а также бегунки. Размер получаемых таким образом частиц находится в пределах 1...10 мм. Окончательный размол производится в шаровых, вибрационных, цен­тробежных планетарных, вихревых или молотковых мельницах. Пер­вая из них является простейшим средством для получения относитель­но мелких порошков, от нескольких до десятков микрометров. Она представляет собой вращающийся металлический барабан, загружен­ный размольными телами, представляющими собой стальные, твер­досплавные или керамические шары. В нужном соотношении в бара­бан загружается измельченный материал. Существует несколько ре­жимов измельчения, но, главное, нужно выбирать такую скорость вра­щения барабана, которая не превышала бы критическую, когда шары за счет центробежных сил будут вращаться вместе с мельницей.

,где D - внутренний диаметр барабана, м; размер размольных ша­ров не должен превышать 1/20 D; NKp- критическая скорость вра­щения барабана, колеблется в пределах 30-120 об/мин.

Для интенсифицирования процесс размола проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала, особенно хруп­кого, внутри барабана мельницы и обратному слипанию частиц. Кроме того жидкость создает капиллярное давление в микротрещинах. Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства, представляющие собой непод­вижные вертикальные барабаны, в которых вращаются вертикаль­ные мешалки, увлекающие шары. Аттриторы эффективны при по­лучении ультратонких порошковых смесей.

ВИБРАЦИОННЫЕ МЕЛЬНИЦЫ.

Для тонкого помола исполь­зуются вибрационные мельницы. Одна из разновидностей их пред­ставляет барабан с шарами или цилиндрами, которые перемещают­ся в различных направлениях. Колебательные движения создаются с помощью эксцентрикового вала, вращающегося со скоростью 1500-3000об/мин. Амплитуда колебаний - 2-3мм. Для небольших мельниц в качестве вибраторов используются электромагниты. Пре­дупреждение: вибромельницы нельзя включать незагруженными.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости возникает избыточное давление газа по отношению к атмосферно­му. При этом происходит расширение и сжатие жидкости, вернее пузырьков газа в ней: они, соответственно, растут или захлопываются. Это приводит к кавитации при соотношении: R0=0,326/v, где R0 - радиус газового пузырька; v - частота колебаний.

Генерируемые ударные волны вызывают давления в пузырьках, достигающие 1000МПа, что и приводит к разрушению частиц. К это­му добавляется еще и эффект Ребиндера, который состоит в следую­щем: при попадании жидкости в микротрещину там за счет поверхнос­тного натяжения жидкости возникают расклинивающие силы. Этот эффект используют при обработке резанием, когда применяют специ­альные жидкости. Об этом, как правило, мало кто знает.

Существуют вихревые, струйные и другие мельницы.

Наиболее дешевым способом получения порошков является распыление расплавленного металла.

Распыление расплавов металлов и сплавов

Распыление является одним из наиболее производительных мет­одов получения порошков. В его основе лежит распыление расплавленного металла с помощью воздуха, инертных газов, пара, воды или ударов лопаток вращающегося диска.

Этот метод применяется при изготовлении порошков сравнительно легкоплавких металлов и сплавов, таких как свинец, цинк, медь, чугун, железо, сталь, бронза, латунь. Температура плавления ограничивается и практически близка к 1400℃, что обусловлено стойкостью огнеупоров.

Мы рассмотрим наиболее распространенный метод распыления, установка для которого изображена на рис. 67. Такая установка обеспечивает хорошее распыление с большим выходом тонких фрак­ций и используется для получения порошков различной формы.

Назовем основные факторы, влияющие на свойства получаемых порошков.

Физико-химические: вязкость, плотность, поверхностное натяже­ние, теплоемкость, теплопроводность.

Технологические: температура расплава и энергоносителей, дав­ление энергоносителя и скорость истечения, удельный расход диспер­гирующих газов или жидкостей.

Конструкционные: форма и размер форсунок, угол их располо­жения, размер колонны и т. п.

С повышением температуры расплавов их вязкость снижается, а значит, возрастает текучесть.

Поведение вязкости подчиняется закону Аррениуса:Y=Y₀∙Е/(RТ), где Y₀- кинематическая вязкость расплава при температуре плав­ления металла; Е - общая энергия системы; R - универсальная газо­вая постоянная; Т - абсолютная температура расплава.

Под действием поверхностного натяжения капля металла стре­мится принять форму шара, т. к. последний имеет минимальное зна­чение поверхностной энергии. Изменяя вязкость и поверхностное натяжение расплава, его начальную температуру, коэффициент теп­лоотдачи (например, изменяя скорость подачи газа или жидкости), можно активно влиять на форму частиц получаемого порошка.

Энергоноситель может быть химически активным или пассив­ным к распыляемому расплаву. Начальной стадией взаимодействия является физическая адсорбция газа на поверхности расплава, ко­торая резко возрастает при дроблении струи и увеличении вместе с тем поверхности взаимодействия.

Метод распыления водой - один из наиболее экономичных. Дав­ление струи воды изменяется в пределах 5÷18 МПа.

Для предотвращения окисления колонна заполняется азотом или аргоном. При распылении водой скорость охлаждения капель и ча­стиц порошка достигает 106К/с (для сравнения , при обычном ох­лаждении литья - 1К/с).

Сверхвысокие скорости охлаждения обеспечивают особую неравновесную микроструктуру материала, характеризующуюся от­сутствием ликваций, сегрегаций, а также избыточное содержание легирующих элементов в твердом растворе.

Наличие неравновесной структуры в частицах порошка и его активности приводит к значительному повышению свойств спечен­ного компактного материала. Такая микроструктура образуется при скоростях охлаждения выше 105К/с. Размер частиц можно опреде­лить по формуле Лышевского: d=8σ/ρW², где W - скорость водяной струи; σ- поверхностное натяжение рас­плава; ρ - плотность расплава; d - диаметр частицы.

Диспергирование практически осуществляется не водой, а перегретым паром, образующимся у поверхности капель расплава.

Изменяя при распылении температуру, давление, атмосферу в колонне (камере), можно регулировать форму, размер частиц, ско­рость их охлаждения.

Форма частиц, как известно, оказывает определяющее влияние на формуемость порошковых материалов, спекаемость и т. п. Ос­новные закономерности процесса распыления водой справедливы и при газовом распылении.

Существует ряд других специальных методов распыления рас­плавов, в том числе таких, при которых образуется аморфная струк­тура порошковых частиц.

Прессование порошков

В зависимости от назначения прессуемых изделий, свойств порошков, технологических возможностей, наличия оборудования и экономической целесообразности применяют следующие методы прессования (формования):

- динамический;

- прокатки;

- вибрационный;

- динамического горячего прессования;

- изостатического прессования (горячего и холодного);

- прессования взрывом;

- экструзии и газостатического прессования.

На рис. 68 приведены схемы указанных методов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ ПРЕССОВАНИЯ.

Динамический метод холодного прессования. Наиболее распро­странен. Стальная матрица и пуансон выполняются приближенны­ми к форме изделия. Давление прессования колеблется от несколь­ких мега паскалей до их сотен - в зависимости от назначения изделий

- и создается с помощью стандартных прессовок. Недостатком ме­тода является сложность получения заготовок больших размеров.

Метод прокатки. Применяется при формовании пористых лент и листов из осколочных порошков, которые после спекания применяются в основном для фильтров. Холодная прокатка или теплая прокатка производится в несколько проходов после горя­чей экструзии с целью создания оптимальной дислокационной структуры.

Вибрационный метод. Применяется при формовании порошков с добавками специальных связок (стеарин, крахмал и т.п.).

Рис. 68. Схематическое изображение различных методов формования изделий из порошков:

а – ж соответственно – динамический холодного прессования, прокатки, вибрационный горячего динамического прессования, изостатического горячего (холодного) прессования, прессования взрывом, горячей экструзии; 1 – пресс-форма; 2 – пуансон; 3 – прессуемый порошок; 4 – нагреватель; 5 – валки; 6 – готовая прессовка; 7 – корпус стальной; 8 - горячий газ; 9 – жидкость; 10 – взрывное устройство; 11 – фильера; 12 – цилиндр

Горячее динамическое прессование применяется при изготовлении особо ответственных изделий.При этом достигаются равные показатели плотности и прочности материала по всему объему,а также необходимые размеры деталей. Метод позволяет получать практически безотходные изделия.

Изостатическое горячее прессование (формование). Применяется при изготовлении изделий ответственного назначения, сложной формы и из сравнительного дефицитного сырья. Это – жаропрочные материалы высоколегированные инструментальные стали, редкоземельные и чистые металлы. При таком методе получаются заготовки с высокими плотностью и прочностью, не требующие большого съема металла при механической обработке.

Гидростатическое (изостатическое) холодное прессование порошков. Производится в эластичныхоболочках из резины или тонкого стального или алюминиевого листа в специальных сосудах высокого давления.Вследствие отсутствия потерь на трение, плотность прессовок на 20% выше, чем при прессовании в пресс-форме при таких же давлениях. По производительности этот метод хуже прямого прессования, но применяется довольно часто, так как позволяет получать практически беспористые заготовки больших (до 1,2м) и малых размеров.Подробно метод гидростатического прессования рассматривается при изучении псевдосплава ВНДС.

Прессование взрывом. Применяется при холодном формовании крупногабаритных изделий из хорошо формуемых порошков (осколочных). Обычно осуществляется под водой в специальных бассейнах. В ракетной технике этот метод применяется, например, при штамповке днищ топливных баков.

Горячая экструзия. Осуществляется с целью уплотнения материала и формования дислокационной структуры,обеспечивающей термическую стабильность и прочность, высокую степень обжатия. Температура процесса не

превышает температуры спекания, предельное давление не превышает 1000-1400Мпа. Иногда, для тугоплавких порошков, экструзия осуществляется в мягких оболочках из алюминия или нержавеющей стали. Послеэкструзии применяют и другие виды деформации (волочение, прокатка, ковка и т.п.).

Конечно, на практике применяются различные методы формования даже при изготовлении одних и тех же изделий.

Спекание порошков.

В порошковой металлургии – спекание одна из основных операций, в процессе которой происходит превращение

брикета, спрессованного из порошка, в прочное монолитное тело. Несмотря на интенсивное развитие порошковой металлургии широкое использование спекания, явления и процессы, происходящие в пористой заготовке при нагреве,

до сих пор остаются предметом дискуссий в среде теоретиков и экспериментаторов.

Существует несколько школ, подходов к спеканию, объясняются те или иные факты, но общей стройной картины нет.

Это отчасти можно объяснить тем, что спекаются порошки разных металлов и при разных режимах.

Основными параметрами процесса спекания являются температура, скорость нагрева, среда, в которой он протекает.

Различают твердофазное и жидкофазное спекание.

Твердофазное спекание. Простейшая теория спеканияобычно рассматривает две сферы, между которыми происходит увеличениеконтактной поверхности и сближение частиц, т.е. усадка (рис.69).

Поверхностная диффузия происходит под действием разности термодинамических потенциалов на контактной поверхностии на свободных поверхностях. Наименее подвижны атомы на контактных участках, наиболее – на выступах и вершинах наружных углов. За счет диффузии увеличивается контактная поверхность, но уменьшаются общая поверхность и внутренняя энергия. Так как сближения между частицами нет, то должны образовываться поры или иначе – происходит их коагуляция. При этом запас энергии у атомов на поверхности крупных и мелких частиц не одинаков.

Б. Я. Пинес предложил следующий механизм объемной деформации частиц: вблизи поры радиуса r имеется повышенная концентрация вакансий на величину ∆С, которая определяется из соотношения: ∆С=(2σ/r)∙(V₀/T)∙С₀, где σ– поверхностное натяжение; V₀ – объем элементарной ячейки; С₀ – равновесная концентрация вакансий.

Так как имеется неравновесная концентрация вакансий, имеет место градиент,

приводящий к диффузионному оттоку вакансий от 7* поверхности поры в объемы с меньшей их концентрацией. Обратный процесс – диффузия атомов, уменьшение порыи усадка частицы и материала в целом.

Я. Е. Гегузин предложил другой механизм уменьшения пор и усадки, если спекание происходит под внешним давлением, например при горячем формовании. Он учитывает основанное на идее о вязком течении кристаллических тел, вызванном направленным перемещением атомов или вакансий, указание Я. М. Френкеля на две стадии спекания:

- увеличение поверхности соприкосновения частиц до образования изолированных пор (рис. 70);

Рис. 69. Спекание двух сфер: Рис. 70. Спекание трех частиц

L – расстояние между центрами частиц;

Х – полуширина контактной шейки

- закрывание остаточных пор под действием сил поверхностного натяжения.

В процессе изотермического спекания текучесть вещества падает со временем, так как искажения решетки восстанавливаются.

В. А. Ивенсен предложил формулу, описывающую ход уплотнения при твердофазном спекании: V=Vн (gmτ+1)1/m, где V – объем пор через время τ; Vн – объем пор в начальный момент; g– относительная скорость уменьшения объема пор, выражаемая отношением: dV/(dτ∙V); m – характеристика интенсивности падения скорости сокращения объема пор во времени.

На графике (рис. 71) эти две стадии можно представить следующим образом.

Рис.71. График усадки при спекании Рис.72. Усадка заготовки при жидкофазном спекании:

∆V – изменение объема; Vн – начальный объем

Спекание при Т₁ происходит до тех пор, пока усадка не прекратится. Затем температура повышается до Т₂, при которой происходит уменьшение пористости и окончательное спекание (Т₂>Т₁).

Порошки с сильно развитой поверхностью и большой концентрацией дефектов уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, так как запас свободной энергии в единице массы порошка определяется не только размером зерна (дисперсностью), но, в значительной мере, и состоянием поверхности, степенью дефектности частиц. Затухание усадки связано с уменьшением свободной энергии порошкового тела.

Назовем факторы, оказывающие влияние на усадку:

1. С уменьшением размера частиц, увеличением степени дефектности и нерегулярностиих формы, повышением внешнего давления при прессовании (горячее прессование) усадка усиливается.

2. Спекание в восстановительной атмосфере способствует достижению большей плотности брикетов, чем при спекании в нейтральной среде.

3. Спекание в вакууме в большинстве случаев происходит при более низкой температуре и повышает плотность спеченной заготовки.

Спекание в присутствии жидкой фазы. Жидкая фаза при спекании образуется в результате расплавления более легкоплавкого компонента или за счет образования легкоплавкой эвтектики. Усадка в этом случае происходит под действием капиллярных сил. Графически она представлена на рис.72.

Весь процесс спекания и усадки можно разбить на 3 фазы:

- перегруппировка частиц;

- растворение частиц твердой фазы в жидкой, перенос их через жидкую фазу и осаждение вблизи участков контакта;

- образование твердого скелета и твердофазное спекание.

При спекании в присутствии жидкой фазы нужно строго выдерживать температурный интервал.

Конечно, представленные здесь механизмы спекания далеко не исчерпывают всей глубины теории спекания и возможных ее вариантов. Это является предметом специального изучения.

Процессы формования и спекания рассматриваются ниже на примере получения изделий из вольфрамо-медных псевдосплавов.

Феррит (магнит)

Феррит - это керамический материал, полученный путем смешивания и обжига оксида железа (III) (Fe₂O₃, ржавчина) с одним или несколькими дополнительными металлическими элементами, такими как стронций, барий, марганец, никель и цинк. Они ферримагнитны, что означает, что они притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, превращаясь в постоянные магниты. В отличие от других ферромагнитных материалов, большинство ферритов не являются электропроводящими, что делает их полезными в таких приложениях, как магнитопроводы для трансформаторов для подавления вихревых токов. Ферриты можно разделить на два семейства в зависимости от их сопротивления размагничиванию (магнитная коэрцитивная сила).

История

В 1930 году Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения. Это привело к созданию в 1935 году корпорации TDK для производства этого материала.

Гексаферрит бария (BaO•6Fe₂O₃) был открыт в 1950 году в Philips Natuurkundig Laboratorium (Физической лаборатории Philips). Открытие было несколько случайным — из-за ошибки ассистента, который должен был подготовить образец гексагонального лантан-алюминиевого феррита для группы исследователей, изучавших его в качестве полупроводникового материала. Обнаружив, что это на самом деле магнитный материал, и подтвердив его структуру с помощью рентгеновской кристаллографии, они передали его группе исследователей в области магнетизма. Гексаферрит бария обладает высокой коэрцитивной силой (170кА/м) и низкой стоимостью сырья. Он был разработан компанией Philips Industries (Нидерланды) и с 1952 года продавался под торговой маркой Ferroxdure. Низкая цена и хорошие эксплуатационные характеристики привели к быстрому росту использования постоянных магнитов.

В 1960-х годах компания Philips разработала гексаферрит стронция (SrO•6Fe₂O₃), обладающий лучшими свойствами, чем гексаферрит бария. Гексаферрит бария и стронция доминируют на рынке благодаря своей низкой стоимости. Были найдены другие материалы с улучшенными свойствами. В 1980 году появился BaO•2(FeO)•8(Fe₂O₃), а в 1991 году - Ba₂ZnFe₁₈O₂₃.

"Твердые" ферриты обладают высокой коэрцитивной силой, поэтому их трудно размагнитить. Они используются для изготовления постоянных магнитов в таких устройствах, как магниты на холодильник, громкоговорители и небольшие электродвигатели.

"Мягкие" ферриты обладают низкой коэрцитивной силой, поэтому они легко изменяют свою намагниченность и действуют как проводники магнитных полей. Они используются в электронной промышленности для изготовления эффективных сердечников под названием ферритовые сердечники для высокочастотных индукторов, трансформаторов и антенн, а также в различных микроволновых устройствах.

Ферритовые соединения отличаются крайне низкой стоимостью, поскольку в основном состоят из оксида железа, и обладают превосходной устойчивостью к коррозии. Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения в 1930 году.

Состав, структура и свойства

Ферриты, как правило, представляют собой ферримагнитные керамические соединения, полученные из оксидов железа. Магнетит (Fe3O4) - известный пример. Как и большинство других керамических материалов, ферриты твердые, хрупкие и плохо проводят электрический ток.

Многие ферриты имеют структуру шпинели с формулой A B₂O₄, где A и B представляют собой различные катионы металлов, одним из которых обычно является железо (Fe). Шпинельные ферриты обычно имеют кристаллическую структуру, состоящую из кубических плотноупакованных (fcc) оксидов (O₂⁻) с катионами A, занимающими одну восьмую часть тетраэдрических пустот, и катионами B, занимающими половину октаэдрических пустот, т.е. A²⁺B³⁺₂O²⁻₄.

Кристаллы феррита имеют не обычную структуру шпинели, а скорее обратную структуру шпинели: одна восьмая часть тетраэдрических отверстий занята катионами B, одна четвертая часть октаэдрических узлов занята катионами A. а другой на четверть состоит из катиона B. Также возможны ферриты шпинели смешанной структуры с формулой [M²⁺(₁۔δ)Fe³⁺δ][M²⁺δFe³⁺(₂۔δ)] O₄, где δ - степень инверсии.

Магнитный материал, известный под названием "Zn Fe", имеет формулу Zn Fe₂O₄, где Fe³⁺ занимает октаэдрические позиции, а Zn²⁺ занимает тетраэдрические позиции. Это пример нормального феррита со структурой шпинели.

Некоторые ферриты имеют гексагональную кристаллическую структуру, например, ферриты бария и стронция BaFe₁₂O₁₉ (BaO: 6Fe₂O₃) и SrFe₁₂O₁₉ (Sr O: 6Fe₂O₃).

Что касается их магнитных свойств, то различные ферриты часто классифицируются как «мягкие», «полутвердые» или «твердые» в зависимости от их низкой или высокой коэрцитивной силы.

Мягкие ферриты

Ферриты, которые используются в трансформаторах или электромагнитных сердечниках, содержат соединения никеля, цинка и/или марганца. Мягкие ферриты не являются постоянными магнитами. Они обладают магнетизмом (как и низкоуглеродистая сталь), но когда магнитное поле исчезает, магнетизм ослабевает. Мягкие ферриты обычно используются в качестве трансформаторов (для изменения напряжения в первичной и вторичной обмотках). В результате мягкие ферриты также называют трансформаторными ферритами. Они обладают низкой коэрцитивной силой. Низкая коэрцитивная сила означает, что намагниченность материала может легко изменить направление без рассеивания большого количества энергии (гистерезисные потери), в то время как высокая удельная проводимость материала предотвращает вихревые токи в сердечнике, которые являются еще одним источником потерь энергии. Из-за сравнительно низких потерь на высоких частотах они широко используются в сердечниках радиочастотных трансформаторов и индукторах в таких устройствах, как импульсные источники питания и петлевые антенны, используемые в AM-радио.

Наиболее распространенными мягкими ферритами являются:

Марганцево-цинковый феррит

"Mn Zn" с формулой Mnδ Zn(₁۔δ) Fe₂O₄. У Mn Zn более высокая проницаемость и намагниченность насыщения, чем у Ni Zn.

Никель-цинковый феррит

"Ni Zn" с формулой Niδ Zn(₁۔δ) Fe₂O₄. Ферриты Ni Zn обладают более высоким удельным сопротивлением, чем Mn Zn, и поэтому больше подходят для частот выше 1МГц.

Для использования в диапазоне частот выше 0,5МГц, но ниже 5МГц применяются ферриты Mn-Zn; при более высоких частотах обычно используется Ni-Zn. Исключением являются синусоидальные катушки индуктивности, где пороговая частота составляет 70МГц.

Полутвердые ферриты

Феррит кобальта

Co Fe₂O₄ Co O·Fe₂O₃ , представляет собой нечто среднее между мягким и твердым магнитными материалами и обычно классифицируется как полутвердый материал. Он в основном используется в магнитострикционных устройствах, таких как датчики и приводы, благодаря высокой степени насыщения магнитострикции (~ 200 миллионных долей). Co Fe₂O₄ также обладает преимуществами отсутствия редкоземельных элементов, что делает его хорошей заменой терфенолу-D.

Кроме того, магнитострикционные свойства феррита кобальта можно регулировать путем создания магнитной одноосной анизотропии. Это можно сделать с помощью магнитного отжига, уплотнения под воздействием магнитного поля, или реакции под воздействием одноосного давления. Преимущество последнего способа заключается в том, что он является сверхбыстрым (20 минут) благодаря использованию искрового плазменного спекания. Созданная магнитная анизотропия в феррите кобальта также способствует усилению магнитоэлектрического эффекта в композите.

Твердые ферриты

В отличие от них, постоянные ферритовые магниты изготавливаются из твердых ферритов, которые обладают высокой коэрцитивной силой и высокой остаточной намагниченностью после намагничивания. Оксид железа и карбонат бария или карбонат стронция используются при производстве твердых ферритовых магнитов. Высокая коэрцитивная сила означает, что материалы очень устойчивы к размагничиванию, что является важной характеристикой постоянных магнитов. Они также обладают высокой магнитной проницаемостью. Эти так называемые керамические магниты дешевы и широко используются в бытовых товарах, таких как магниты на холодильник. Максимальное магнитное поле B составляет около 0,35 тесла, а напряженность магнитного поля H составляет около 30–160 килоампер на метр (400–2000 эрстед). Плотность ферритовых магнитов составляет около 5г/см³.

Наиболее распространенными твердыми ферритами являются:

Феррит стронция Sr Fe₁₂O₁₉ (Sr O · 6 Fe₂O₃), используемый в небольших электродвигателях, микроволновых устройствах, записывающих устройствах, магнитооптических устройствах, телекоммуникационных устройствах и в электронной промышленности.

Гексаферрит стронция (Sr Fe₁₂O₁₉) хорошо известен своей высокой коэрцитивной силой, обусловленной его кристаллографической анизотропией. Он широко используется в промышленности в качестве постоянных магнитов, а благодаря тому, что его можно легко измельчать и формовать, он находит применение в микро- и наносистемах, таких как биомаркеры, биодиагностика и биосенсоры.

Феррит бария Ba Fe₁₂O₁₉ (Ba O · 6 Fe₂O₃), распространенный материал для изготовления постоянных магнитов. Ферриты бария представляют собой прочную керамику, которая, как правило, устойчива к воздействию влаги и коррозии. Они используются, например, в динамиках и в качестве носителя для магнитной записи, например, на картах с магнитной полосой.

Производство

Ферриты получают путем нагревания смеси оксидов металлов, входящих в их состав, до высоких температур, как показано в этом идеализированном уравнении: Fe₂O₃ + ZnO → ZnFe₂O₄

В некоторых случаях смесь мелкоизмельченных исходных веществ прессуется в форму. Для получения ферритов бария и стронция эти металлы обычно поставляются в виде их карбонатов, BaCO₃ или SrCO₃. В процессе нагревания эти карбонаты подвергаются прокаливанию: MCO₃→MO+CO₂

После этого этапа два оксида соединяются, образуя феррит. Полученная смесь оксидов подвергается спеканию.

Обработка

После получения феррита охлажденный продукт измельчается до состояния частиц размером менее 2 мкм, достаточно мелких для того, чтобы каждая частица состояла из отдельного магнитного домена. Затем порошок прессуется, высушивается и повторно спекается. Формование может производиться во внешнем магнитном поле для достижения предпочтительной ориентации частиц (анизотропии).

Мелкие и геометрически правильные формы могут быть получены методом сухого прессования. Однако при таком процессе могут образовываться агломераты из мелких частиц, что приводит к ухудшению магнитных свойств по сравнению с процессом мокрого прессования. Прямой обжиг и спекание без повторного измельчения также возможны, но приводят к ухудшению магнитных свойств.

Электромагниты предварительно спекаются (проходят предварительную обработку), измельчаются и прессуются. Однако спекание происходит в особых условиях, например, при недостатке кислорода. Химический состав и особенно структура сильно различаются между исходным материалом и спеченным продуктом.

Чтобы обеспечить эффективное штабелирование изделий в печи во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители используют разделительные листы из керамического порошка. Эти листы изготавливаются из различных материалов, таких как оксид алюминия, диоксид циркония и магнезия. Они также выпускаются с частицами мелкого, среднего и крупного размера. Подбирая материал и размер частиц в соответствии со спекаемыми изделиями, можно уменьшить повреждение поверхности и загрязнение, максимально увеличивая загрузку печи.

Использование

Ферритовые сердечники используются в электронных индукторах, трансформаторах и электромагнитах, где высокое электрическое сопротивление феррита приводит к очень низким потерям на вихревые токи.

Ферриты также используются в компьютерных кабелях в виде перемычек, называемых ферритовыми бусинами, которые препятствуют выходу или проникновению в оборудование высокочастотных электрических помех (радиочастотных помех); эти типы ферритов изготавливаются из материалов с потерями, которые не только блокируют (отражают), но также поглощают и рассеивают в виде тепла нежелательную высокочастотную энергию.

В ранних компьютерных запоминающих устройствах данные хранились в остаточных магнитных полях жестких ферритовых сердечников, которые объединялись в массивы оперативной памяти. Ферритовые порошки используются в покрытиях магнитных лент для записи.

Частицы феррита также используются в качестве компонента радиопоглощающих материалов или покрытий, применяемых в самолетах-"невидимках" стелс и в облицовочных плитах для помещений, где проводятся измерения электромагнитной совместимости. Ферритовые магниты являются наиболее распространенными магнитами в аудиосистемах, в том числе в громкоговорителях и электромагнитных датчиках. За исключением некоторых "винтажных" изделий, ферритовые магниты в значительной степени вытеснили более дорогие Alnico магниты в этих областях применения. В частности, сегодня наиболее распространенным применением ферритов является использование их в качестве постоянных магнитов в уплотнительных прокладках холодильников, микрофонах и динамиках, небольших двигателях для беспроводных устройств и в автомобильной промышленности.

Наночастицы феррита проявляют суперпарамагнитные свойства.

Технология изготовления ферритов

Технология изготовления ферритов оказывает весьма существенное влияние на свойства готовых изделий. Технологический процесс производства ферритовых изделий вкратце сводится к тому, что предварительно получают ферритовый порошок, состоящий из тонко измельченных, тщательно перемешанных и предварительно обожженных оксидов соответствующих металлов. В него добавляют пластификатор - обычно раствор поливинилового спирта, и из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы. Изделия подвергают обжигу при температуре 1100-1400℃. При этом происходит спекание и образование твердых растворов ферритов. Обжиг должен производиться обязательно в окислительной среде (обычно в воздухе). Присутствие даже в небольшом количестве водорода в рабочем пространстве печи может вызвать частичное восстановление оксидов, что приведет к резкому увеличению магнитных потерь. Усадка ферритов при обжиге может достигать 20%. Ферриты - твердые и хрупкие материалы, не позволяющие производить обработку резанием и допускающие только шлифовку и полировку.

Полупроводники

Полупроводники

Все вы знаете, что радио изобрел Александр Степанович Попов в 1895 году. Только итальянцы считают, что это был Гулье́льмо Джова́нни Мари́я Марко́ни, американцы рассмеются вам в лицо, и скажут, что весь мир знает, что это был То́мас А́лва Э́дисон, а русские в своей берлоге ничего изобрести в принципе не могли!

Оставим эти споры. Давайте просто представим себе весну 1985 года. Маленький мальчик (самый обычный попаданец, их же на каждом шагу..., ранее (в 2025 году) студент ИРЭ МЭИ) заходит в лабораторию Попова и подсовывает под контакты телеграфного ключа камешек, и на приборах пошел сигнал. Потом он перевернул этот камешек, и сигнала не стало. А потом он достал из кармана другой камешек, и тоже сунул его в телеграфный ключ, и камешек засветился, а когда перевернул камешек, тот перестал светиться. И всё это на глазах Александра Степановича. Как вы думаете, заинтересует это русского изобретателя или нет? Потом мальчик начинает рассказывать ему о принципах двоичной системы Лейбница. Ну что ещё проще? "Да" и "Нет", единица и ноль, есть сигнал - нет сигнала. Ведь это можно использовать в радиотехнике!!! (А в последствии и в кибернетике). Как после этой встречи будет развиваться в России радиоэлектротехника? Будут ли разрабатываться вакуумные электронные лампы, или сразу прыгнем в полупроводники?

Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.

Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.

В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке.

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма.

Диффузия

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремится быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куда-нибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Твёрдые тела

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том, какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит извне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекомбинировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Существует три вида материалов: проводники, диэлектрики и полупроводники. Все вещества состоят из атомов. В свою очередь, атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам и сгруппированы в слои. Каждому слою соответствует энергетический уровень.

При соединении нескольких атомом вместе образуется твердое тело, и дальние электроны испытывают воздействие не только своего ядра, но и соседнего, а также всех остальных ядер, находящихся рядом. То есть их энергетические уровни смещаются, а чтобы быть одинаковыми, начинают превращаться в ряды близко расположенных, но отдельных энергетических уровней. Таким образом образуются энергетические уровни.

Взаимодействие атомов в твердом теле

Энергетические зоны Самые отдаленные энергетические уровни от атомов – называются валентными, в них находятся свободные электроны. А уровень более близкий к атому – проводимости. В проводниках валентная зона заполнена частично. Поэтому при небольшом количестве тепловой энергии электроны могут переходить на свободные места. А при наличии электрического поля переходить с одного энергетического уровня на другой и проводить ток через материал. У проводников валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, и валентные электроны легко переходят на уровень проводимости. В диэлектриках валентная зона полностью заполнена. Поэтому при приложении электрического поля электроны не могут перемещаться. Между валентной зоной и зоной проводимости возникает запрещенная зона за счет разницы между энергиями зон валентной и проводимости. У них ширина запрещенной зоны составляет более 6 эВ. Из-за наличия запрещенной зоны электроны не могут перейти на уровень проводимости. В полупроводниках имеется запрещенная зона, но она сравнительно мала и составляет от 0,5 до 3,0 эВ. Поэтому при обычной температуре у электронов достаточно энергии чтобы перейти на уровень проводимости. Они могут занимать свободные места, которые могут перемещаться и проводить электрический ток.

Энергетические уровни

Структура кристаллической решетки Чистые полупроводники не используются для создания электронных приборов за счет строения кристаллической решетки. Для достижения функциональности добавляют в их кристаллическую решетку атомы примеси, на котором в дальнейшем будет формироваться P-N переход.

Кристаллическая решетка кремния

Основным полупроводником в электронике является 4-х валентный кремний (Si), имеющий в своей структуре четыре валентных электрона. Кремний используется для создания P-N перехода в современных полупроводниковых приборах. В кремний добавляют мышьяк (As) в небольшом количестве, имеющий похожую кристаллическую решетку. Такой процесс называется – легированием. Он легко вписывается в структуру кремния, при этом принося один дополнительный электрон на донорский уровень под зоной проводимости.

Структура кремния с донорной примесью

При небольшом количестве тепловой энергии он может переходить в зону проводимости и проводить электрический ток. Данный проводник называется N-типом и он нейтрален. Большинство носителей заряда здесь электроны.

Существует другой тип полупроводников, называемый P-типа. В нем носители заряда положительные “дырки”. Для получения данного типа проводимости в кремний добавляют небольшое количество атомов индия (In). Индий хорошо вписывается в решетку кремния, при этом имеет на один валентный электрон меньше. Поэтому создает пустой акцепторный уровень расположенный выше валентной зоны.

Структура кремния с акцепторной примесью

При небольшом количестве тепловой энергии электроны покидают валентную зону оставляя после себя дырки. Они отвечают за проведение тока в полупроводниках P-типа. Сам материал не имеет заряда.

P-N переход

Если соединить P и N проводники между собой возникает процесс диффузии (проникновение одного вещества в другое). На границе соединения – проводник P-типа становится частично отрицательно заряженным, а проводник N-типа частично положительно заряженным.

В результате чего внутри нейтрального материала возникает электрическое поле. Электроны продолжают диффундировать до тех пор, пока электрическое поле не станет настолько большим, что не позволит им пересекать его. В результате этого создается слой обеднения подвижными носителями заряда (нет электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне).

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Дырки подошедшие к границе P-N перехода со стороны p-области отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны из n-области отталкиваются отрицательным зарядом.

Таким образов образуется P-N переход, имеющий слой полупроводника с пониженным содержанием носителей и обедненный слой с высоким электрическим сопротивлением. P-N переход обладает барьерной и диффузионной емкостью.

P-N переход прямое и обратное включение

Если к структуре P-N перехода приложить внешнее напряжение к p-области плюс, а к n-области минус, то дырки отталкиваясь от положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе P-N перехода, сужая его ширину со стороны p-области. Аналогично происходит в n-области. Потенциальный барьер сужается и через P-N переход начинает протекать электрический ток. С увеличением напряжения величина тока возрастает в P-N переходе, так как он создается основными носителями, а концентрация носителей пополняется внешним источником напряжения. В этом случае P-N переход открывается.

Прямое смещение P-N перехода

При приложении к структуре P-N перехода обратной полярности – к p-области минус, а к n-области плюс; под действием внешнего электрического поля, дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу, а электроны к положительному. Ширина P-N перехода увеличивается, а свободные носители заряда в ней отсутствуют. P-N переход закрывается.

Обратное смещение P-N перехода

Выводы ·P-N переход в полупроводниках образуется при помощи различных примесных веществ, донорного и акцепторного типа. ·Основное свойство P-N перехода заключается в прохождении тока в одном направлении. ·На основании свойств P-N перехода построено множество полупроводниковых приборов, таких как: диод, светодиод, транзистор, стабилитрон, варикап, тиристор, симистор, интегральные микросхемы.

Полупроводники по удельному сопротивлению (rv = 10-5 –107 Ом*м) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При этом они обладают совокупностью специфических свойств, которые и выделяют их среди других веществ.

Для полупроводников характерна сильная зависимость значения удельной проводимости от вида и количества примеси, от величины внешних воздействий – света, температуры, облучения ядерными частицами, давления и т.д.

Согласно зонной теории твердого тела у полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещенная зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствии внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов. К полупроводникам условно относят вещества с шириной запрещенной зоны DЕ =0,05 – 3 эВ.

В таблице приведены значения ширины запрещенной зоны наиболее часто используемых в электронике полупроводников

Виды проводимости.

Собственная проводимость

Рассмотрим теперь структуру собственного (беспримесного) полупроводника. Монокристаллические полупроводники представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния (германия) называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. Она характерна для всех четырехвалентных элементов. Для определенности будем рассматривать структуру кремния. Это справедливо хотя бы потому, что приблизительно 97% всех изделий полупроводниковой электроники на сегодняшний день выполняются на основе кремния.

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов кремния появляются общие отбиты, на которых в соответствии с фундаментальным положение физики, называемым принципом запрета Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для связи с четырьмя другими атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом, получается, что любой атом кремния связан с каждым из четырех соседних атомов общей орбитой, причем на этой общей орбите находится два электрона. Такая связь атомов называется ковалентной.

Рис. 1

На рис. 1. приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния. На этом рисунке между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии. Каждая такая линия символизирует собой наличие электрона на общей орбите у этих атомов. Ее принято называть связью (валентной связью). Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне.

Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника происходит нарушение связей, т.е. некоторые валентные электроны получают тепловую энергию, необходимую для их перехода в зону проводимости (рис. 1, б). Такой переход соответствует ионизации атома и выходу из связи электрона (рис. 1, а). Появившиеся свободные электроны будут принимать участие в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения к полупроводнику).

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это приводит к возможному переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит электрон из другого атома и т.д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

С повышением температуры возрастает число свободных электронов в зоне проводимости и число вакантных уровней в валентной зоне. Очевидно, что этот процесс будет проходить интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Перемещение дырки (положительного заряда) соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Отметим, что процесс образования свободного электрона и дырки принято называть генерацией носителей заряда. Поскольку в рассматриваемом случае генерация происходит под действием тепла, то ее можно назвать термогенерацией.

Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме (см. рис. 1, б) представлено в виде кружочков с соответствующими знаками зарядов. Стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Таким образом, за счет термогенерации в собственном (беспримесном) полупроводнике, который принято обозначать буквой i, образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны n и дырки p, причем их число одинаково (n = p). Эти носители заряда иногда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, - собственной электропроводностью.

1 – зависимость для кремния,

2 – зависимость для германия

Рис. 2. Зависимость удельной электропроводности собственного полупроводника от температуры

Из графиков видно, что чем шире запрещенная зона, тем ниже располагается прямая, т.е. тем ниже удельная электропроводность при одной и той же температуре.

В полупроводниковой электронике, в отличие от собственной электропроводности, наиболее части используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

Примесная проводимость – создается путем легирования основного материала примесью.

Примесные полупроводники в отличии от собственных, содержат донорные или акцепторные примеси.

Электронная проводимость – донорная примесь (элементы пятой группы таблицы Менделеева (валентность 5) As, P, Sb)

Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева (валентность 4) ввести в качестве примеси элемент 5-ой группы, например мышьяк (As), то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примеси связан только со своим атомом силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (0,01 эВ - 0,05 эВ). Таким образом, энергетический уровень εд пятого валентного электрона на зонной диаграмме располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости и называется донорным уровнем (рис. 4).

Рис. 3.

Величина DЕд характеризует энергию, необходимую для возбуждения донорных электронов.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма, соответствующая донорному полупроводнику.

На этом уровне при очень низкой температуре и будет находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси. Очевидно, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки. В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (1014...1018 атомов/см³), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.

Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (nn ›› рn), но они все-таки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).

Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.

Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси элемент 3-ей группы (валентность равна 3), например, В Jn, B, Ga, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей. При этом одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т. е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.

Примесь, имеющую валентных электронов меньше, чем это необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и вследствие этого способную захватить электроны соседней связи, называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником

р-типа.

Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергия меньшая, чем для разрыва ковалентной связи. Значит, локальные энергетические уровни акцепторной примеси расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны. Таким образом электроны из валентной зоны переходят на акцепторный уровень (Рис. 5). При этом в валентной зоне образуется дырка. Положительно заряженный ион может заимствовать электрон от любого соседнего атома, что приведет к перемещению дырки по кристаллу.

Рис. 5

Рис. 6.

На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому здесь случаю (рис. 6), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень εА, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси. Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (рр ›› np). Таким образом, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число и практически равно числу ионизированных акцепторов. При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см³). Понятно, что чем больше концентрация доноров Nд, тем больше и концентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов NА, тем больше концентрация дырок в полупроводнике.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряд

В таблице сведены основные термины используемые в полупроводниковой технологии.

Основные параметры полупроводников.

1.Ширина запрещенной зоны ∆Е- фундаментальный параметр, отражающий зонную структуру энергетического спектра электронов в кристалле.

Ширина запрещенной зоны измеряется в эВ и ее значение прежде всего зависит от типа связей между элементами структуры атомами или ионами. Зависимость эта сложная и расчетных методов определения ∆Е не существует.

Ширина запрещенной зоны определяет многие свойства полупроводника. К ним относятся:

а) электропроводность и ее температурная зависимость,

γ=А*е(-∆E/2kT),

где ∆Е- ширина запрещенной зоны для собственного полупроводника или энергия активации для примесей.

На этой зависимости основывается один из экспериментальных методов определения ∆Е.

б) Значение ∆Е определяет предельную рабочую температуру примесного полупроводника. Само значение ∆Е слабо зависит от температуры, например для Si

d∆E/dT=-4*10⁻⁴В/град

в) Величина ∆Е определяет многие оптические свойства материала, в первую очередь его прозрачность для света данной длины волны.

∆Е=h*ν=1.24/λ,

где λ в мкм, ∆Е в ЭВ, h*ν- энергия фотона.

Свет с энергией h*ν> ∆Е поглощается материалом, генерируя пару электрон-дырка, свет с h*ν< ∆Е проходит через материал.

г) ∆Е определяет длину волны света, испускаемого р-п переходом в результате излучательной реакции. В случае, если рекомбинация электрон-дырка сопровождается выделением кванта света- фотона, то длина волны этого света близка к ∆Е.

Полупроводники, имеющие ∆Е<0,7эВ называются узкозонными, а ∆Е>1,5эВ – широкозонными.

2. Концентрация носителей заряда.

Собственная концентрация носителей заряда используется редко, поскольку вся масса приборов и все ИС изготавливаются на сильно легированных полупроводниках.

Для определения концентрации носителей заряда используют метод Холла.

Рис.7.

Пусть по проводнику течет ток I, напряжение между точками А и Д Ux=0. При помещении полупроводника в магнитное поле В, напрвленное перпендикулярно направлению протекания тока I

Ux=(1/q*n)*(I*B/b);

Rx =1/q*n – коэф. Холла.

Определив Rx , получаем значение концентрации n. Знак холловской разности потенциалов зависит от знака носителей заряда в полупроводнике.

Недостатки метода:

массивность установки т.к. требуются мощные электромагниты.метод не обладает локальностью по площади, т.е. требуется образец размером не менее 1х1 см2

3. Удельное сопротивление rv

rv - удельное сопротивление и обратная ей величина g -удельная электропроводность принадлежат к наиболее часто измеряемым параметрам в полупроводниковом производстве. Измерения проводятся на каждой пластине в нескольких точках, что позволяет судить об однородности материала. У существующих полупроводников rv составляет от 10⁻⁵ до 10⁺⁷Ом*м.

Удельное сопротивление полупроводника связано с другими параметрами следующим уравнением.

е* ρ*n*μ=1, где

e – заряд электрона;

n - концентрация носителей заряда

μ – подвижность носителей заряда, которая определяется скоростью дрейфа носителя заряда в электрическом поле.

Следовательно, для полной характеристики полупроводника надо измерить любую пару из трех параметров. При отлаженном производстве, ограничиваются измерением только удельного сопротивления т.к. выполняется оно просто и с достаточной точностью.

4. Подвижность носителей μ

Кроме концентрации носителей заряда (количество в единице объема), проводимость полупроводника зависит от подвижности носителей заряда, т.е. скорости дрейфа в электрическом поле напряженностью 1В/м:

μ = V/E [м²/(В·с)]

где: V – скорость дрейфа зарядов;

Е – напряженность электрического поля

Подвижность носителей - важный параметр, определяющий быстродействие приборов. Как правило, подвижность электронов μn всегда больше подвижности дырок μр. Это объясняется большей инерционностью дырок (соответствующей инерционности валентного электрона), чем свободного электрона.

Чем больше подвижность, тем больше скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового элемента. Подвижность носителей заряда зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является температура. Зависимость μ от температуры определяется механизмом рассеяния носителей. Поскольку с повышением температуры увеличивается интенсивность колебания атомов кристаллической решетки, то возрастает и число столкновений в единицу времени, следовательно, наблюдается падение подвижности носителей.

Для кремния п-типа можно записать

μ = μ₀(Т₀/Т)3/2,

где μ₀ - подвижность носителей при начальной (комнатной) температуре Т₀.

Аналогичные зависимости имеют место и для других полупроводниковых материалов; отличие заключается только в величинах показателя степени.

Подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках обычно уменьшается с повышением концентрации примесей, причем степень влияния концентрации примесей возрастает при ее увеличении, так как ионизированные атомы примеси являются такими же центрами рассеяния, как и атомы загрязняющих примесей.

В технологии полупроводников величина подвижности служит критерием чистоты и структурного совершенства материала. Подвижность измеряется при температуре жидкого азота (770К), когда "замораживаются" тепловые колебания атомов решетки и величина ее в чистых образцах резко (в 5-10 раз) увеличивается. В менее чистых образцах доля рассеяния на примесях больше, чем в чистых, и поэтому рост подвижности с понижением температуры невелик.

.

Произведение подвижности носителей на их концентрацию дает удельную электропроводность:

γ = μne

где: n – концентрация носителей,

μ - подвижность носителей,

e- заряд электрона.

Рис. 8. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры.

Удельная электропроводность полупроводника определяется концентрацией и подвижностью свободных носителей заряда, значения которых зависят от температуры. Причем для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная температурная зависимость, а для подвижности – степенная. Учитывая, что степенная зависимость слабее экспоненциальной, т.е., иными словами, концентрация носителей зарядов зависит от температуры в большей степени, чем подвижность, то можно записать:

g = Ae∙DEзз/2KT

где: А – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры.

К - постоянная Больцмана, К=8,6*10⁻⁵эВ/К.

Т – температура.

DEзз – ширина запрещенной зоны

Эту зависимость удобно анализировать в графическом виде, используя координаты Аррениуса ln g=f(1/T) , в которых она имеет вид прямой линии.

На первом графике приведена зависимость концентрации основных носителей заряда n от температуры. На втором графике – зависимость удельной электропроводности от температуры.

Из-за малых значений DЕд рост электропроводности проявляется в области низких температур (участок 1) за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. В этом диапазоне температур в полупроводнике n-типа происходит переход электронов с донорного уровня в зону проводимости, а в полупроводнике p-типа – из валентной зоны на акцепторный уровень. Процесс возрастания g с повышением температуры происходит до тех пор, пока не ионизируются все атомы примесей. Собственная же электропроводность полупроводника еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей практически от температуры не зависит и характер изменения g определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры. Подвижность носителей заряда с ростом температуры падает из-за усиления колебаний атомов кристаллической решетки, которые являются центрами рассеяния свободных носителей заряда (участок 2). В кремнии эта область приходится на диапазон –150÷150℃. Именно в этом диапазоне температур, т.е. на участке 2 работают полупроводниковые приборы. Резкое увеличение удельной электропроводности при дальнейшем росте температуры объясняется началом генерации электронно-дырочных пар и соответствует области собственной электропроводности (участок 3). При таких температурах происходит потеря работоспособности приборов на p-n переходах. Из графика на видно, что предельная максимальная рабочая температура полупроводниковых приборов определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала.

5. Время жизни носителей заряда τ.

Время жизни – это время за которое концентрация n убывает в e раз. (т.е. определяет среднее время жизни электронно-дырочных пар).

Материалы полупроводниковой технологии.

Германий (Ge) является одним из первых полупроводников, получивших широкое применение в серийном производстве различных полупроводниковых приборов. Его используют при производстве выпрямительных и импульсных диодов, различных видов транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, детекторов инфракрасного излучения и.д. Диапазон рабочих температур этих приборов от –60℃ до 80℃.

Германий обладает кубической решеткой. По внешнему виду благодаря характерному блеску он напоминает металл. Его кристаллы очень твердые и хрупкие. Сравнительно высокая стоимость германия объясняется сложностью получения исходного сырья.

Собственное удельное сопротивление германия составляет rv=0,47Ом·м.

Ширина запрещенной зоны DEзз=0,67эВ при Т=3000К

Температура плавления Тпл=937℃

Подвижность электронов μn=0,39м²/В*с

Подвижность дырок μp=0,19м²/В*с

λ=0,8Вт/см*рад

tраб.=-60÷+70℃

Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.

При нагревании на воздухе до температуры 650℃ германий окисляется с образованием GeO₂, но эта пленка имеет плохие защитные свойства.

Германий- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями.

Содержание германия в земной коре невелико 7 10⁻⁴%.

Материалы с большой концентрацией германия не встречаются в природе. Этот материал получают из побочных продуктов цинкового производства или из медно-свинцовых руд.

В результате химической переработки получают тетрахлорид германия GeCl₄, затем гпидролизом переводят его в двуокись германия GeO₂ – порошок белого цвета.

GeCl₄+2H₂O→GeO₂+4HCl

GeO₂ восстанавливают в водородной печи при tо = 650 – 700℃ до элементарного Ge - порошок серого цвета

GeO₂+2H₂→Ge+2H₂O

Затем порошок сплавляют в слитки, которые требуют дополнительной очистки.

Для получения чистого германия используют метод зонной плавки или вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, используемый для изготовления полупроводниковых приборов, не должен содержать случайных примесей больше 5х10⁻⁹%. Наиболее распространенным способом очистки германия является метод зонной плавки. Метод зонной плавки основан на сегрегации примесей в жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в жидкой и твердой фазе.

1 – кварцевая трубка, заполненная инертным газом,

2 –индукционный нагрев, 3 – слиток германия, 4 – графитовая лодочка,

5 – расплавленные зоны.

Ширина зоны плавления 40 – 50мм.

Скорость движения каретки 15 – 20мкм/с.

Длина слитка Ge может быть до 1000мм.

Для достижения требуемой чистоты необходимо 5 – 8 проходов расплавленной зоны, или один проход с 5 – 8 витками. В ходе плавки все примеси, имеющие Тпл. примеси ‹ Тпл Ge захватываются жидкой фазой и вместе с ней уносятся к концу слитка, которую отрезают (20 – 25мм).

Кремний (Si) является самым распространенным элементом в земной коре после кислорода, его содержание в ней 28%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие распространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты.

Кремний применяют для изготовления различных диодов и транзисторов, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла и многих других полупроводниковых приборов. Кремний используется при изготовлении интегральных схем. Практически 98% полупроводниковых интегральных схем, в настоящее время, выполняются на основе кремния.

Собственное удельное сопротивление кремния составляет rv =2·10³Ом·м.

В технологическом отношении кремний более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1420℃ и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).

Кремний дешевле германия из-за доступности исходного сырья. Допустимое содержание посторонних примесей в кремнии, используемом в производстве полупроводниковых приборов, не должно превышать 10⁻¹¹%.

Благодаря тому, что кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 200℃.

Получение и очистка кремния

Кремний- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями. Устойчив при нагреве на воздухе до 900℃, затем активно окисляется.

Достоинства кремния:

1. оптимальная температура плавления 1420℃. При более низкой температуре не возможно было бы проводить диффузию, протекающую при 1220℃, а при более высокой создало бы проблемы для материалов петлей и реакторов.

2.достаточная ширина запрещенной зоны обеспечивает хороший температурный диапазон -60÷+130℃

3. возможность получения на поверхности Si собственного окисла SiO₂, обладающего хорошими защитными свойствами.

4. доступность сырья: содержание кремния в земной коре составляет около 28%.

Параметры кремния:

∆Езз=1,12эВ

ρv=2*103 [Ом*м]

μn=0.14 [м²/В*сек]

μp= 0,05 [м²/В*сек]

λ=0,8Вт/м*град

Ограничения:

1. не обладает излучательной способностью (не пригоден для ОКГ и светодиодов)

2. невысокая подвижность носителей, что препятствует созданию на нем сверхвысокочастотных приборов.

3. высокая химическая активность в расплавленном состоянии

4. наличие трудноудаляемых примесей (бор), температура плавления которого значительно выше (2300℃)

5. невысокая радиационная стойкость.

Получение поликристаллического чистого кремния:

1.Водородным восстановлением из хлорсиланов (тетрахлорида кремния SiCl₄ или трихлорсилана):

SiCl₄+2H₂↔Si+4HCl;

SiHCl₃+H₂↔Si+3HCl

2. термическим разложением (получение поликристаллических пленок) моносилана

Si H₄ SiH4₄→Si+2H₂

Очистка:допустимое содержание примесей 10⁻¹¹%для Si метод зонной плавки не нашел применения из-за активности кремния (активно реагирует с углеродом)температура плавления кремния близка к температуре плавления кварцевого стекла.

Получение монокристалла:

1. метод Чохральского (диаметр слитков до 100,150мм)

2. метод бестигельной зонной плавки, диаметр до 60мм.

Наибольшее распространение для получения монокристаллов полупроводниковых материалов получил метод Чохральского.

Сущность метода: на монокристаллическую затравку нарастает кристалл в точности повторяющий кристаллографическую ориентацию в самой затравке.

Основные стадии процесса:

плавление поликристаллической загрузкиоплавление монокристаллической затравки и кристаллизация на ней первых порций расплаваподъем затравки и вытягивание щеткиразращивание монокристалла до номинального диаметрарост монокристалла постоянного диаметраоттяжка на конус, обрыв кристаллаохлаждение выращенного монокристалла

Процесс очистки бестигельной зонной плавкой нашел применение только для получения монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим значением временной жизни неосновных носителей заряда (> 1000мкс)

Бестигельная зонная плавка.

Метод Чохральского применяют, в основном, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением (ρ<2,5Ом*м).

Бестигельная зонная плавка используется для получения высокоомных монокристаллов кремния (ρ- до 200 Ом*м) с малым содержанием остаточных примесей, особенно кислорода и с большим временем жизни неосновных носителей заряда. При методе Чохральского время жизни 10/50 мкс, при бестигельной зонной плавке – до 3000мкс. Метод бестигельной зонной плавки так же основан на сегрегации примесей в жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в жидкой и твердой фазе.

При этом методе узкая зона расплава удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения.

Использование метода возможно при малой плотности и большом коэффициенте поверхностного натяжения в жидком материале.

Эти условия имеют место в жидком Si.

Для получения монокристаллов в Ge этот метод нельзя использовать из-за большой плотности и малого поверхностного натяжения. Диаметр получаемого слитка <15мм.

Можно выращивать этим методом однородные монокристаллы диаметром до 60-76мм, а при использовании индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня- до 100мм.

Процесс плавки можно проводить в вакууме и в атмосфере инертных газов. Плавка в водороде используется тогда, когда проводится одновременное легирование из газовой фазы. В этом случае водород служит газом-носителем.

Этапы процесса бестигельной зонной плавки:

разогрев торца кремниевого стержняобразование висячей капли расплава кремнияоплавление затравкивыращивание щетки (начальная стадия роста монокристалла)проведение процесса в установившемся режиме

К недостаткам метода следует отнести:

1. сложная дорогостоящая аппаратура.

2. меньшая производительность, чем при методе Чохральского.

3. более высокая стоимость.

Толщина пластин кремния составляет 400мкм при диаметре до 76мм. В США 625мкм при диаметре 100-150мм.

Основные проблемы получения пластин Si.

Увеличение диаметра → уменьшение стоимости. Но увеличение диаметра приводит к недопустимому искривлению поверхности при высокотемпературных обработках и краевым сколам. Следовательно, увеличение диаметра требует увеличения толщины, а увеличение толщины приводит к увеличению стоимости единицы площади и увеличению внутренних напряжений. При росте стоимости падает эффект от использования пластин большого диаметра. Поэтому диаметр целесообразно выбирать в зависимости от назначения пластин. В зависимости от назначения пластины:

- 40мм- для диодов

- 50-60мм- для транзисторов и ИС малой и средней степени интеграции.

- 76 и выше – для БИС и СБИС

Получение бездефектных кристаллов (в частности, бездислокационных), т.к. любая даже внутренняя дислокация может выйти на поверхность и нарушить работу отдельных элементов и всей схемы в целом.Получение гладкой поверхности, обработанной по 14 классу. Химическая полировка, уничтожая неровности, может создать ямки травления.

Применение кремния.

Кремний является основным материалом при изготовлении планарных транзисторов и ИС. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10ГГц.Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды. Кремниевые выпрямительные плоскостные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500В и пропускать ток до 1500А, превосходя по этим параметрам германиевые диоды.Широкое применение нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды. Кремниевые фотоэлементы преобразующие солнечную энергию в электрическую, используются в солнечных батареях.Кремний, как и германий, используется для изготовления датчиков Холла и тензодатчиков (приборах, использующих сильную зависимость удельного сопротивления от механических деформаций)

Верхний температурный предел работы кремниевых приборов в настоящее время достигает около 200℃.

Полупроводниковые соединения.

Наиболее часто используемые соединения:

АᴵⱽВᴵⱽ - SiC – карбид кремния.

АᴵᴵᴵВⱽ – GaAs – арсенид галлия, GaP, InP – фосфиды галлия и индия, InSb – антимонид индия, InAs - арсенид индия.

Карбит кремния.

По типу химической связи SiC относится к ковалентным кристаллам. Как следствие сильной химической связи – высокая температура плавления, высокая термостойкость и твердость.

В зависимости от сырья и технологии получения можно получить бесцветные, зеленые и черные кристаллы карбида кремния. Чистый карбид кремния бесцветный. Таким образом, по цвету можно определить наличие примесей и % соотношение Si и C.

Элементы 5 группы – азот, фосфор, арсенид, сурьма, висмут и железо дают зеленую окраску и электропроводность n-типа.

Элементы 2 группы – кальций, магний, и 3 группы – бор, алюминий, галлий, индий – голубую и фиолетовую окраску (в толстых слоях – черную) и электропроводность p-типа.

Избыток кремния приводит к электронной проводимости, а избыток углерода - к дырочной.

Собственная электропроводность начинается с t = 1400℃.

Параметры:

∆Е=2,8 – 3,1эВ

μn=0.3 [м²/В*сек]

μр= 0,02 [м²/В*сек]

В промышленности используют монокристаллы карбида кремния и порошкообразый карбид кремния.

Карбид кремния используется в сверхбыстрых высоковольтных диодах Шоттки, n-МОП транзисторах и в высокотемпературных тиристорах. По сравнению с приборами на основе кремния и арсенида галлия приборы из карбида кремния имеют следующие преимущества:

в несколько раз большая ширина запрещённой зоны;

в 10 раз большая электрическая прочность;

высокие допустимые рабочие температуры (до 600℃);

теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;

устойчивость к воздействию радиации;

стабильность электрических характеристик при изменении температуры и отсутствие дрейфа параметров во времени.

Как ювелирный камень карбид кремния используется в ювелирном деле: называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9—9,5 по шкале Мооса, по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления 2,65—2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза).

Арсенид галлия (GaAs)

Получают поликристаллический GaAs реакцией синтеза из высокочистого мышьяка и галлия. Для выращивания монокристалла используют метод Чохральского. Трудности возникают в связи с высокой летучестью мышьяка (много дефектов в структуре). Используют пленку из борного ангидрида (B₂O₂) толщиной 1 мм и высокоточный контроль температура расплава ( до 0,1°֯).

Среди соединений АᴵᴵᴵВⱽ GaAs занимает особое место. Большая ширина запрещенной зоны (1,4эВ), высокая подвижность электронов [0,85 м²/(В·с)] позволяют создавать на основе GaAs приборы, работающие в области высоких температур (Тпл = 1238℃) и высоких частот 10¹⁰Гц.

GaAs имеет высокое удельное сопротивление 10⁷Ом м и в отличии от кремния считается не полупроводником, а полуизолирующим материалом. При создании схем из GaAs с высокой плотностью не нужны изолирующие области, которые в схемах на основе кремния требуют дополнительных технологических операций.

К недостаткам GaAs относят невысокую теплопроводность (в 3,5 раз меньше чем у Si) и высокую активность в расплавленном состоянии (в качестве контейнерного материала используют синтетический кварц). Пластины из арсенида галлия очень хрупкие.

Арсенид галлия применяют при изготовлении светодиодов, параметрических, туннельных диодов, диодов Ганна, лазеров, полевых транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Представляется перспективным создание интегральных схем на подложке из полуизолирующего арсенида галлия.

Антимонид индия (InSb)

Этот материал имеет очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов [7,7 м²/(В·с)]. InSb используют при изготовлении детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, туннельных диодов, термоэлектрических генераторов, лазеров, тензометров.

Малая ширина его запрещенной зоны и большая разница между подвижностями электронов и дырок обусловливает в этом материале явления, которые слабо проявляются в других полупроводниках.

Фосфид галлия (GaP)

GaP имеет большую ширину запрещенной зоны 2.25эВ, широко применяют в серийном производстве светодиодов.

Высокая температура плавления (около 1500℃) и большое давление паров (35·10⁵Па) вызывают значительные технологические трудности выращивания монокристаллов фосфида галлия высокой степени чистоты. GaP с электронной электропроводностью, используемый при изготовлении светодиодов, обычно выращивают из расплава по методу Чохральского.

Благодаря большой ширине запрещенной зоны GaP излучательные переходы в этом материале происходят в видимой области спектра. Это позволило создать на основе GaP светодиоды, дающие зеленое и красное свечение.

Арсенид индия (InAs)

InAs имеет малую ширину запрещенной зоны (0,36эВ) и большую подвижность электронов [3,3м²/(В·с)]. Температура плавления InAs равняется 942℃. Арсенид индия в основном используют при изготовлении датчиков Холла, а также фотодиодов и лазеров.

Фосфид индия (InP)

InP применяют при изготовлении лазеров. Технологические трудности выращивания монокристаллов фосфида индия связаны с высоким давлением паров (21·10⁵Па) в точке плавления (1062℃). Наиболее чистый InP имеет концентрацию электронов 10²¹м⁻³.

В таблице приведены значения основных параметров некоторых полупроводниковых материалов и соединений типа АᴵᴵᴵВⱽ.

Оксидные полупроводники.

Окислы – соединения, в которых связь обычно ионная.

К полупроводниковым окислам относятся:

1. Окислы меди – закись меди Cu₂O – полупроводниковое соединение с кристаллической решеткой ионного типа. Получают на поверхности медных пластин окислением при высоких температурах. Решетка кубическая.

Cu₂O – вещество красно-малинового цвета. Обладает дырочной проводимостью, Электропроводность очень сильно зависит от примесей и термической обработки.

Параметры:

∆Е=1,56эВ

μр= 0,005 [м²/В*сек]

Тпл = 1232℃

Применение: полупроводниковые выпрямители и фотоэлементы.

2. Окись цинка ZnO.

В этом соединении необходим избыток цинка по сравнению с стехиометрическим составом (законы о количественных соотношениях, в которые вступают вещества при химическом взаимодействии друг с другом).

При этом ZnO является полупроводником n-типа.

Параметры:

∆Е=3,2эВ

μn=0.05 [м²/В*сек]

3. Окись марганца Mn₃O₄.

Это соединение имеет кристаллическую решетку ионного типа. Особенностью Mn₃O₄ является резко выраженная зависимость удельного сопротивления от температуры, поэтому этот материал как правило, используют при изготовлении терморезисторов с резко выраженным отрицательным ТКR (1 – 8) 10⁻² 1/град.

Технология получения полупроводниковых материалов

При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в полукристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.

Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются : выращивание из расплава с помощью монокристаллической затравки, метод зонной кристаллизации и выращивание из газовой фазы (метод сублимации).

Выращивание кристалла из расплава

Для выращивания полупроводниковых кристаллов используют процессы кристаллизации из расплавов, паров или растворов кристаллизирующегося вещества. Промышленное применение нашли тигельный и бестигельный способы выращивания кристаллов из расплавов.

Наиболее старый тигельный способ выращивания монокристаллов (метод Бриджмена) заключается в том, что расплав и растущий кристалл находятся в тигле с заостренным концом (рис.47).

Рис 47. Тигельный способ получения монокристалла.

Тигель изготовлен из материала с температурой плавления выше, чем у полупроводника. После загрузки тигля исходным полупроводниковым материалом (поликристаллическим) его помещают в печь и нагревают до температуры плавления полупроводника. Затем тигель с расплавом охлаждают так, чтобы кристаллизация началась с заостренного конца. Т.к. объем расплавленного вещества в заостренной части тигля мал, вероятность образования в нем только одного центра кристаллизации велика. При последующем охлаждении фронт кристаллизации постепенно перемещается от заостренного конца тигля через весь расплав.

В результате этого зародыш кристалла, возникший в заостренной части тигля, будет увеличиваться, образуя монокристалл, повторяющий форму и размеры внутренней полости тигля.

Описанный способ называют способом направленной кристаллизации.

Отсутствие перемещения монокристалла относительно расплава позволяет тигель с монокристаллом в запаянной кварцевой ампуле, из которой выкачен воздух, целиком помещать в печь с тремя температурными зонами. В первой происходит расплавление материала, во второй создается разность температур, в третьей устанавливается заданное давление паров летучего компонента.

Другим широко используемым методом выращивания полупроводниковых монокристаллов является зонная плавка. Для его реализации в один конец тигля помещают полупроводниковый материал, а в другой - монокристаллическую затравку (рис.48).

Рис.48. Метод зонной плавки.

Тигель вставляют в кварцевую трубку, вокруг которой расположен индуктор, питаемый высокочастотным генератором. Индуктор создает в трубке узкую зону высокой температуры, расплавляющей поликристаллический материал. При перемещении тигля внутри тигля расплавленная зона перемещается от монокристаллической затравки вдоль тигля, в результате чего весь полупроводниковый материал переходит в монокристаллическое состояние.

Наиболее распространенным промышленным способом получения больших монокристалловSi, Ge и ряда других полупроводниковых материалов является вытягивание их из расплава (метод Чохральского). Процесс выполняется в герметичной камере в атмосфере инертного газа или в вакууме (рис.49).

Рис.49. Получение монокристалла методом Чохральского.

Поликристаллический полупроводниковый материал 4 помещается в тигель 5, жестко соединенный с охлаждаемым штоком 6. Шток вращается со скоростью 10-15 об/мин. Тигель нагревается СВЧ нагревателем 3. Постепенно повышая температуру, материал доводят до плавления и некоторое время выдерживают в перегретом состоянии, благодаря чему расплав очищается от нерастворимых примесей. После очистки зеркала расплава температура устанавливается чуть больше Тпл и медленно вводят затравку 3 до касания зеркала. Положение тигля относительно нагревателя ориентируется таким образом, чтобы в центре зеркала была наиболее холодная зона. Часть затравки расплавляется. Затем шток с затравкой медленно поднимается в более холодную зону со V=0,5-3мм/мин.

Преимуществом этого метода по сравнению с другими является то, что монокристалл формируется в свободном пространстве, не испытывая никаких механических воздействий со стороны тигля. Размеры растущего кристалла можно изменять в широких пределах, не изменяя конструкции установки, а процесс кристаллизации наблюдать через окно в камере.

Слитки полупроводниковых материалов являются заготовками для изготовления пластин, на которых формируют структуры приборов и интегральных микросхем.

В производстве приборов используют полупроводниковые материалы, легированные различными добавками, что позволяет существенно изменять их электрические параметры. Легирование выполняют при выращивании слитка. Полученный материал маркируют, как указывалось выше.

Обработка полупроводниковых материалов

Поскольку полупроводниковые материалы обладают высокой твердостью (до 10¹⁰Па) и хрупкостью, при резке слитков на пластины используют абразивные методы резки. Для разделения пластин на кристаллы прямоугольной или квадратной формы применяют скрайбирование - нанесение рисок алмазным резцом. Форма рисок изображена на рис.50.

Рис 50. Форма надреза п/п пластины при скрайбировании.

По рискам осуществляют надлом пластины. Скрайбирование может осуществляться и лучом лазера, при этом за счет большого градиента температур в пластинах образуются локальные напряжения, и, кроме того, часть металла испаряется, образуя канавку.

Полупроводниковые приборы

Кремний — главный полупроводник

Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)

Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.

Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов

В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как EF. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.

Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.

В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.

Положение равновесия в pn-соединении

Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.

P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.

Диод

Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д.

Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Транзистор

Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые.

Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов.

На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе.

На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом.

Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход).

Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему.

Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе.

Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором).

Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе.

В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.

Среди них наиболее интересный это h₂₁ параметр, который часто можно встретить в документации на транзисторы, что он значит будет сказано ниже.

Вопросы работы с транзисторами достаточно сложны, как и с любыми полупроводниковыми устройствами, поскольку включают в себя также различные зависимости от температуры, от частоты сигнала, различные шумы и т.д. Касаться всего этого не будем, ниже лишь немного рассмотрим два наверно наиболее популярных применения транзисторов, в качестве усилителей сигналов и в качестве ключей.

Транзистор-усилитель

Когда говорят об усилительных свойствах какого-нибудь устройства, обычно рисуют графики, как на рисунке ниже. На графиках показывается как меняется выходной сигнал в зависимости от входного.

Взглянув на рисунок, можно заметить схему, это самая простая схема включения транзистора (в данном случае биполярного), которая позволяет ему усиливать сигнал. Самое сложное тут, это «передвинуть» входной сигнал так (по входной характеристике), чтобы он начал усиливаться, да ещё и без искажений. Для этого, нужно, чтобы «центр» сигнала был в такой точке, от которой по обе стороны одинаково меняется кривая. Это нужно, чтобы не было искажений. Такую точку называют рабочей. Для этого на схеме есть специальный резистор, который к входному сигналу даёт постоянное смещение. По графикам можно проследить, что сигнал усилился. Видно, что усиление происходит по току, ну и как следствие по напряжению тоже. Поэтому для характеристики усилительных свойств транзисторов вводят специальные коэффициенты, которые показывают во сколько раз выходной ток, напряжение или мощность больше входного. Параметр h₂₁, о котором говорилось выше, является приблизительно равным коэффициенту усиления по току. На этом следует остановиться, ибо вопросы, касаемые усилителей и усилительных каскадов сложны и являются вообще отдельной веткой электроники. Поэтому об этом или говорить всё или лучше ничего или почти ничего, здесь рассмотрены лишь основы. Вершиной совершенства полупроводниковых усилителей являются специальные каскады, которые называются операционные усилители, которые сейчас представляют целое полупроводниковое аналоговое устройство с наисложнейшей архитектурой

Транзистор-ключ

Другим направлением развития применения транзисторов, которое стало также очень популярным и положило начало всей современной цифровой электронике, является применение транзисторов в качестве ключей. Ключом называют обычный переключатель между двумя состояниями. На рисунке представлен пример такого обычного переключателя.

Для того, чтобы сделать из транзистора ключ, необходимо также выбрать два состояния транзистора, между которыми производить переключение. Обычно это когда транзистор проводит большой ток и когда маленький, говорят транзистор «открыт» или «закрыт». С позиции цифровых применений, это соответствует «1» и «0». Проектирование цифровых ключей тоже имеет много подводных камней и схемы во много раз сложнее тех, что изображены на рисунке, но основа та же. Дело в том, что для ключей критическим является скорость переключения, а также различимость двух состояний. Поэтому требуются расчёты и модернизации, чтобы оптимальным образом работать с характеристиками транзистора.

Основная идея заключается в том, что имеется некоторая электрическая цепь с одним постоянным сопротивлением и одним переменным, в качестве которого выступает транзистор. Если сопротивление транзистора намного больше постоянного сопротивления, то всё напряжение падает на нём, а на резисторе оставшееся. Если же, у транзистора на много меньше сопротивление постоянного, то ситуация противоположная. Суммарно напряжение на транзисторе и постоянном сопротивление всегда равно напряжению питания. Это закон, который ещё называют законом Кирхгофа №2. Отсюда становится понятна идея, что при подаче сигнала (тока, напряжения) на вход транзистора, он открывается и всё падает на постоянном сопротивлении, если убрать сигнал, то он «закрыт» и всё падает на транзисторе. Если мерить напряжение на транзисторе, то зависимость между входом и выходом будет похожа на логическую операцию инверсия: когда на входе «1», на выходе «0» и т.д.

Большую популярность сейчас имеют схемы, на подобие той что приведена в правом верхнем углу рисунка. Это так называемая комплементарная пара. Тут всё просто: подавая один и тот же сигнал на транзисторы с разным типом канала, всегда будет открыт только один из транзисторов. Это позволяет уменьшить энергетическое потребление схемы.

Цифровые транзисторные ключи позволяют создавать сложные логические схемы, которые уже способны производить наисложнейшие вычисления.

Транзисторы: MOSFET

Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.

По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.

Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)

Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.

Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.

Из курса физики известно, что конденсатор создает электрическое поле в том случае, если между его пластинами существует разница потенциалов. При этом из-за плотности электронов и «дырок» линии электрического поля не могут проходить сквозь проводники. Однако для полупроводников это правило не выполняется.

Изгиб зон в полупроводниках. Зеленым цветом отмечена граница зоны проводимости, красным цветом — граница зоны валентности

В результате для полупроводников возникает ситуация, когда электроны кремния, расположенного рядом с диоксидом кремния, имеют больше шансов быть делокализованным. Это проявляется в изгибе зон, который можно увидеть на картинке выше. Это приводит к повышению вероятности того, что электроны смогут преодолеть расстояние между зонами валентности и проводимости.

С ростом плотности электронов изгиб зон уменьшается. Эффект изгиба зон уменьшается до тех пор, пока не исчезает совсем. В точке, где эффект прекращает действовать, заканчивается и созданный канал. При этом из-за большого количества свободных электронов создается инверсионный слой. В случае с NMOS-транзистором в инверсионном слое подложка p-типа становится подложкой n-типа. Теперь, если к затвору приложить положительное напряжение, то он позволит пропустить ток от стока к истоку. PMOS-транзистор работает ровным счетом наоборот: если приложить к затвору отрицательное напряжение, то он начнет пропускать ток от истока к стоку.

Логические элементы

Рассмотренные в предыдущем разделе транзисторные ключи в первую очередь нашли своё применение в цифровой электроники. Можно даже говорить, что они её сформировали. При помощи только одного ключа можно сформировать все нужные конструкции, чтобы рассчитывать логические функции. В математике доказывается, что для это не нужно реализовывать все возможные функции, достаточно того, чтобы можно было сделать только несколько основных (базис), через которые уже можно выразить все остальные. Например, это может быть операция инверсии и конъюнкция (2И-Не), а может быть исключающее или и инверсия. Простой ключ уже сам по себе реализует инверсию. А конструкции, которые показаны ниже на рисунке, позволяют реализовать операцию 2И-Не (такой каскад называют вентиль).

На картинке изображены две схемы, одна для биполярного транзистора, другая для полевого, причём полевой транзистор использует комплементарные пары. Существует огромное количество различных модификаций данных типов соединений. Но эти являются самыми основными. Причём КМДП логика на данный момент является самой популярной, правда, не в чистом виде. Все технологические новинки являются коммерческой тайной производителей электроники.

Рассмотрим для примера работу ТТЛ (транзистор-транзисторная логика). Тот интересный транзистор, который расположен на входе, на самом деле не является конкретным устройством, это всё реализуется интегральными методами, но об этом позже. Пусть, к примеру, напряжение питания 5В., а на входах A и B сигналы «0», т.е. примерно 0.1В.. Это говорит о том, что эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Если устройство делается из кремния, то на таком переходе будет примерно 0.7В. (это факт, связанный с потенциальным барьером). Тогда, опираясь на закон Кирхгофа №2, можно говорить, что между базой входного транзистора и землёй, которая у выходного транзистора падает примерно около 0.8В.. Точность тут не важна, главное понимать, что этого мало, поскольку для того, чтобы по этой цепи протекал электрический ток, нужно как минимум 0.7 + 0.7, поскольку в цепи два pn-перехода (один коллекторный — от первого транзистора, второй эмиттерный — от второго). Тогда транзистор на выходе закрыт, и на выходе ключа «1». Ситуация, когда A и B «1» и «0» (или «0» и «1») ничего не меняет, поскольку разные потенциалы на входе будут замыкаться, и pn-переход также будет в прямом смещении. Однако, если подать на вход «1» и «1» т.е. по 5В., тогда между базой и эмиттерами переходы будут в обратном смещении. Т.е. на них будут маленькие напряжения, что говорит о том, что на базе почти 5В.т. Тут тоже точность не нужна. Важно то, что этого напряжения уже достаточно и спокойно открываются оба pn-перехода. Это приводит к тому, что начинает течь ток и открывается выходной транзистор, на выходе которого «0». Вот такая зависимость между A, B и Y называется 2И-Не, поскольку это операция логическое умножение и затем инверсия.

Также очень интересной является И2Л (интегрально-инжекционная логика), которая тут не представлена на картинке, т.к. не очень популярна, однако в СССР были значительные успехи в её применении. Уникальность её заключается в сверхмалой потребляемой мощности (можно работать с напряжениями до 1 вольта), устойчивости к шуму и очень компактные размеры (связано с планарной технологией). О принципах её работы также здесь не будет сказано, поскольку говорить нужно о многом.

CMOS логика

Разобравшись с принципом работы транзистора, переходим к следующему вопросу: как же имплементировать логические операции с помощью таких затворов? На самом деле, трудно представить связь между протеканием тока и теми инструкциями, которые можно увидеть в программном коде. Существует далеко не один метод для реализации логики, однако сегодня мы остановимся на самом распространенном из них — CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Почему же CMOS стал столь популярным? Причина кроется в энергоэффективности метода. CMOS затрачивает значительное количество энергии только во время переключений, в то время как другие методы имплементации логики потребляют достаточно много энергии вне зависимости от состояния.

Однако прежде чем перейти к рассказу о CMOS, необходимо сказать несколько слов о булевой логике. Если не углубляться в подробности, то ее суть заключается в том, что любое выражение можно свести к последовательности простейших логических операций. Этими операциями являются «И» (конъюнкция), «ИЛИ» (дизъюнкция) и «НЕ» (отрицание). Именно они составляют основу всех функций, которые поддерживаются современными вычислительными устройствами.

Нужно отметить, что CMOS состоит исключительно из MOSFET-транзисторов p- и n-типа и не имеют в своей архитектуре резисторов. Поэтому существуют определенные требования, которые позволяют заимплементировать всевозможные логические вентили. Таких требований всего два:

Все PMOS-транзисторы должны иметь на входе источник напряжения или другой PMOS-транзистор.Все NMOS-транзисторы должны иметь на входе землю или другой NMOS-транзистор

Рассмотрим эти требования на примере логического вентиля отрицания. Для его реализации требуется один NMOS- и один PMOS-транзистор. В такой конструкции PMOS-транзистор подсоединен к источнику напряжения, а NMOS — к земле. Схему вентиля отрицания можно увидеть ниже.

Схема логического вентиля отрицания

Принцип работы вентиля отрицания заключается в следующем. При высоком напряжении на входе NMOS-транзистор переходит во включенное состояние, а PMOS, наоборот, находится в выключенном. Тогда напряжение на выходе находится на уровне, близком к 0 В. В случае, если на вход подается низкое напряжение, PMOS-транзистор переходит во включенное состояние. При этом на выходе напряжение относительно высокое и по своему значению близко к показателю Vdd. Если говорить более простым языком, то при подаче на вход близкого к нулю напряжения (другими словами, значения «0») на выходе мы получаем ненулевое напряжение (значение «1»). И наоборот: при подаче нулевого напряжения (значение «0») на выходе получается ненулевой вольтаж (значение «1»).

Как вы знаете, современные процессоры состоят из миллионов таких транзисторов. При этом столь огромное их количество удается разместить на достаточно малой площади. К примеру, процессор Apple A8, использующийся в смартфонах iPhone 6, имеет около двух миллиардов транзисторов. Но при этом размер кристалла составляет всего 89 мм2. Делать столь производительные и небольшие чипы позволяют современные производственные технологии, о которых и пойдет речь далее.

Яркими представителями современных полупроводниковых устройств являются процессоры и иные микросхемы. Все эти устройства построены на pn-переходах. Миллионы транзисторов образуют ключи, которые в свою очередь образуют логические элементы, реализующие разнообразные операции: сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. О том, как на элементе 2И-Не всё это можно реализовать следует почитать в дополнительной литературе по алгебре логики.

Современные сложные машины могут «засунуть» такое огромное количество транзисторов в такие маленькие размеры при помощи так называемой планарной технологии. Суть её состоит в том, что берётся чистый кусок полупроводника (тонкая пластинка) и на него наслаивают различные уровни примесей через специальную маску, чтобы разместить примесь в нужном месте. И так поочерёдно образовывая сложные соединения. Это действительно высокие технологии, которые не стоят на месте. Конечно, сейчас операции намного сложнее, чем тут описано, однако принцип остаётся тем же.

Производство транзисторов

Производство любого чипа начинается с применения метода Чохральского, с помощью которого выращиваются кристаллы кремния. Этот метод был придуман польским химиком Яном Чохральским еще в 1916 году, когда он случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он заметил, что за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Чохральский решил повторить эксперимент, однако вместо ручки использовал небольшой кусок металла. Результат опыта был аналогичным: при вытягивании металла из расплавленного олова снова образовалась металлическая нить. Эта нить представляла собой монокристалл размером около 1мм в диаметре и до 150см длиной. Тем не менее, использовать метод Чохральского для промышленного производства полупроводниковых кристаллов начали только в 1950-х годах.

Итак, в чем же заключается суть метода Чохральского в настоящее время. Первым шагом является плавление чистого кремния и погружение его в кварцевый тигель. Иногда на этом этапе добавляются другие материалы, чтобы полученный кристалл обладал немного иными характеристиками. Затем в тигель с расплавленным кремнием опускается затравка определенного сечения и заданной ориентации. Шток с затравкой вращается и по мере нарастания кремния постепенно поднимается вверх. При этом тигель с расплавом вращается в противоположном направлении. Полученный монокристалльный кремний разрезают на пластины толщиной 75мм и диаметром до 300мм, а затем полируют для того, чтобы поверхность была как можно более плоской и гладкой.

После этого пластина подготавливается для процесса фотолитографии. На ее поверхности наращивается слой оксида, а затем вся пластина очищается от всевозможных загрязнений. Следующим шагом является нанесение фоторезиста на поверхность пластины, после чего на протяжении примерно полутора минут она вращается на огромной скорости. После нанесения фоторезиста пластина помещается на несколько минут в печь, где достигается температура порядка 100-120 градусов Цельсия. Этот процесс называется задубливанием. Он необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии (сцеплению поверхностей разнородных тел).

После завершения подготовительного этапа наступает время экспонирования. Данный процесс заключается в засветке фоторезиста через фотошаблон, который содержит желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона. Сейчас, как правило, в производстве используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 193 нм. После экспонирования пластину вновь помещают в печь для вторичного задубливания. Этот шаг не является обязательным, но чаще всего его не пропускают, дабы повысить качество последующего процесса проявления фоторезиста.

Проявление фоторезиста заключается в удалении определенных его частей и формировании в его пленке окон. Если раньше для проявления использовались специальные жидкости (например, гидроксид тетраметиламмония), то сейчас производители предпочитают проводить эту процедуру с помощью ионизированного газа. Для получения готового чипа все вышеописанные шаги повторяются для пластины около 50 раз. А теперь рассмотрим непосредственно создание транзисторов на примере CMOS-инвертера.

Первый литографический проход используется для размещения кремния n-типа, который будет использоваться PMOS-транзистором. После этого наращивается слой оксида и размещается слой поликремния. Во время следующего литографического прохода применяется процесс травления для определенных частей слоя оксида, а также для большей части слоя поликремния. Затем с помощью процесса ионной имплантации создаются стоки и истоки. Сама ионная имплантация представляет собой процесс, во время которого ионы с высокой энергией (порядка 10-2000КэВ) на большой скорости врезаются в подложку и остаются в ней. После создания истоков и стоков во избежание роста слоя оксида поверх него наносится еще и слой нитрида.

Последовательность всех этих операций называется FEOL (front-end-of-line). Результат их выполнения — это наличие на пластине отдельных транзисторов, которые пока что никак не связаны между собой. Создание внутренних связей между компонентами пластины происходит во время следующего этапа — BEOL (back end of line).

Во время BEOL-процессов поверх слоя нитрида наносится еще один слой — металлический. Затем к этому слою применяется травление, в результате чего между всеми компонентами образуются соединения. Интересно, что при производстве во время BEOL-процесса металлические слои наносятся 12 раз.

Структура CMOS-чипа. На рисунке можно увидеть, сколько слоев наращивается во время каждого из этапов

Конечно, описанный процесс создания чипов далеко не идеальный. Даже крупнейшие производители кристаллов порой испытывают трудности с выпуском годных чипов. Дабы избежать попадания бракованных кристаллов в конечные устройства, пластины постоянно и тщательно тестируются. Если во время тестирования в пластине обнаруживаются дефекты, то она попросту выбрасывается. Особо внимательно пластины тестируются после окончания FEOL и BEOL этапов.

По своему назначению полупроводниковые приборы делятся на: терморезисторы (термисторы), фотоэлементы, варисторы. Особую группу составляют приборы с p-n- и p-n-p-переходами – диоды, транзисторы и др.

Фотоэлементы – приборы, использующие возникновение электрических зарядов под действием света. Фотопроводимость полупроводников пропорциональна силе света при слабом световом потоке. Также широко используются люминофоры – вещества, обладающие способностью светиться после воздействия света или потока электронов.

Варисторы – переменные сопротивления, величина которых зависит от напряжения, силы тока или полярности тока.

Принцип действия термисторов основан на использовании отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления полупроводников. Незначительное повышение температуры может сильно уменьшить сопротивление полупроводникового термистора, чувствительность к температуре позволяет широко использовать термисторы как датчики температур для термокомпенсации в автоматических приборах и устройствах, в авиации, метеорологии др. Конструктивно термисторы изготовляют в виде дисков, шайб, стержней, бусинок и пленок, изготовляемых методом порошковой металлургии. Для этого используют порошковые окислы металлов ZnO, MgO, Ag₂S. Порошки спрессовывают, потом обжигают при 900…1300℃ и заключают между двумя контактами (электродами). Металлические контакты выполняют путем нанесения золотой, серебряной или платиновой пасты на основе эпоксидной смолы типа токопроводящего клея – контактола.

Бусинковые термисторы изготовляют путем натягивания двух тонких проволочек из платинового сплава параллельно друг к другу на расстоянии от 5 до 10 диаметров бусинок. Далее на них наносят небольшую каплю пасты из полупроводниковой смеси порошка со связующим компонентом. На проволочках может быть до 20 бусинок. Их просушивают и слегка нагревают, а затем спекают в печи.

Пленочные термисторы изготовляют методами вакуумной технологии.

Принцип действия приборов n-p-n и p-n-p-переходами основан на явлениях, происходящих на границе, разделяющей два полупроводника с различными типами проводимости.

Полупроводниковый прибор, содержащий один p-n-переход и предназначенный для выпрямления переменного тока, называют диодом. Диод пропускает ток только в одном направлении, т.е. обладает выпрямительными свойствами.

Для стабилизации напряжения применяют стабилитроны – полупроводниковые диоды, изготовленные из кремния с низким удельным сопротивлением.

Для работы в качестве переменной емкости применяют варикапы – полупроводниковые приборы.

Транзистор – полупроводниковый прибор способный усиливать или генерировать электрические колебания. Он представляет собой систему из двух p-n-переходов, расположенных на близком расстоянии друг от друга в одном монокристалле полупроводникового материала.

Наибольшее распространение получили приборы с и p-n-переходом. Они создаются методами диффузии, сплавления или сочетанием этих методов, а также методом вытягивания из расплава.

Основные и вспомогательные материалы выбираются исходя из назначения и конструкции прибора. Подготовка основных материалов заключается в их очистке. Металлургические методы очистки основаны на следующем явлении: выпадающие при охлаждении из расплавленного полупроводникового материала с некоторым количеством примеси (жидкая фаза) твердые кристаллики (твердая фаза) обычно имеют концентрацию примеси, отличающуюся от концентрации ее в жидкой фазе.

На практике используют два основных метода очистки: метод направленной кристаллизации и метод зонной плавки.

Создание перехода – очень важная операция. Переходы выполняют методами вытягивания кристалла из расплава, диффузией или сплавлением.

Метод вытягивания осуществляют следующим образом: в тигле в атмосфере инертного газа расплавляют монокристалл p-типа проводимости. Потом в расплав вводят некоторое количество примеси, дающей n-тип

проводимости, чтобы проводимость растущего монокристалла изменила знак и стала возможно большей. После вытягивания низкоомной части слитка n-типа необходимой длинны процесс прекращают. Этот процесс сопровождается вращением и вибрацией стержня, что позволяет вертикально расти кристаллу.

Диффузионный метод применяют для создания p-n-переходов из индия, кремния или германия. Диффузия – процесс проникновения атомов одного вещества в другое, который происходит в результате разности концентраций атомов. Создают две температурные зоны в кварцевой трубке. В одной из трубок находится тигель с примесью, в другой – лодочка с пластинами полупроводника. Через трубу пропускают инертный газ. Он захватывает примеси и несет их к пластинам полупроводника, расположенным вертикально. Затем температуру понижают, происходит процесс кристаллизации.

Также применяют планарные технологии. Они обеспечивают получение сложных слоистых структур типа p-n. Поверхность полупроводниковой пластины подвергают специальной термической обработке в окислительной атмосфере с целью создания на пластине кремния окисной пленки. На окисную пленку наносят локально защитное покрытие. Затем незащищенные части окисной пленки вытравляют, а защищенные остаются. Далее защитное покрытие снимают специальным растворителем. Обработанная пластина поступает на диффузию бора или мышьяка. Участки оставшейся окисной пленки препятствуют процессу диффузии для этих примесей. В результате создаются отдельные участки с p-n-переходами, которые, выходя на поверхность и оказываясь под слоем окиси кремния, являются хорошим диэлектриком.

Сплавной метод: в газовой или вакуумной печи нагревают кассету с таблетками индия, помещенными на поверхности германия. Сплав с примесью одного из элементов V группы периодической системы Д. И. Менделеева употребляют для получения p-n-перехода на полупроводниковом материале, имеющем p-тип проводимости. Загруженную кассету нагревают. После выдержки печь охлаждают до + 100℃, происходит взаимный расплав, а затем кристаллизация. Отвердевающий сплав насыщается индием, который проникает в германий. Эту операцию повторяют с другой стороны, получая p-n-p-переход.

Механическая обработка материалов и подготовка поверхности заключается в ориентации и разрезке слитка из пластины, которые затем шлифуют и травят для очистки от окислов и загрязнений. Вспомогательные материалы, в том числе контакты, изготовляют из никеля, меди, золота. После нарезки контакты травят, шлифуют, лудят и термообрабатывают. Кристаллические полупроводниковые и вспомогательные материалы режут алмазными дисками, стальными полотнами и абразивами на фрезерных и шлифовальных станках и дисковыми пилами. Для того, чтобы выявить брак, кристаллы сортируют и контролируют. Поверхность очищают путем тщательной промывки, чтобы удалить остатки растворов и солей, образовавшихся во время травления. Затем кристаллы сушат в среде очищенного и осушенного газа.

На стадии лакировки места p-n-перехода покрывают тонкой пленкой лака. Она предохраняет их от воздействия окружающей среды и обеспечивает стабильность параметров прибора во времени.

Выводы присоединяют пайкой, сваркой или оплавлением.

Окончательная обработка поверхности проводится химическим травлением с последующей промывкой.

Сборка прибора с корпусом: для транзисторов применяют герметизированные корпуса. Бескорпусные транзисторы и диоды заливают лаками и компаундами или опрессовывают пластмассами.

Для стабилизации параметров транзистора применяют искусственное старение прибора.

Перед монтажом приборы контролируют и отбраковывают по группам.

Простейшие логические цепи.

Общая информация о логических цепях и простые логические модули

Что такое комбинационная логическая цепь?

Это – цепь, способная обрабатывать бинарные электрические сигналы. В каждый момент времени исходящие сигналы комбинационной логической цепи (КЛЦ) зависят исключительно от входящих сигналов. Следовательно, одной и той же комбинации входящих значений соответствует одна и та же комбинация исходящих. Характеристикой КЛЦ является отсутствие памяти. То есть не имеют значения сигналы, ранее поступавшие в цепь. («Важен текущий момент», – так сказал один из героев фильма «21».)

Математическая модель КЛЦ

Для лучшего понимания, анализа и изображения сложных цепей используются их несколько упрощённые математические модели.В большинстве моделей во время разработки КЛЦ не принимается во внимание время взаимодействия элементов цепи. Поэтому мы будем считать, что выходные сигналы цепи моментально реагируют на изменения во входящих сигналах. Также, вместо функции сигнала от времени x(t), который может менять свою суть в зависимости от используемой технологии (например, 0 и 5 вольт в TTL; 0 и 3.1 вольт в CMOS), мы будем использовать логическую функцию x, которая может принимать значения 0 и 1.

Описание работы КЛЦ

Для описания работы КЛЦ используется так называемая таблица истинности. Эта таблица указывает значения выходных сигналов при определённых значениях входящих сигналов. Это может выглядеть так:

В таблице истинности значения каждого из сигналов располагаются в колонках, а ряды обозначают соответствия между сигналами. Приведу пример логической задачи, которая решается с помощью такой таблицы. Допустим, что у нас есть водонапорная башня. Чтобы создавать необходимый напор в тробопроводной системе, в башне круглые сутки должен находиться некий объём воды. Но нельзя всё время набирать воду в башню – она не безразмерна, да и элекроэнергия недешёвая. Нам нужно создать контроллер, который будет включать и выключать подачу воды в башню в зависимости от нескольких показателей.

На картинке показаны несколько датчиков:X – время суток, где 1 – это день, а 0 – ночь (ночью электроэнергия дешевле);Y и Z – датчики влажности, для них 1 – есть вода, а 0 – сухо. W же будет управлять вентилем, включая его (1) и выключая (0) при необходимости. Таблицы истинности для данного случая будут выглядеть вот так:

а) мы просто перечисляем все возможные сочетания показаний X, Y и Z;

b) смотрим самые простые варианты: если и Y, и Z имеют значение 0, то это значит, что воды нет совсем, поэтому W нужно включить, и без разницы, ночь ли сейчас или день. Если же и Y и Z – имеют значение 1, то это значит, что резервуар полный, соответственно W нужно выключить;

c) теперь об экономии: если Z=1, а Y=0, то уровень воды в баке – между двумя датчиками. При этом, если это происходит ночью (X=0), то стоит набрать воды до максимума (W=1), а днём (X=1( – оставить всё как есть (W=0);

d) без невероятного никуда: есть шанс, что Y будет иметь значение 1 при Z=0. Тогда, по логике, следовало бы отправить сообщение о неисправности в системе, но мы просто покажем, что такого просто не может быть. Простые логические модули

Рассмотрим самые простые КЛЦ: модули Not-1, And-2 и Or-2.

Not-1

Это – самая простая КЛЦ, с одним входом и одним выходом. Функция этого модуля заключается в выводе значения, обратного входу. Так как вход один, то вариантов выхода всего два:

And-2

Этот модуль уже немного сложнее. У него два входа и один выход. Функция модуля And-2 заключается в следующем: выход будет иметь значение 1 только если оба входа также равны единице:

Or-2 Теперь ещё один модуль с двумя входами и одим выходом. Только теперь на выходе 1 будет если хотя бы один из входов имеет значение 1:

Правила соединения модулей между собой и анализ простых логических схем Правила соединения логических элементов и цепей между собой, а также два простых метода анализа логических схем.Правила соединения цепей и их компонентов В прошлой статье мы познакомились с такими логическими модулями, как Not-1 (логическое отрицание, !A), Or-2 (логическая сумма, AvB) и And-2 (логическое умножение, A^B), но ни слова не было сказано о том, как соединять между собой эти простейшие комбинационные логические цепи (КЛЦ, они же – комбинационные схемы). Вот несколько правил, которые помогут избежать ошибок при соединении проводников и логических модулей:

1. Не соединяйте два выхода напрямую. Это может привести к конфликту сигналов.

2. Если у логического модудя два входа, они оба должны иметь значение. Если неизвестен сигнал на одном из входов, то скорее всего не получится узнать значение исходящего сигнала.

3. Не должно быть циклов. Эффект может быть любым – от нестабильности работы цепи до её неспособности функционировать.

Анализ логических схем

Для упрощения анализа цепей мы будем использовать некоторые условные обозначения. Например:

Как видите, определённый набор элементов изображается с помощью одного-единственного модуля.

Анализ цепи из 6-8 элементов

Возьмём любую сделанную по правилам комбинационную схему. Например вот эту:

Суть анализа цепи заключается в выявлении исходящих сигналов в зависимости от значений входов. Существует два метода этого самого анализа – горизонтальный (по строкам) и вертикальный (по столбцам).

Анализ по строкам Этот тип исследования цепей заключается в следующем: мы поочерёдно выставляем разные значения на входах цепи, и смотрим, как изменяется сигнал во время его прохождения дальше по цепи. Вот наглядный пример:

Таким способом удобно анализировать небольшие схемы с одним-двумя входами, потому что не обязательно строить таблицу истинности.

Для таких цепей, как выбранная нами ранее, лучше всё-таки нарисовать эту самую таблицу и вписывать туда найденные значения. Вот так, например:

Анализ по столбцам Суть этого метода – поочерёдно, с помощью логических выражений, найти значения для всех частей цепи, и только потом вычислить результат для выходов цепи.

Как видно на картинке, мы вычисляем значения сигнала для каждого элемента цепи, постепенно приближаясь к выходу. Для нашей цепи это будет выглядеть так:

Теперь можно сравнить результаты, полученные с помощью двух методов. Если они совпадают, то это значит, что либо всё сделано правильно, либо мы допустили больше одной ошибки ( :-D ).

Технологии цифрового телевидения: как это работает. Цифровое телевидение — является одним из прогрессивных технологических решений в области развития и продвижения мировой телевизионной индустрии с использованием Интернет соединения. Применение современных технологий цифрового телевидения позволяет внедрять новые подходы к улучшению качества изображения и звука, а также предоставляет возможность увеличить количество электронных устройств для просмотра телевизионного контента без внешних помех и ограничений. Технологические возможности цифрового телевидения обеспечивают более высокую стабильность получения качественного сигнала и меньшее количество внешних помех. Изображения, поступающие на экран телевизора, компьютера или другого электронного устройства, преобразуются в цифровой формат. Передача информации происходит по каналам виртуальной связи, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой и отображается на телевизоре пользователя. Данные технологические преобразования позволяют получать более качественное изображение и звук на принимающие устройства (компьютер, телевизор и др.), а также дают возможность использовать дополнительные услуги, связанные с интерактивным сервисом и приложениями. Что такое цифровое телевидение? Цифровое телевидение — это современная технология передачи видеосигнала в цифровом виде с помощью Интернет. Отличается от аналогового телевидения более высоким качеством изображения и звука, а также возможностью передачи дополнительных сервисов, таких как видео по запросу, многоканальное вещание и интерактивные функции. Процесс передачи цифрового сигнала происходит от антенны, тарелки, приставки или другого оборудования, которое принимает сигнал и передает его на декодер. Среди основных достоинств цифрового телевидения следует отметить отличное качество видео и аудио. Также для пользователей цифрового ТВ доступны интерактивные функции: возможность самостоятельного выбора телеканала, просмотр программы передач и другие. Принцип работы цифрового телевидения Цифровое телевещание осуществляется в соответствии с определенным стандартом, который предусматривает преобразование телевизионного сигнала в цифровой вид и его передачу через Интернет. Затем сигнал передается по беспроводным или кабельным сетям. Процесс преобразования телевизионного сигнала состоит из нескольких этапов. ·На первом этапе устройство получает телевизионный сигнал от антенны, спутниковой антенны или кабельной сети; ·Далее сигнал поступает на цифровую ТВ-приставку или тюнер телевизора, где обрабатывается; ·После обработки сигнал преобразуется в цифровой вид и сжимается с применением определенных алгоритмов, что помогает уменьшить объем данных и улучшить качество картинки; ·После сжатия и кодирования, цифровой телевизионный сигнал подвергается модуляции. Это процесс, в ходе которого данные конвертируются в радиосигналы, а затем передаются через воздушное пространство или кабель; ·Цифровой сигнал снова преобразуется в аналоговый, который может воспринимать телевизор или другое устройство; Затем сигнал выводится на экран телевизора в виде видео и звука.

Светодиод

Тип Активный электронный элемент

Принцип работы Электролюминесценция

Изобретён:

Генри Раунд[англ.] (1907)

Олег Лосев (1927)

Ник Холоньяк (1962)

Впервые создан 1962

Символьное обозначение

Пин конфигурация анод и катод

Светодио́д или светоизлуча́ющий дио́д (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, то есть светодиод изначально излучает практически монохроматический свет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, от которой определённый цвет свечения можно получить лишь применением светофильтра. Спектральный диапазон излучения светодиода в основном зависит от типа и химического состава использованных полупроводников и ширины запрещённой зоны.

История

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, химическая формула SiC), и отметил возникновение жёлтого, зелёного и оранжевого свечения на катоде прибора. Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с кристаллическими детекторами радиоволн, видел свечение в точке контакта двух разнородных материалов, наиболее сильное — в паре карборунд — стальная игла, таким образом, он обнаружил электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало).

Наблюдение эффекта электролюминесценции в месте контакта карборунд—сталь было опубликовано им в советском журнале «Телеграфия и телефония без проводов», а в 1927 году он получил патент (в патенте устройство названо «световое реле»). Лосев умер в блокадном Ленинграде в 1942 году, и его работы были забыты, публикация не была замечена научным сообществом и много лет спустя светодиод был изобретён за рубежом.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов. Хотя теоретического объяснения наблюдаемому явлению ещё не было, Лосев оценил практическую значимость своего открытия. Благодаря эффекту электролюминесценции появилась возможность создать малогабаритный источник света с очень низким для того времени напряжением питания (менее 10В) и высоким быстродействием. Он назвал будущее устройство «Световое реле» и получил два авторских свидетельства, заявку на первое из них подал в феврале 1927 г.

В 1961 году Джеймс Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments, независимо от Лосева, открыли технологию изготовления инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд[англ.], изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались очень дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), поэтому их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов, в 1971 году он с коллегами получил синее свечение на нитриде галлия и создал первый синий светодиод. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компания «Хьюлетт-Паккард» применила светодиодные индикаторы в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алфёрова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных светодиодов. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов на гетероструктурах. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году. В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED.

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода. За открытие технологии изготовления дешёвого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск.

Позже на основе синих светодиодов были изготовлены белые, состоящие из синего излучающего кристалла, покрытого люминофором на основе иттрий-алюминиевого граната, легированный трёхвалентным церием (YAG). Люминофор поглощает часть синего излучения и переизлучает в жёлто-зелёной области, позволяя создать белый свет. Компания Nichia начала промышленный выпуск белых светодиодов в 1996 году. Вскоре белые светодиоды начали широко применяться в освещении. На основе белых светодиодов были разработаны светодиодные фонарики, лампы, светильники различного назначения (в том числе уличные светильники), софиты, светодиодные ленты и прочие источники света. В 2003 году компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии, непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board. Белые светодиоды позволили создать эффективную подсветку для цветных жидкокристаллических экранов, что способствовало их широкому распространению в мобильных устройствах, планшетах, смартфонах. Сочетание света синего, зелёного и красного светодиодов даёт белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные светильники и экраны со светодиодной подсветкой.

Принцип работы

Конструкция распространённого светодиода диаметром 5мм в пластмассовом корпусе

При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — движутся навстречу и рекомбинируют в обеднённом слое диода с излучением фотонов из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой.

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Эффективные излучатели относятся к прямозонным полупроводникам, то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические межзонные переходы, типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и типа AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, изготовленные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. В связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Характеристики

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Величина этого напряжения позволяет достаточно точно определить материал полупроводника, также от прямого напряжения зависит цвет свечения светодиода, как показано в таблице.

Зависимость светового потока светодиода от прямого тока для синего светодиода 5 мм

Светодиоды в электрической схеме

Светодиод работает при пропускании через него тока в прямом направлении (то есть анод должен иметь положительный потенциал относительно катода). Из-за круто возрастающей вольт-амперной характеристики p-n-перехода в прямом направлении светодиод должен подключаться к источнику питания с высоким внутренним сопротивлением, в идеале к источнику тока. Подключение к источнику напряжения должно производиться через элемент (или электрическую цепь), ограничивающий ток, например, через резистор. Некоторые модели светодиодов имеют встроенную электрическую цепь ограничивающую ток светодиода, в таком случае в спецификации для них указывается диапазон допустимых напряжений источника питания.

Непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения с низким внутренним сопротивлением, превышающего заявленное изготовителем падение напряжения для конкретного типа светодиода, может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допустимый, что вызывает перегрев кристалла и выход из строя. В простейшем случае, для маломощных индикаторных светодиодов, цепь, которая ограничивает потребляемый ток, представляет собой резистор, последовательно включенный со светодиодом. Для мощных светодиодов применяются схемы с ШИМ поддерживающие заданный средний ток через светодиод и, при необходимости, позволяют регулировать его яркость.

Недопустимо подавать на светодиоды напряжение с обратной полярностью превышающее обратное допустимое напряжение от источника с малым внутренним сопротивлением. Светодиоды имеют невысокое (несколько вольт) обратное пробивное напряжение. В схемах, где возможно появление обратного напряжения, светодиод должен быть защищён параллельно включенным обычным диодом в противоположной полярности светодиоду.

Световой поток светодиода практически прямо пропорционален току светодиода в широком диапазоне изменения тока (см. рисунок).

Цвета и материалы

Розовый светодиод диаметром 5 мм. Розовый цвет свечения образуется от смешения излучения красного люминофора и излучения синего светодиода.Спектры излучения красного, зелёного и синего светодиодов

Сборка в одном корпусе светодиодов с синим, зелёным и красным цветами излучения (RGB-светодиод). Каждый из светодиодов может управляться независимо от других.

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде при номинальном прямом токе и полупроводниковый материал:

Несмотря на то, что в мире широко выпускаются белые светодиоды в комбинации светодиода с синим/фиолетовым свечением с нанесённым на него люминофором с жёлтым или оранжевым цветом люминесценции, возможно применение люминофоров другого цвета свечения. В результате нанесения красного люминофора получают пурпурные или розовые светодиоды, реже выпускаются светодиоды салатового цвета, где на светодиод с синим излучением наносится люминофор с зелёным цветом люминесценции.Светодиоды также могут иметь цветной корпус-светофильтр. В 2001 году Citizen Electronics первой в мире выпустила SMD светодиоды мягких пастельных цветов под названием PASTELITE. Преимущества и гигиенические свойства По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия: ·Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт. ·Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих). ·Длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе происходит «деградация» кристалла из-за диффузии и миграции легирующих примесей и постепенное падение яркости. ·Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп). ·Цветовая температура современных белых светодиодов может быть различной — от тёплого белого ~2700К до холодного белого ~6500К. ·Спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом действия прибора. ·Отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-люминофорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1с до 1мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3—10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды. ·Различный угол излучения — от 15 до 180°֯. ·Низкая стоимость индикаторных светодиодов. ·Безопасность — не требуются высокие напряжения, при должном охлаждении низкая температура светодиода, обычно не превышающая 60℃. ·Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводниковым приборам. ·Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп. Широкое внедрение светодиодов разных конструкций для экономии электроэнергии при освещении выявило, что у части из них спектр заметно отличается от спектра естественного освещения. Это может негативно влиять на здоровье людей. Проведённые исследования позволили разработать новые, более гигиенически совершенные светодиоды. Однако широко используют и менее качественные, но более экономичные изделия. Применение светодиодов

·Комнатное освещение ·В светофорах ·В автомобильных фарах ·Декоративное применение ·Светодиодный прожектор ·Подсветка линейкой светодиодов в IPod Touch 2G

·Для освещения и подсветки: oВ уличном, промышленном, бытовом освещении (светодиодные светильники и лампы); oВ декоративной освещении, подсветке (в том числе светодиодная лента); oВ фарах и прожекторах; oВ рекламных конструкциях, в том числе в гибких ПВХ световых шнурах дюралайт; oВ подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры, планшеты и т. д.); oВ подсветке проекторов различного назначения;

·В качестве индикаторов: oВ качестве индикаторов как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах); oМассив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках, в медиафасадах, информационных табло. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами; oВ дорожных, железнодорожных и других светофорах; oВ светодиодных дорожных знаках; oМощные светодиоды используются как источник света во всех видах автомобильной светотехники: в фарах, прожекторах, проблесковых маячках, сигналов поворота, стоп-сигналах и т. д. oВ играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочих;

·В устройствах связи: oСветодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволоконным линиям связи, в пультах дистанционного управления (ДУ), в светотелефонах, Li-Fi[29]); oВ оптопарах и твердотельных реле;

·В светодиодных принтерах;

·В растениеводстве для искусственного освещения растений. Выпускаются так называемые фитолампы, оптимизированные под фотосинтез в растениях.

·В электрических цепях в электронике в качестве стабисторов.

Органические светодиоды — OLED

Увеличенное изображение экрана AMOLED на смартфоне Google Nexus One с использованием системы RGBG семейства PenTile Matrix

Органические светодиоды обычно формируются в виде многослойных тонкоплёночных структур, изготовленных из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока.

Основное применение OLED находит при создании матричных устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких OLED-дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что красный OLED и зелёный OLED могут непрерывно работать не снижая яркости на десятки тысяч часов дольше, чем синий OLED. Снижение яркости синих OLED со временем визуально искажает цветопередачу, причём длительность качественной цветопередачи оказалось неприемлемо малым для коммерчески предлагаемого устройства. Хотя сегодня синий OLED всё-таки достиг срока службы в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, в приборах ночного видения. Светодиодные модули с индивидуальным управлением

Светодиодные модули с индивидуальным управлением, так называемые Smart LED. Содержат в одном корпусе несколько типов светодиодов и встроенную цифровую схему управления.

В светодиодном модуле WS2812 имеется три светодиода (красный, синий и зелёный). Схема управления управляет яркостью каждого светодиода, что позволяет получать практически любой цвет свечения. В некоторых светодиодных модулях, например, SK6812W в дополнение к тройке RGB-светодиодов имеется светодиод белого свечения (люминофорное покрытие). Управление модулем обычно происходит по последовательной шине из одного провода. Для кодирования логического нуля и единицы применяются сигналы с жёстко заданной длительностью. Каждый светодиодный модуль имеет входную и выходную линии данных. По окончании программирования одного модуля его схема управления отключается, и в дальнейшем пропускает через себя сигналы управления напрямую от входа к выходу, что позволяет следующим пакетом данных запрограммировать яркость свечения следующего модуля в цепочке модулей и так далее, пока не будут запрограммированы все светодиодные модули в цепочке.

Производство

По размеру выручки лидером является японская «Nichia Corporation».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение «Lumileds Lighting», а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

Налобный светодиодный фонарь «SUPER HEADLAMP»

Белый светодиод

Бе́лый светодио́д — полупроводниковый прибор, излучающий свет, вызывающий в силу особенностей психофизиологии восприятия цвета человеком (метамерия) ощущение света, близкого к белому.

Различают два вида белых светодиодов: ·Многокристальные светодиоды, чаще — трёхкомпонентные (RGB-светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечения, объединённые в одном корпусе. ·Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе синего, фиолетового или ультрафиолетового светодиода (экспериментальные образцы), имеющие в своём составе слой специального люминофора, преобразующего в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен. В 1993 году Сюдзи Накамура, инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB-устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем технология быстро развивалась, и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении.

RGB-светодиоды

Типичный спектр RGB-светодиода

GB-светодиод в пластиковом корпусе. 1 общий вывод катода и 3 вывода анодов от кристаллов разного цвета свечения

Белый свет может быть создан путём смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R - red), зелёного (G - green) и синего (B - blue) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические и более многоцветные варианты, которые могут быть использованы в больших светодиодных экранах, например, для рекламных щитов.

Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники, лампы, кластеры), имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель. Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный (ненулевой) размер и собственные диаграммы направленности, такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики. Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток, поскольку световая отдача каждого чипа не известна заранее и подвержена изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков RGB-светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами.

Отличительной особенностью спектра RGB-светодиода является линейчатый спектр, определяющийся спектром составляющих его полупроводниковых излучателей. Такой спектр сильно отличается от спектра Солнца, поэтому индекс цветопередачи такого типа не подходит для использования в освещении. В то же время RGB-светодиод обладает возможностью управлять цветом излучения путём изменения тока каждого светодиода, входящего в «триаду», регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы — вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов. Это определяет сферу его применения в качестве источников для декоративной подсветки и в устройствах создания изображений.

Многоцветные светодиоды имеют зависимость световой отдачи и цвета от температуры за счёт различных характеристик составляющих прибор излучающих чипов, что сказывается в незначительном изменении цвета свечения в процессе работы. Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов.

Кроме трёхцветных, также выпускаются RGBW-светодиоды, содержащие в дополнение к светодиодами трёх цветов (R, G, B) источник широкого спектра — люминофорный белый светодиод (см. ниже); RGBWW-светодиоды, содержащие тёплый белый (WarmWhite) источник широкого спектра; а также варианты с комбинацией нескольких белых с разной цветовой температурой. Такие светодиоды могут создавать как выраженную окрашенную подсветку, так и быть источником широкополосного белого света, лишённого линейчатости, аналогичного спектру люминофорных белых светодиодов.

Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки, в электронных табло и в видеоэкранах.

·Кристаллы RGB-светодиода в пластиковом корпусе

·Участки светоиспускания, увеличенные линзой пластикового корпуса

·Кристаллы и микрочип переключения RGB-светодиода с двумя контактами в пластиковом корпусе ·SMD RGB-светодиод с 6 контактами ·Светящийся SMD RGB-светодиод (макросъёмка) ·Чип SMD RGB-светодиода 1,6x1,6x0,35 мм (макросъёмка) ·Многоцветный светодиод SMD 5050 RGB-светодиодной ленты

Люминофорные светодиоды

Спектр люминофорного светодиода с люминофором из иттрий-алюминиевого граната активированного церием

38 люминофорных SMD-светодиодов, размещённых на печатной плате светодиодной лампы белого цвета свечения

Комбинирование синего (чаще), фиолетового или ультрафиолетового (не используются в массовой продукции) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространённая конструкция[14] такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия, модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета — иттрий-алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа покидает корпус светодиода, рассеиваясь в слое люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкую область от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области зелёного-сине-зелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путём комбинирования различных типов люминофоров достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или Ra). На 2017 год уже существуют светодиодные панели для фото- и киносъёмки, где цветопередача критична, но такое оборудование дорого, а производители — единичны.

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости — увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров — увеличение плотности тока. Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока электрические поля в объёме активной области снижают световой выход. При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному, происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе.

Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов — это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода (эффективности), диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светоотдачи до 70% от первоначального значения (L70). То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизилась на 30%, считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке, используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50 % (L50).

Срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров. Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки (способа крепления чипа на кристаллодержателе, способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов), время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Причём, как показывают многочисленные исследования, основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.

Конструкция люминофорных светодиодов

Схема одной из конструкций белого светодиода. MPCB — печатная плата с высокой тепловой проводимостью

Современный люминофорный светодиод — это сложное устройство, объединяющее много оригинальных и уникальных технических решений. Светодиод имеет несколько основных элементов, каждый из которых выполняет важную, зачастую не одну, функцию: ·Светодиодный чип. Полупроводниковый материал, используемый в составе светодиодов, кроме собственно способности излучать свет с высокой эффективностью, должен иметь хорошую оптическую прозрачность (для обеспечения свободного выхода квантов света из активной области), иметь хорошую электрическую проводимость (для снижения активных потерь при прохождении тока) и ещё удовлетворять многим критериям технологичности в производстве. ·Люминофор. Слой люминофора или смеси люминофоров подбирается весьма тщательно. Кроме достаточно широкого спектра переизлучения, активный материал и вещество, которое играет роль носителя, должны обеспечивать минимальный уровень безызлучательного поглощения. Особое внимание уделяется температурной стойкости и стабильности при длительной работе. Способ нанесения люминофора во многом определяет цветовые характеристики, в том числе угловые характеристики цвета и яркости. ·Кристаллодержатель. Медный или другой материал, обработанный специальным образом для обеспечения хороших отражающих свойств и максимальной теплопроводности. Современные конструкции светодиодов позволяют обеспечить достаточно низкое тепловое сопротивление, например, за счёт пайки на поверхность (SMD) теплопроводного элемента корпуса светильника. Кристаллодержатель обычно сочетает в себе и функцию отражателя света, поскольку часть переизлучённой энергии, а также часть рассеянного в слое люминофора света возвращается обратно. ·Клей или эвтектический сплав. Способ крепления светодиодного чипа в корпусе должен обеспечивать прочность соединения, хороший и равномерный электрический контакт и отличную теплопроводность. Кроме этого, должен иметь хорошую отражающую способность и выдерживать длительное воздействие высокой температуры. ·Отражатель. Форма и размер отражателя, совместно с оптической линзой, формируют необходимую диаграмму направленности светодиода. Для увеличения отражающей способности поверхности кристаллодержателя, отражателя и токоподводящих элементов имеют специальные покрытия из различных материалов, от простых вариантов из серебра и алюминия до сложных композитных покрытий, представляющих собой распределённый брэгговский отражатель. ·Защитный компаунд, объединяющий собственно элемент, защищающий структуру светодиода от коррозии и воздействия окружающей среды, и линзу (в случае необходимости фокусирования светового потока). ·Токоподводящие элементы. Проводники или токоподводящие нити подводят ток к верхней, направленной наружу, стороне полупроводникового чипа. Такой проводник и способ его крепления должен, с одной стороны, обеспечить хороший контакт и низкое активное сопротивление току, с другой стороны, не должен препятствовать выходу света.

Все элементы конструкции светодиода испытывают тепловые нагрузки и должны быть подобраны с учётом степени их теплового расширения. И немаловажным условием хорошей конструкции является технологичность и низкая стоимость сборки светодиодного прибора и монтажа его в светильник.

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его световая отдача, то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 190лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается более чем в 300лм/Вт. Второй не менее важный параметр — качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра: ·Цветовая температура, цветовая коррелированная температура (correlated color temperature, CCT) — характеризует оттенок цвета, даётся производителями для указания субъективного восприятия цветового оттенка света, производимого источником, в сравнении с Планковским чёрным телом, нагретым до указанной температуры (в Кельвинах). Для освещения жилых помещений преимущественно используют излучатели тёплого света (от 2700K до 3000K) и в некоторых случаях нейтрального (от 3500K до 4000K). ·Индекс цветопередачи (color rendering index, CRI) — характеризует полноту спектра излучения, способность передавать правильно цвет предметов, по сравнению с солнечным светом. Определяется по стандарту опытным путём при сравнении цвета восьми эталонов, освещённых тестовым источником и максимально приближенным к идеальному. Считается, что источник бытового освещения должен иметь индекс цветопередачи не менее 80. ·Качество света. Цветовая температура и индекс цветопередачи во многих случаях не могут адекватно передать качество производимого светодиодами света. Это в основном определяется особенностями спектра с резкими выбросами и провалами. Некоторые цвета, такие как глубокий красный, не анализируются по стандарту измерения CRI. Для более полной оценки качества света принимаются новые методики, например основанные не на восьми, а на девяти эталонах (с дополнительным девятым эталоном красного цвета R9), шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS), которая в будущем может заменить CRI.

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации синего светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области, покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Учитывая высокую стоимость светодиодных источников освещения по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования таких устройств: ·Основное преимущество белых светодиодов — высокий КПД. Низкое удельное энергопотребление позволяет применять их в длительно работающих источниках автономного и аварийного освещения. ·Высокая надежность и длительный срок службы позволяют говорить о возможной экономии на замене ламп. Кроме того, использование светодиодных источников света в труднодоступных местах и уличных условиях позволяет снизить затраты на обслуживание. В совокупности с высокой эффективностью, можно сказать о существенной экономии средств при использовании светодиодного освещения в некоторых применениях. ·Малый вес и размер устройств. Светодиоды отличаются малыми габаритами и пригодны для использования в труднодоступных местах и малогабаритных переносных устройствах, в подсветке LCD-экранов, сканеров и множестве других устройств, где требуется компактный источник света. ·Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вреда для человека и в специальных целях (например, для освещения раритетных книг или других подверженных влиянию света предметов), так как ультрафиолет губителен для тканей, живописи и кожи человека, а инфракрасное излучение дает много тепла и может привести к ожогам. Однако безопасность видимого спектра также бывает переоценена. ·Отличная работа и запуск при отрицательных температурах без ухудшения параметров позволяет применять светодиодные светильники для освещения улиц и неотапливаемых помещений. ·Светодиоды — безынерционные источники света, они не требуют времени на прогрев или выключение (как, например, люминесцентные или дуговые лампы), количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность. Низкая инерционность позволят применять светодиодные лампы и светильники совместно с различными датчиками движения или звука, что обеспечивает дополнительную экономию за счёт автоматического включения светильника по потребности. ·Хорошая механическая прочность позволяет использовать светодиоды в тяжёлых условиях эксплуатации. ·Легкость регулирования мощности как скважностью, так и регулированием тока питания без снижения параметров эффективности и надёжности. ·Безопасность использования, нет опасности поражения электрическим током за счет низкого питающего напряжения. ·Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности и опасности возгорания за счет отсутствия накальных элементов. ·Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред. ·Химическая нейтральность, отсутствие вредных выбросов и отсутствие специальных требований к процедурам утилизации. Но есть и недостатки: ·Белые светодиоды в производстве значительно дороже и сложнее аналогичных по световому потоку ламп накаливания, хотя их цена постоянно снижается. ·Недорогие экземпляры обладают невысоким качеством цветопередачи, низким индексом CRI. Светодиоды с высоким CRI и изделия на их основе имеют более высокую цену. ·Существуют опасения о вреде светодиодных источников для подверженных влиянию света предметов, например, произведений искусства. Также вероятно вредное воздействие на органы зрения. Подобные утверждения и исследования, как правило, относятся к холодным лампам (>5000К, чей свет в значительной мере отличается от привычного солнечного спектра). ·При переходе от бытовых к промышленным светильникам требуется продуманная и надёжная система охлаждения. ·Ограниченная возможность работы при повышенных температурах окружающей среды более 60 — 80℃ ·В силу значительной нелинейности вольт-амперной характеристики светодиоды не могут питаться напрямую от источников напряжения и требуют для сохранения высокого КПД всей системы применения достаточно сложных специализированных источников питания — драйверов. В бытовых светодиодных лампах преобразователь встраивают в цоколь, что повышает требования к его охлаждению. ·Срок службы светодиодов и построенных на их основе ламп и светильников зависит от плотности тока и температуры кристалла в рабочем режиме. Производители недорогих светодиодных ламп и светильников зачастую завышают эти параметры, в связи с чем они имеют малый срок службы. ·Светодиодные светильники чаще всего не имеют возможности заменить светодиоды без специального инструмента, и при выходе из строя требуется замена светильника целиком.

Несоответствие спектра светодиодных источников света естественному солнечному вызывало негативное влияние на здоровье людей, в частности при работе с компьютером в течение длительного времени. Такие источники света негативно влияли на синтез мелатонина, циркадные ритмы; вызывали сонливость и ухудшали производительность труда. Этот недостаток побудил изготовителей светодиодов искать новые технологии, и были разработаны более безопасные светодиодные источники освещения. К сожалению, в РФ не уделяется достаточно внимания этой проблеме, и в результате экономичные, но небезопасные светодиодные светильники получили широкое распространение, в том числе в образовательных учреждениях — при наличии экономичной и безопасной альтернативы.

Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например, направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеивателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.

Перспективы развития технологии белых светодиодов

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения, находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области: ·Исследования и поиск более эффективных и качественных люминофоров. Коэффициент преобразования люминофора влияет на общую эффективность светодиода, кроме того, спектр переизлучения во многом определяет качество излучаемого света. КПД самого на сегодняшний день популярного люминофора ИАГ составляет немногим более 95%. Эффективность же других люминофоров, обеспечивающих лучший спектр белого света, существенно меньше. Получение более эффективного, долговечного и с нужным спектром люминофора является целью многочисленных исследований. ·Комбинированные многокомпонентные светодиоды. Кроме комбинации полупроводниковых чипов различного цвета появляются светодиоды, содержащие несколько цветных чипов и люминофорный компонент. Результирующий многокристальный светодиод получается ярким и хорошего качества, но его стоимость пока высока. ·Белые светодиоды на квантовых точках. Использование в качестве конвертора квантовых точек позволяет создать светодиод с хорошим качеством света, однако, эффективность такого метода пока невысока. ·Увеличение эффективности полупроводниковых излучающих материалов. Самый большой резерв эффективности — светодиодный чип. Квантовый выход для большинства полупроводниковых структур не превышает 50 %. Пока что самый высокий уровень эффективности достигнут у красных светодиодов и составляет чуть больше 60 %[53]. ·Переход на более дешёвые полупроводниковые структуры. Эпитаксиальные структуры на базе нитрида галлия (GaN) традиционно выращивают на подложке из сапфира. Использование в качестве основы других материалов, например, карбида кремния, чистого кремния, оксида галлия, позволяет существенно снизить стоимость светодиода. Кроме попыток легирования нитрида галлия разными веществами, исследования ведутся с другими полупроводниковыми материалами — ZnSe, InN, AlN, BN. ·Светодиоды без люминофора на базе эпитаксиальной структуры ZnSe на подложке ZnSe, активная область которой испускает синий, а подложка одновременно (за счет того, что селенид цинка — эффективный люминофор сам по себе) — жёлтый свет.

Светодиоды с полупроводниковыми преобразователями излучения. Дополнительный слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны способен поглотить часть световой энергии, что приводит к вторичному излучению в области меньших значений энергии.

Сырье для светодиодов

Диоды, как правило, сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала. Один слой будет иметь избыток электронов, а следующий будет иметь дефицит электронов. Эта разница заставляет электроны перемещаться из одного слоя в другой, тем самым генерируя свет. Теперь производители могут делать эти слои толщиной до 0,5 микрона.

Для изготовления полупроводниковых пластин галлий, мышьяк и/или люминофор сначала смешивают вместе в камере и переводят в раствор. Чтобы они не попали в сжатый газ в камере, их часто покрывают слоем жидкого оксида бора. Затем в раствор погружают стержень и медленно вытягивают. Раствор охлаждается и кристаллизуется на конце стержня, когда его поднимают из камеры, образуя длинный цилиндрический кристаллический слиток. Затем слиток разрезают на пластины.

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество только при наличии в нем высокой плотности примесей. Примеси внутри полупроводника используются для создания необходимой электронной плотности.

Срез или пластина полупроводника представляет собой единый однородный кристалл, а примеси вводятся позже в процессе производства. Думайте о вафле как о пироге, который смешивают и выпекают в установленном порядке, а о примесях — как о орехах, взвешенных в пироге. Конкретными полупроводниками, используемыми для производства светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) или фосфид арсенида галлия (GaAsP). Различные полупроводниковые материалы (называемые подложками) и различные примеси приводят к разным цветам света от светодиода.

Примеси - это как "орехи в пироге", которые вводятся позже в производственном процессе, чтобы светодиод работал правильно. Этот процесс называется допингом. Обычно добавляются примеси цинка или азота, но также используются кремний, германий и теллур. Как упоминалось ранее, они заставят полупроводник проводить электричество и заставят светодиод функционировать как электронное устройство. Именно за счет примесей может быть создан слой с избытком или недостатком электронов.

Для комплектации устройства необходимо провести к нему и от него электричество. Таким образом, провода должны быть прикреплены к подложке, хорошо прилипать к полупроводнику. Быть достаточно прочными, чтобы выдерживать последующие такие обработки, как пайка и нагрев. Для этой цели чаще всего используются соединения золота и серебра, поскольку они образуют химическую связь с галлием на поверхности пластины.

Светодиоды заключены в прозрачный пластик, как пресс-папье из люцита, в котором подвешены предметы. Пластик может быть любого сорта, и его точные оптические свойства будут определять, как будет выглядеть выходной сигнал светодиода. Некоторые пластики являются диффузионными, что означает, что свет будет рассеиваться во многих направлениях.

Некоторые из них прозрачны, и их можно превратить в линзы, которые будут направлять свет прямо от светодиода узким лучом. Пластмассы могут быть окрашены, что изменит цвет светодиода, позволяя проходить большему или меньшему количеству света определенного цвета.

При его разработке необходимо учитывать несколько особенностей светодиода, поскольку он представляет собой как электронное, так и оптическое устройство.

Желаемые оптические свойства, такие как цвет, яркость и эффективность, должны быть оптимизированы без чрезмерной электрической или физической конструкции. На эти свойства влияют размер диода, конкретные полупроводниковые материалы, используемые для его изготовления, толщина слоев диода, а также тип и количество примесей, используемых для «легирования» полупроводника.

Производство светодиодов

Изготовление полупроводниковых пластин

1. Сначала изготавливается полупроводниковая пластина. Конкретный состав материала — GaAs, GaP или нечто среднее — определяется цветом изготавливаемого светодиода. Кристаллический полупроводник выращивают в камере с высокой температурой и высоким давлением. Галлий, мышьяк и/или фосфор очищаются и смешиваются вместе в камере. Тепло и давление разжижают и сжимают компоненты вместе, так что они превращаются в раствор. Чтобы они не попали в сжатый газ в камере, их часто покрывают слоем жидкого оксида бора, который изолирует их, так что они должны «слипаться». Это известно как инкапсуляция жидкости, или Метод выращивания кристаллов Чохральского.

После того, как элементы смешаны в однородный раствор, в раствор погружают стержень и медленно вытягивают. Раствор охлаждается и кристаллизуется на конце стержня, когда его поднимают из камеры, образуя длинный цилиндрический кристаллический слиток (или булю) GaAs, GaP или GaAsP.

2. Затем материал нарезается на очень тонкие полупроводниковые пластины толщиной примерно 10 мм. или примерно толщиной с мешок для мусора. Пластины полируются до тех пор, пока их поверхности не станут очень гладкими, чтобы на их поверхность можно было легко наносить больше слоев полупроводника. Принцип аналогичен шлифовке стола перед его покраской.

Каждая пластина должна представлять собой монокристалл материала однородного состава. К сожалению, иногда в кристаллах могут быть дефекты, из-за которых светодиод работает плохо. Дефекты также могут быть результатом процесса полировки; такие недостатки также ухудшают работу устройства. Чем больше дефектов, тем меньше пластина ведет себя как монокристалл. Без правильной кристаллической структуры материал не будет функционировать как полупроводник.

3. Затем пластины проходят тщательную химическую и ультразвуковую очистку с использованием различных растворителей. Этот процесс удаляет грязь, пыль или органические вещества, которые могли осесть на полированной поверхности пластины. Чем чище обработка, тем качественнее будет полученный светодиод.

Добавление эпитаксиальных слоев

4. Дополнительные слои полупроводникового кристалла выращены на поверхности пластины, как добавление дополнительных слоев к "пирогу". Это один из способов добавления примесей или примесей в кристалл. На этот раз кристаллические слои выращиваются с помощью процесса, называемого жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ).

В этом методе эпитаксиальные слои - это полупроводниковые слои, которые имеют ту же кристаллическую ориентацию, что и подложка внизу. Наносятся на пластину, когда она вытягивается под резервуарами с расплавленным GaAsP. В резервуарах есть соответствующие примеси, смешанные с ними. Пластина опирается на графитовую пластину, которая проталкивается через канал под емкостью с расплавленной жидкостью (или расплавом). Различные примеси могут быть добавлены в последовательные расплавы или несколько в один и тот же расплав, создавая слои материала с различной электронной плотностью. Осажденные слои станут продолжением кристаллической структуры пластины.

ЖФЭ создает исключительно однородный слой материала, что делает его предпочтительным методом выращивания и легирования. Образующиеся слои имеют толщину в несколько микрон.

5. После нанесения эпитаксиальных слоев может потребоваться добавление дополнительных легирующих примесей для изменения характеристик диода по цвету или эффективности. Если делается дополнительное легирование, пластина снова помещается в трубу высокотемпературной печи, где она погружается в газовую атмосферу, содержащую легирующие примеси. Азот или аммоний цинка являются наиболее распространенными. Азот часто добавляют в верхний слой диода, чтобы сделать свет более желтым или зеленым.

Добавление металлических контактов

6. Затем на пластине определяются 6 металлических контактов. Схема контакта определяется на этапе проектирования и зависит от того, будут ли использоваться диоды по отдельности или в комбинации. Контактные узоры воспроизведены на фоторезисте, светочувствительном соединении. Жидкий резист наносится каплями, пока пластина вращается, распределяя его по поверхности. Резист затвердевает в результате кратковременного обжига при низкой температуре (около 100℃). Затем мастер-шаблон или маска дублируется на фоторезисте, помещая его поверх пластины и экспонируя резист в ультрафиолетовом свете (так же, как делается фотография с негатива). Экспонированные участки резиста смываются проявителем, остаются неэкспонированные участки.

7. Теперь контактный металл напыляется на шаблон, заполняя открытые участки. Испарение происходит в другой высокотемпературной камере, на этот раз вакуумной. Кусок металла нагревают до температуры, при которой он испаряется. Далее конденсируется и прилипает к открытой полупроводниковой пластине, подобно тому как пар запотевает на холодном окне. Затем фоторезист можно смыть ацетоном, оставив только металлические контакты.

В зависимости от окончательной схемы монтажа светодиода на обратную сторону пластины может быть напылен дополнительный слой металла. Любой наплавленный металл должен пройти процесс отжига, в котором пластину нагревают до нескольких сотен градусов и оставляют в печи (с протекающей через нее инертной атмосферой водорода или азота) на период до нескольких часов. За это время металл и полупроводник химически связываются друг с другом, поэтому контакты не отслаиваются.

8. Одна пластина, изготовленная таким образом, будет иметь один и тот же рисунок, повторяющийся на ней до 6000 раз. Это дает представление о размере готовых диодов. Диоды разрезаются либо скалыванием (отламыванием пластины вдоль плоскости кристалла), либо распиливанием алмазной пилой.

Каждый небольшой сегмент, вырезанный из пластины, называется штампом. Сложный и подверженный ошибкам процесс, резка дает гораздо менее 6000 пригодных для использования светодиодов и является одной из самых больших проблем в ограничении производственных затрат на полупроводниковые устройства.

Монтаж и упаковка

9. Индивидуальные штампы монтируются на соответствующую упаковку. Если диод будет использоваться сам по себе в качестве индикатора или, например, для украшений, он устанавливается на два металлических провода длиной около 5см. Обычно в этом случае тыльная сторона пластины покрыта металлом и образует электрический контакт с выводом, на который она опирается.

Крошечная золотая проволока припаяна к другому проводу и соединена проволокой с узорчатыми контактами на поверхности кристалла. При соединении проводов конец провода прижимается к контактному металлу очень тонкой иглой. Золото достаточно мягкое, чтобы деформироваться и прилипать к металлической поверхности.

10. Наконец, вся сборка запечатана пластиком. Проволоки и матрица подвешены внутри формы, которая имеет форму в соответствии с оптическими требованиями упаковки (с линзой или разъемом на конце), а форма заполняется жидким пластиком или эпоксидной смолой. Эпоксидка затвердела, и упаковка готова.

Контроль качества

Качество в производстве полупроводников принимает две формы. Первая проблема связана с конечным продуктом, а вторая — с производственными мощностями.

Каждый светодиод проверяется при подключении проводом на рабочие характеристики. Определенные уровни тока должны давать определенную яркость. Точный цвет света проверяется для каждой партии пластин, и некоторые светодиоды будут подвергаться стресс-тестированию, включая испытания на срок службы, тепловые и энергетические пробои и механические повреждения.

Для стабильного производства продукции производственная линия должна работать надежно и безопасно. Многие из вышеперечисленных этапов обработки можно автоматизировать, но не все. Общая чистота объекта и поступающие чистые пластины тщательно контролируются. Строятся специальные помещения («чистые помещения»), которые поддерживают чистоту воздуха до одной части на 10 000 для определенных этапов обработки (в частности, номера 1-5 выше). Все эти проверки возникают из-за желания повысить выход или количество успешных светодиодов на пластину.

Будущее светодиодов

Оптоэлектроника расцветает с появлением все более и более совершенных методов обработки. Теперь можно производить вафли с чистотой и однородностью, невиданной 5 лет назад. Это повлияет на то, насколько яркими и эффективными будут светодиоды, и как долго они прослужат. По мере улучшения они подходят для все более требовательных приложений, таких как связь. Средний срок службы маленькой лампочки составляет 5-10 лет, но средний современный светодиод должен прослужить 100 лет до выхода из строя. Это делает их пригодными для приложений, где трудно или невозможно заменить детали, например, в подводной или космической электронике. Хотя светодиоды не подходят для оптоволокна большой дальности передачи, они часто используются для оптической передачи на короткие расстояния, такой как дистанционное управление, связь между чипами или возбуждение оптических усилителей.

Разрабатываются другие материалы, которые позволят производить светодиоды синего и белого света. Синий свет не только делает возможным большее разнообразие индикаторов и игрушек с большим количеством цветов, но и предпочтительнее для некоторых приложений, таких как оптические накопители и визуальные дисплеи. Синий и белый свет менее опасны для глаз. Дополнительные цвета, безусловно, открыли бы новые области применения.

Наконец, по мере развития технологии обработки и появления возможности включения большего количества устройств в один чип, светодиодные дисплеи станут более «интеллектуальными». Один микрочип будет содержать всю электронику для создания буквенно-цифрового дисплея и сделает приборы меньше и сложнее.

Телевидение

Модуляция — это процесс наложения высокочастотных несущих сигналов на низкочастотные сигналы сообщений, в результате чего получается модулированная волна. При модуляции изменяется один из трёх параметров несущей волны, то есть амплитуда, частота или фаза, в зависимости от амплитуды сигнала сообщения в данный момент времени. Это важный метод, используемый для увеличения дальности связи, повышения отношения сигнал/шум и уменьшения размера антенны.

При передаче информации по непрерывному каналу используется определенный физический процесс, называемый переносчиком или несущей. Математической моделью переносчика может служить функция времени l ( t , A , B ,…), зависящая также от параметров А, В,….

Некоторые параметры функции фиксированы при данных условиях передачи, и тогда они могут играть роль идентифицирующих параметров, т.е. по ним можно определять принадлежность данного сигнала к определенному классу сигналов.

Другие параметры подвергаются воздействию со стороны передатчика. Это воздействие на них называется модуляцией, а эти параметры играют роль информативных параметров.

В общем случае модуляция есть отображение множества возможных значений входного сигнала на множество значений информативного параметра переносчика. Устройство, осуществляющее модуляцию, называется модулятором. На один вход модулятора действует реализация входного сигнала x ( t ), на другой– сигнал-переносчик l ( t , A ). Модулятор формирует выходной сигнал l ( t , A [ x ( t )]), информативный параметр которого изменяется во времени в соответствии с передаваемым сигналом. В более узком смысле под модуляцией понимается воздействие на переносчик, выражающееся в умножении информативного т.е. модулируемого параметра на множитель [1+ M * h ( t )], где h ( t )- модулирующая функция, соответствующая реализации x ( t ) входного сигнала, определяемая так, что ½ h ( t ) ½ £ 1, а М – коэффициент модуляции.

Основное назначение модуляции состоит в перенесении спектра сигнала в заданную частотную область для обеспечения возможности передачи его по каналу и повышения помехоустойчивости передачи.

В зависимости от вида используемого при модуляции переносчика различают непрерывные и импульсные виды модуляции. При непрерывной модуляции в качестве несущего используется гармоническое колебание. При импульсной модуляции в качестве несущей используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов.

Рассмотрим основные принципы непрерывных методов модуляции, когда в качестве переносчика или несущей или модулируемого напряжения используется гармоническое напряжение (рис. 1.16) , где U₀- амплитуда напряжения, ω₀- несущая частота, φ₀- начальная фаза.

Это напряжение можно представить на комплексной плоскости (рис. 1.17) в виде вектора длиной . Этот вектор в начальный момент времени t=0 повернут к вещественной оси на угол и вращается со скоростью , т.е. в любой другой момент времени повернут на угол θ=ω₀t+φ₀. Его проекция U₀cosθ на вещественную ось в любой момент времени равна мгновенному значению напряжения u(t).

Рис. 1.17. Векторное представление гармонической несущей

При модуляции первичными сигналами или модулирующим напряжением можно воздействовать на амплитуду (амплитудная модуляция), частоту (частотная модуляция) или фазу (фазовая модуляция). При этом следует заметить, что аргумент гармонического колебания , называемый полной фазой, определяет текущее значение фазового угла, в связи

с чем ЧМ и ФМ получили обобщающее название угловой модуляции.

В случае амплитудной модуляции (АМ) частота модулируемого напряжения не изменяется и остается равной , начальная фаза задается моментом начала модуляции, а амплитуда изменяется в соответствии с законом изменения величины модулирующего напряжения (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Амплитудная модуляция

Существует в основном два типа методов модуляции, которые являются

Аналоговая Модуляция

Цифровая Модуляция

Аналоговая модуляция: при аналоговой модуляции и несущий сигнал, и сигнал сообщения являются аналоговыми волнами.

Цифровая модуляция: при цифровой модуляции только несущий сигнал является аналоговым, а сигнал сообщения представлен в цифровой форме.

Аналоговые волны: Аналоговые волны — это сигналы, которые могут принимать бесконечное значение между двумя точками.

Цифровые сигналы: цифровые сигналы — это двоичные значения, которые могут принимать либо логический 0, то есть нулевое напряжение, либо логическую 1, то есть любое другое напряжение. В цифровом сигнале нет промежуточных уровней напряжения.

Типы сигналов

В аналоговой модуляции в основном используются три типа: амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция. При этом амплитуда, частота и фаза несущей волны изменяются в зависимости от амплитуды информационного сигнала. В цифровой модуляции используется процесс, называемый кодовой манипуляцией.

Сдвиг-модуляция означает, что амплитуда, частота или фаза несущей волны сдвигаются между двумя или более дискретными значениями, а не изменяются непрерывно, как при аналоговой модуляции. Для двоичных данных требуется два дискретных уровня амплитуды, частоты или фазы для модуляции, называемой двоичной сдвиговой модуляцией. Группа битов может быть объединена в M-разрядную сдвиговую модуляцию.

В основном существует три типа методов цифровой модуляции. Это :

Манипулирование амплитудным сдвигом

Управление частотным сдвигом

Манипулирование фазовым сдвигом

Манипулирование амплитудным сдвигом

При амплитудно-фазовой модуляции (ASK) каждый символ в сигнале сообщения придаёт несущей волне уникальную амплитуду. Существует два типа ASK: двоичная и M-ичная. В двоичной ASK логическая единица соответствует определённой амплитуде несущей волны, например 12В, а логический ноль соответствует другой амплитуде, отличной от 12В, например 0В. В M-ичной ASK группа из log₂M битов рассматривается вместе, а не по одному биту за раз, и уровень амплитуды связан с этой группой битов.

Например, при 16-разрядной амплитудно-импульсной модуляции рассматривается группа из 4 бит и им присваивается соответствующая амплитуда. Поскольку существует 16 возможных 4-битных двоичных чисел (2⁴), для модуляции требуется 16 различных уровней амплитуды. Если все такие амплитуды создаются с использованием одной несущей волны, то это называется когерентной амплитудно-импульсной модуляцией. Если для модуляции используется несколько несущих волн с разными амплитудами, то это называется некогерентной амплитудно-импульсной модуляцией.

Форма сигнала с манипуляцией амплитудным сдвигом

Структурная схема манипулирования амплитудным сдвигом

Ниже приведена блок-схема манипулирования амплитудным сдвигом

Структурная схема манипулирования амплитудным сдвигом

Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем этот цифровой сигнал передаётся на умножитель, который принимает два входных сигнала. Синусоидальная волна высокой частоты рассматривается как несущий сигнал и умножается на цифровой сигнал. Когда символ, присутствующий в цифровом сигнале m(t), умножается на несущую Asin(2πft+p), получается m(t)Asin(2πft+p).

Когда m (t) велико, несущая волна передается такой, какая она есть. Но когда m (t) равно логическому 0, то результат умножения равен 0. Следовательно, генерируется ASK-волна. Однако эта волна ASK содержит резкие изменения амплитуды, что приводит к ненужному использованию высокой полосы пропускания. Следовательно, этот сигнал пропускается через полосовой фильтр, который ограничивает использование полосы пропускания.

Для демодуляции волна ASK снова пропускается через умножитель, где несущая волна снова умножается, что приводит к m(t)Asin2(2πft+p). Этот сигнал пропускается через фильтр нижних частот, где принимается исходное цифровое сообщение. Этот цифровой сигнал преобразуется в аналоговую волну с помощью цифро-аналогового преобразователя.

Управление частотным сдвигом

При частотной манипуляции (FSK) каждый символ в сигнале сообщения придаёт несущей волне уникальную частоту. Существует два типа FSK: двоичная и M-арная. В двоичной FSK логическая единица связана с определённой частотой несущей волны, например 50МГц, а логический ноль связан с другой частотой, отличной от 50МГц, например 25МГц. В M-ичной FSK группа из log₂M битов рассматривается как единое целое, а не по одному биту за раз, и частота связана с этой группой битов.

Например, в 16-разрядной FSK рассматривается группа из 4 бит и задаётся соответствующая частота. Поскольку существует 16 возможных 4-битных двоичных чисел (2⁴), для модуляции требуется 16 различных частот. Если все такие частоты создаются с использованием одной несущей волны, то это называется когерентной FSK. Если для модуляции используется несколько несущих волн с разными частотами, то это называется некогерентной FSK.

Форма сигнала с частотной манипуляцией

Структурная схема управления частотным сдвигом

Ниже приведена блок-схема управления частотным сдвигом

Структурная схема управления частотным сдвигом

Аналоговый сигнал сообщения преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем этот цифровой сигнал передаётся на два умножителя, каждый из которых принимает два входных сигнала. Синусоидальная волна с частотой f1рассматривается как несущий сигнал для логической единицы, а синусоидальная волна с частотой f₂ рассматривается как несущий сигнал для логического нуля. Эти несущие волны умножаются на цифровой сигнал сообщения. Когда логическая единица 1, присутствующая в цифровом сигнале, умножается на несущую Asin (2nf₁t + p), это приводит к Asin (2nf₁t + p) только потому, что другой умножитель получает логическую единицу 0 в качестве входных данных, поскольку он передается через элемент НЕ.

Когда логический 0, присутствующий в цифровом сигнале, умножается на несущую Asin(2πf₂t+p), получается Asin(2πf₂t+p) только потому, что на вход умножителя подаётся логическая 1, так как она проходит через инвертор. Оба этих сигнала суммируются для формирования FSK-волны A[sin(2πf₁t+p)+sin(2πf₂t+p)]. Однако эта волна FSK содержит резкие изменения частоты, что приводит к ненужному использованию высокой полосы пропускания. Следовательно, этот сигнал пропускается через полосовой фильтр, который ограничивает использование полосы пропускания.

Для демодуляции волна FSK снова проходит через два умножителя, где соответствующие несущие волны снова умножаются. Этот сигнал проходит через два полосно-пропускающих фильтра, из которых верхний полосно-пропускающий фильтр пропускает частоту f₁ если логическая единица, а нижний пропускает частоту f₂, если логический ноль. Выходные сигналы обоих BPF сравниваются друг с другом, при этом выходной сигнал компаратора высокий, если выходной сигнал BPF₁ больше, чем выходной сигнал BPF₂ и низкий, если выходной сигнал BPF₂ больше, чем выходной сигнал BPF₁. Таким образом, на выходе компаратора получается цифровой сигнал. Этот цифровой сигнал преобразуется в аналоговую волну с помощью цифро-аналогового преобразователя.

Манипулирование фазовым сдвигом

При фазовой манипуляции (PSK) каждый символ в сигнале сообщения создаёт уникальный фазовый сдвиг несущей волны. Существует два типа PSK: двоичная и M-арная. В двоичной PSK логическая единица связана с определённым фазовым сдвигом несущей волны, например, 90°, а логический ноль связан с другим фазовым сдвигом, отличным от 90°, например, 0°. В M-ary PSK группа из log₂M битов рассматривается как единое целое, а не по одному биту за раз, и сдвиг фазы связан с этой группой битов.

Например, в 16-разрядной PSK рассматривается группа из 4 бит и задаётся соответствующий сдвиг фазы. Поскольку существует 16 возможных 4-битных двоичных чисел (2⁴), для модуляции требуется 16 различных сдвигов фазы. Если все такие сдвиги фазы создаются с использованием одной несущей волны, то это называется когерентной PSK. Если для модуляции используется несколько несущих волн с разными сдвигами фазы, то это называется некогерентной PSK.

Форма сигнала с фазовой манипуляцией

Структурная схема манипулирования фазовым сдвигом

Ниже приведена блок-схема манипулирования фазовым сдвигом

Структурная схема манипулирования фазовым сдвигом

Аналоговый сигнал сообщения преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем этот цифровой сигнал передается на два умножителя, каждый из которых принимает по два входа. Синусоидальная волна со сдвигом фазы p₁ рассматривается как несущий сигнал для логики 1, а синусоидальная волна со сдвигом фазы p₂ рассматривается как несущий сигнал для логики 0. Эти несущие волны умножаются на цифровой сигнал сообщения. Когда логическая единица, присутствующая в цифровом сигнале, умножается на несущую Asin(2πft+p₁), получается Asin(2πft+p₁), только потому, что другой множитель получает логический ноль на входе, так как он проходит через инвертор.

Когда логический 0, присутствующий в цифровом сигнале, умножается на несущую Asin (2nft + p₂), это приводит к Asin (2nft + p₂) только потому, что умножитель получает логический 1 в качестве входных данных, поскольку он передается через элемент NOT. Оба этих сигнала суммируются для формирования волны PSK A[sin(2nft+p₁)+sin(2nft+p₂). Однако эта волна PSK содержит резкие изменения фаз, что приводит к ненужному использованию высокой полосы пропускания. Таким образом, этот сигнал проходит через полосовой фильтр, который ограничивает использование пропускной способности.

Для демодуляции волна PSK снова проходит через два умножителя, где соответствующие несущие волны снова умножаются. Этот сигнал проходит через два полосовых фильтра, из которых верхний полосовой фильтр пропускает сигнал с фазовым сдвигом p1, если логическая единица, а нижний пропускает сигнал с фазовым сдвигом p₂, если логический ноль. Выходные сигналы обоих BPF сравниваются друг с другом, и выходной сигнал компаратора будет высоким, если выходной сигнал BPF₁ больше выходного сигнала BPF₂, и низким, если выходной сигнал BPF₂ больше выходного сигнала BPF₁. Таким образом, на выходе компаратора получается цифровой сигнал. Этот цифровой сигнал преобразуется в аналоговую волну с помощью цифро-аналогового преобразователя.

Кодирование M-ary

Это подразумевает одновременную передачу более двух бит в одном сигнале, что позволяет экономить пропускную способность за счёт эффективного использования доступного частотного спектра.

M-разрядная ASK (амплитудно-фазовая частотная модуляция): также известна как M-ASK или M-FSK. В этом случае для представления нескольких различных комбинаций битов используются несколько уровней амплитуды. Каждый уровень амплитуды представляет собой определённую последовательность битов, что позволяет передавать несколько битов в каждом сигнальном интервале.M-арная FSK (частотная манипуляция с фазовой манипуляцией): при этом несущая частота сдвигается для представления различных символов. Она похожа на M-арную ASK, поскольку позволяет передавать несколько бит на символ с помощью нескольких сдвигов частоты.M-арная PSK (фазовая манипуляция с кодовой модуляцией): предполагает сдвиг фазы несущей волны для представления различных символов. Изменяя фазу несущей волны, можно представить несколько символов, каждый из которых соответствует уникальному набору битов.

Применение методов цифровой модуляции

Системы военной связи, в которых безопасность и точность передачи сигнала играют решающую роль. Цифровая модуляция может обеспечить конфиденциальную и безошибочную связь.Системы мобильной связи, в которых количество пользователей ежедневно растёт, а цифровая модуляция обеспечивает высокую пропускную способность и меньшее количество помех. С помощью цифровой модуляции можно легко осуществлять связь на больших расстояниях.Цифровое вещание, методы цифровой модуляции используются в стандартах цифрового вещания, таких как цифровое аудиовещание (DAB), цифровое видеовещание (DVB) и наземное цифровое мультимедийное вещание (T-DMB), для эффективной передачи аудио-, видео- и информационного контента.В радиолокационных системах для передачи радиолокационных импульсов и модуляции радиолокационных сигналов с целью точного обнаружения и отслеживания объектов в различных областях, таких как управление воздушным движением, мониторинг погоды и военное наблюдение, используются методы цифровой модуляции, такие как фазовая модуляция (PM) и частотная модуляция (FM).

Преимущества методов цифровой модуляции

Высокая устойчивость к помехам: поскольку модулированная волна состоит из конечного набора амплитудных/частотных или фазовых сдвигов, изменения вышеуказанных параметров из-за помех, искажений и дисперсии незначительны по сравнению с разницей в амплитуде/частоте или фазовом сдвиге между двумя разными символами. Например, волна с амплитудной модуляцией будет более устойчивой к помехам, поскольку помехи не могут изменить 0В, то есть логический 0, на 12В, то есть логическую 1. Таким образом, демодулированная волна на приёмнике в значительной степени соответствует входному сигналу сообщения, подаваемому на передатчик.Высокая безопасность: поскольку сигнал сообщения является цифровым при цифровой модуляции, для повышения достоверности, конфиденциальности и целостности данных можно использовать методы шифрования. После шифрования цифрового сообщения мы можем приступить к процессу модуляции для передачи сообщения. Такие функции недоступны при аналоговой модуляции, поскольку сигнал сообщения является аналоговым.Эффективное использование пропускной способности: с помощью методов сжатия мы можем уменьшить количество битов в сигнале сообщения, не влияя на его содержимое. Следовательно, если мы сжать сигнал сообщения и модулировать его, то для передачи потребуется меньше пропускной способности по сравнению с передачей исходного сигнала сообщения.Высокая точность данных: с помощью методов обнаружения и исправления ошибок мы можем выявить наличие ошибок в демодулированной волне на стороне приёмника и соответствующим образом исправить их, чтобы получить исходный сигнал сообщения.Высокая пропускная способность: в случае цифровой модуляции вместо множественного доступа с разделением по частоте (FDMA) можно использовать множественный доступ с разделением по времени (TDMA), так как частота или спектр ограничены и невозможно выделить определённую частоту для каждого пользователя, поскольку количество пользователей довольно велико по сравнению с доступными каналами. Таким образом, пропускную способность можно увеличить, предоставляя пользователям доступ к каналу на определённый период времени один за другим.

Недостатки методов цифровой модуляции

Дополнительная схема: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) должен быть подключен до модуляции сигнала для преобразования аналогового сигнала в цифровой на стороне передатчика, а цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) должен быть подключен после демодуляции сигнала для преобразования цифрового сигнала обратно в аналоговую волну. Это может увеличить стоимость системы связи.Синхронизация: для правильного обнаружения и демодуляции принимаемого сигнала требуется синхронизация. Для этого необходима схема генератора, которая должна присутствовать как в передатчике, так и в приёмнике.Высокое энергопотребление: хотя модуляция со сдвигом по фазе может потреблять меньше энергии, чем аналоговая модуляция, она все равно потребляет больше энергии по сравнению с методами импульсной модуляции, такими как PAM, PWM и PPM, где сигнал сообщения является аналоговым, а несущая представляет собой прямоугольную волну.

Заключение

Методы цифровой модуляции обладают множеством преимуществ, таких как высокая устойчивость к помехам, повышенная безопасность за счёт шифрования, эффективное использование пропускной способности и высокая точность передачи данных. Несмотря на то, что цифровая модуляция требует дополнительных схем и потребляет больше энергии, преимущества перевешивают недостатки, что делает её важной в современных системах связи. Она применяется в военной связи, мобильных сетях, радиовещании, радиолокационных системах и многом другом, способствуя развитию и надёжности глобальных сетей связи.

Светодиодный графический экран

История

В 1970-х годах в компании Eastman Kodak был разработан органический светодиод (OLED). На данный момент OLED-дисплеи выпускают LG Electronics, Panasonic, Sony, Samsung, Toshiba, Hitachi, TCL Corporation и др.

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов.

Синий светодиод, в сочетании с зелёным и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Cedar Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Применение

Для помещений

Предназначены для установки в концертных и спортивных залах, телестудиях, крупных торговых центрах, конференц-залах, на вокзалах и в аэропортах. При работе со светодиодным экраном передача информации и управление светодиодными модулями осуществляются контроллерами, которые подсоединены к управляющему компьютеру. В компьютере устанавливается плата видеопроцессора (или плата видеозахвата), на вход которой могут подаваться видеосигналы от различных источников — обычный телевизионный сигнал, сигнал от видеомагнитофона, DVD-плеера, видеокамеры, другого компьютера и т. д. Кроме того, на жесткий диск управляющего компьютера могут быть записаны предварительно подготовленные сюжеты, которые можно воспроизводить по заранее составленному расписанию.

Отличительные характеристики: ·Высокая частота обновления 3840Гц ·Яркость 800—1200кд/м² ·Малый шаг пикселя 1—5мм.

Для улицы

Светодиодные экраны получают всё большее распространение — всё чаще используются в целях рекламы на улицах крупных городов или в качестве информационных экранов и дорожных знаков. Эксперты развития рынка рекламы сходятся в едином мнении о том, что с каждым годом доля светодиодных информационных экранов на рынке рекламных технологий будет только возрастать. Действительно, полноцветные светодинамические табло сочетают в себе все основные преимущества существующих визуальных рекламных технологий. Единственным их недостатком может считаться довольно высокая стоимость по сравнению с другими технологиями рекламы. Принцип передачи информации и управления светодиодным экрана ничем не отличается от экранов для помещений, а отличительными чертами является высокая пыле и влага защищенность, чаще всего IP65, и высокая яркость 3500÷7500кд/м², при этом в зависимости от засветки экрана солнцем используется более яркое оборудование. Для качественного показа информации на светодиодном экране при прямых солнечных лучах требуется яркость ≥6000кд/м². Яркость экрана измеряется под нормальным углом к экрану, а угол обзора обычно определяется по точке, где яркость экрана падает на 50% от максимума. Угол обзора экрана является очень важной характеристикой.

Отличительные характеристики: ·Средняя частота обновления: 1920Hz ·Яркость: 3500-7500кд/м² ·Шаг пикселя: 3—16мм.

LED-телевизоры

Возможно, первый настоящий светодиодный экран для телевизора был разработан, продемонстрирован и документально описан Дж. П. Митчеллом в 1977 году. Модель 1977 года была монохроматической и не могла конкурировать с цветными телевизорами того времени.

Лишь после создания достаточно ярких цветных светодиодов появились первые цветные LED-телевизоры. Самый большой в мире светодиодный телевизор высокой четкости был смонтирован (подвешен над игровым полем) в 2009 году в США на стадионе «Ковбойз» в Арлингтоне. Его размеры — 49 × 22 метра, площадь — 1078 квадратных метров (существуют светодиодные экраны и гораздо больших размеров, но они не предназначены для телевидения).

Главный недостаток телевизоров на дискретных светодиодах — большой размер. Дисплей состоит из сотен тысяч светодиодов, и не удалось изготовить полупроводниковый светодиод микроскопических размеров, пригодный для телевидения и имеющий приемлемую цену.

В торговле нередко «LED-телевизорами» (LED TV) называют телевизоры, имеющие ЖК-экран со светодиодной подсветкой. Несмотря на схожее название, к описываемым в данной статье светодиодным экранам они отношения не имеют.

OLED-телевизорыВ XXI веке стали производиться дисплеи на органических светодиодах (OLED). Первоначально они имели малый размер и высокую стоимость, но в 2010-х стали массовыми.

Классификация светодиодных экранов

Светодиодные экраны на дискретных светодиодах по принципу построения делятся на два типа — кластерные и матричные.

Кластерные светодиодные экраны

В кластерных экранах каждый пиксель, содержащий от трех до нескольких десятков светодиодов, объединён в отдельном светоизолированном корпусе, который залит герметизирующим компаундом. Такой конструктивный элемент называется кластером.

Кластеры, образующие информационное поле экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов, подключаемый посредством электрического разъема к соответствующей схеме управления (плате). Такой способ построения полноцветных светодиодных экранов постепенно отмирает, уступая место более технологичному матричному принципу.

Матричные светодиодные экраны

В этом случае кластеры и управляющая плата объединены в единое целое — матрицу, то есть на управляющей плате смонтированы и светодиоды и коммутирующая электроника, которые залиты герметизирующим компаундом. В зависимости от размера и разрешения экрана, количество светодиодов, составляющих пиксель, может колебаться от трех до нескольких десятков. А распределение количества светодиодов по цветам в пикселе изменяется от типа применяемых светодиодов в интересах соблюдения баланса белого.

Преимущества и недостатки

Высокая яркость

В отличие от других технологий (напр., Блинкерное табло), светодиодные экраны обладают некоторыми преимуществами: ·Высокая яркость и контрастность; ·Возможность сборки экрана больших размеров (до сотен метров в ширину и высоту); ·Произвольное соотношение высота/ширина; ·Высокая ремонтопригодность (повреждение части экрана не ведёт к его неработоспособности в целом); ·Возможность круглогодичного уличного использования таких видеоэкранов; ·Мгновенный отклик (время отклика 10мкс); ·Качество изображения не зависит от угла обзора; ·Толщина менее 1мм, могут гнуться; ·Большой диапазон рабочих температур (−40÷+70℃).

К недостаткам можно отнести: ·Довольно большой размер зерна у экрана; ·Зачастую весьма низкое разрешение экрана; ·Сложность самостоятельной сборки; ·Высокая стоимость; ·Частое перегорание отдельных светодиодов, приводящее к эффекту «битого пикселя»; ·Возможность необратимых повреждений сетчатки глаза при использовании светодиодных мониторов, мобильных телефонов и телевизионных экранов[3][4]; ·Чувствительность к воздействию влаги.

Как устроены дисплеи. Подробный разбор

В этой части разберем аппаратное устройство, виды и повадки современных телевизоров.

Основные характеристики — всякие разрешения, HDRы, контрасты и цветовые охваты, что они значат и зачем нужно 120Гц, а также некоторые программные плюшки мы разобрали в предыдущей части.

Про прошлое (механика, кинескопы, проекционники и плазму), экзотику (FED/SED/PALC и всякие кинескопные ЖК с эйдофорами) и возможное будущее (MicroLET, быстрые HDR e‑ink, световое поле и фемтосекундные проекторы), а также обычные проекторы, тоже воздержусь рассказывать, ибо и так слишком много всего.

Ложные субпиксели

Начнём с простого. Поскольку современные дисплеи не векторные, а растровые, картинка состоит из пикселей, а каждый пиксель — из субпикселей. Обычно субпиксели бывают красные, зелёные и синие, в экзотических случаях добавляют четвёртый субпиксель, например, жёлтый, или белый.

Простейшая структура пикселя

Существуют нечестные экраны, у которых разное количество субпикселей. Например, зелёных столько, сколько надо, а красных и синих в два раза меньше. Примерно так выглядят экраны современных телефонов с AMOLED-экранами:

Нечестный PenTile — классика смартфонов

Разрешение у них ненастоящее, но пиксели настолько маленькие, что это почти незаметно. В телевизорах же часто встречается другая вариация нечестного разрешения:

Нечестная половина нечестных пикселей чёрно-белые — они расставлены в шахматном порядке

Это встречается в бюджетных телевизорах. Добавляется белый субпиксель, но вставляется в шахматном порядке, и считается за один отдельный целый пиксель. То есть в строках изображения каждый второй пиксель — не цветной, а чёрно-белый. Для просмотра видео это оказывается почти незаметным, ведь у глаза разрешение по цвету гораздо меньше разрешения по яркости. Однако, цветопередача при таком подходе всё равно заметно страдает, и особенно страдает отображение мелких тонких деталей.

Если мы говорим о ТВ в качестве монитора — то у нас этих мелких тонких деталей будет очень много — это кусочки букв. Если собираетесь использовать ТВ как экран в 100% масштабе, то есть без увеличения интерфейса, то такие неполноценные экраны брать строго не рекомендуется. Для шрифтов нужно настоящее разрешение, где всех субпикселей одинаковое количество.

ЖК и светодиоды

Говоря просто, сейчас основой субпикселей может служить одна из двух технологий: светодиоды или жидкие кристаллы.

Светодиодные дисплеи сразу делают нужное изображение, лепят его из света, как из глины. А жидкокристаллические наоборот, берут сразу кучу света от лампы, и высекают из него картинку, как из камня, удаляя всё лишнее.Можно сказать, что жидкокристаллические дисплеи — это как бензиновые авто — старая отработанная технология, за счёт кучи улучшений и дополнений всё ещё остающаяся конкурентоспособной, а светодиодные — как электромобили. Лаконичнее, технологичнее, но с капризами и детскими проблемами. Технология-то сравнительно новая.

Теперь рассмотрим подробнее, как каждый тип экранов, а точнее, матриц, генерирует картинку.

TFT и PCB

Для начала: и в светодиодных, и в жидкокристаллических экранах надо рулить пикселями. Как? Для этого существует технология Thin-Film-Transistor — транзисторы и сопутствующая требуха, которая управляет субпикселями. Присутствует в большинстве дисплеев всех типов — и ЖК, и светодиодных.

Всё вот это вот «a-Si», «LTPS», «LTPO» и «IGZO» — это не типы экранов и не виды телевизоров. Это наиболее распространённые технологии изготовления транзисторов, управляющих пикселями экрана. И светодиодными, и жидкокристаллическими. Эти штуки встречаются почти во всех экранах, даже в ныне почивших плазменных.

Важно не только родить гору транзисторов, но и правильно их между собой соединить

a-Si TFT — самая распространённая технология управления. В большинстве современных экранов за управление пикселями отвечает именно она. Делают эти транзисторы из аморфного кремния. Когда говорят TFT, подразумевают именно это.

LTPS TFT — суровые транзисторы из низкотемпературных поликремниевых транзисторов. Работают они быстрее a-Si TFT. При необходимости, можно изготавливать их сразу вместе со слоем жидких кристаллов или со светодиодами, а также вместе с интегральными схемами, управляющими адресацией пикселей и другими штуками. То есть можно взять жидкие кристаллы или светодиоды, управляющие транзисторы и их логику, и всё это объединить в один слой.

IGZO TFT — это более продвинутая реализация. Замена кремния на оксид индия, галлия и цинка сделала их быстрее, точнее, гораздо энергоэффективнее и миниатюрнее. IGZO позволяет повысить яркость (меньше места для транзистора — больше места для светоизлучателя-субпикселя) и расширить цветовой охват (ибо точность).

LTPO TFT — проапгрейженый вариант LTPS. Расшифровывается как «низкотемпературный поликристаллический оксид». По сути, это комбинация LTPS и IGZO, вобравшая в себе плюсы обеих технологий. Пока что применяется в смартфонах, до телевизоров ещё не докатилась.

PCB — это очень топорный способ управлять светодиодами. Просто берём печатную плату и руками припаиваем к ней светодиоды так же, как припаивают детальки на материнскую плату, разводим дорожки, паяем транзисторы, вот это всё. Применяется такой подход, в основном, в уличных экранах и профессиональных видеостенах с диагоналями в сотни и тысячи дюймов, для телевизоров это редкость. Во многом потому что для телевизорных пикселей важна маленькость, которую очень тяжело получить с подобным подходом.

Разрядность Пиксель может менять цвет потому, что его субпиксели меняют силу свечения. Каждый субпиксель имеет строго определённое число возможных уровней свечения. Наиболее распространённые варианты:

Также существует специальная функция FRC (Frame Rate Control), которая способна докинуть пару бит несовершенному дисплею: 6 бит превратить в 8 бит, а 8 бит превратить в 10 бит. Работает просто — если субпикселю надо занять промежуточный уровень, он начинает быстро-быстро переключаться между двумя соседними — тот же ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция

По точности и качеству эти дополнительные 2 бита всегда немного хуже, чем настоящие. Обозначение у таких разрядностей выглядит так: ·6+2frc — это когда 6-битная матрица делает вид, что она 8-битная ·8+2frc — это когда 8-битная матрица делает вид, что она 10-битная

Чем больше промежуточных уровней, тем плавнее дисплей может рисовать градиенты. Тут важно понимать, что чем выше яркость и контрастность дисплея, тем острее он нуждается в большем числе промежуточных уровней, потому что больше будет «перескок» между соседними уровнями — при повышении яркости возрастает разница между яркостями соседних уровней. Особенно остро в большом числе уровней нуждаются HDR-телевизоры, потому что у них высокая пиковая яркость.Хороший дисплей сейчас — 10-битный, то есть умеющий показывать более одного миллиарда разных цветов. Для того, чтобы 10 бит были честными, мало отсутствия FRC — все части дисплея должны поддерживать эту высокую разрядность — и управляющие транзисторы, и исполнительное устройство, будь то ЖК или светодиоды.

До реальной потребности в 12-битных матрицах нам ещё довольно далеко, впрочем, маркетологи не дремлют.

Теперь разберём разные типы дисплеев — светодиодные и жидкокристаллические.

Светодиодные дисплеи

В светодиодных телевизорах пиксели светятся сами, и всё устроено довольно просто: меняй себе яркость каждого субпикселя-светодиода и получай картинку. В каждом пикселе получаем столько света и цвета, сколько нужно.

Способность полностью выключать пиксели — это возможность показывать нормальный чёрный цвет чёрного цвета, который даже в темноте не видно (а не серо-синее марево, как у ЖК), без ореолов, засветки и прочих проблем. Светодиодные дисплеи имеют превосходные углы обзора, контрастность, цветопередачу и уровень чёрного.

Делать светодиодные ТВ по-нормальному научились сравнительно недавно, а у новых технологий вечно бывают детские проблемы. Главная — большинство дисплейных светодиодов любят быстро умирать, и приходится сильно изворачиваться, чтобы замедлить этот процесс. Это то самое выгорание, за которое любят критиковать светодиодные ТВ.

Самые передовые светодиодные дисплеи, при всех их плюсах и качестве изображения — всё ещё далеко не массовый продукт, производятся очень маленькими партиями и имеют серьёзные проблемы с надёжностью.

Собственно, каждый субпиксель такого телевизора — это отдельный светодиод.

Диоды и светодиоды

Начнём не со светодиода, а просто с диода (diode). Если отбросить суровые вещи про нелинейности, динамические характеристики и прочее, и говорить просто, то диод — это электрическая деталь, которая пропускает ток только в одну сторону. До появления диодов, чтобы так делать, электронами стреляли в вакуумных колбах и с помощью электрических полей управляли их движением — это был один из видов вакуумных ламп. А диод — это более совершенная технология, простой полупроводник, то есть кристалл, без стекла, вакуума и прочих штук. Диоды применяют много где, с помощью них можно делать много разных полезных вещей.

Меньше атома диод делать не умеют, но это пока что

99 лет назад Олег Владимирович Лосев случайно обнаружил, что у некоторых диодов есть побочный эффект — они светятся, когда по ним идет ток. И понеслась. Формально, слово LED (Light-Emitting Diode) означает «светоизлучающий диод» или коротко — «светодиод».

Но в мире телевизоров и экранов это слово пихают абсолютно везде, называют им всё подряд. И в светодиодные экраны, и в ЖК, и в телевизоры, и в мониторы, запутывая людей. Например, сейчас самый простой вариант ЖК телевизора называют LED™™, более навороченный ЖК называется QLED, а светодиодный телевизор из органических светодиодов называется OLED.

История путаницы такова. Вначале были только ЖК телевизоры с подсветкой на ртутных лампах. Называли их LCD — ну ок, других всё равно не было. Вдруг в 2007 появился светодиодный OLED, картинка по тем временам сумасшедшая, все радуются. Слово OLED стало синонимом ультракачества изображения. Тем временем, производители ЖК догадались заменить ртутные лампы подсветки на светодиоды. Получилось тоньше, чуть лучше, экономнее. Как таки лучше пrодать такой ЖК? Давайте назовём его LED™™. А чего такого, у них же светодиоды есть. Люди же как подумают: OLED крутой, слова OLED и LED™™ похожи, значит и дисплеи похожи, а LED™™ ещё и гораздо дешевле. С тех пор словом LED™™ называют ЖК телевизоры со светодиодной, причем самой примитивной, на сегодняшний день, подсветкой, в то время как OLED как раз по-настоящему состоят из светодиодов. В итоге LED™™ — это дешевый ЖК, а OLED — это светодиодный экран. Но это не всё! Аббревиатуру LED™™ можно встретить где угодно: NeoQLED, QLED, MiniLED — это всё ЖК, только со светодиодной подсветкой и дополнительными улучшалками, а OLED, CrystalLED и MicroLED — это светодиодные тв.

Таким образом, названия телевизоров контринтуитивны и сильно запутывают. За двумя похожими названиями могут стоять технологии из разных веков. Например, QLED и OLED — это две фундаментально разные технологии. Между MicroLED и MiniLED вообще лежит технологическая пропасть. Похожесть названий никак не коррелирует с похожестью технологий.

Возвращаемся к светодиодам. Светодиод может сразу излучать цветной свет, например, красный или зелёный — здесь не требуется какого-либо светофильтра, цветного стекла или каких-нибудь квантовых точек. Просто сразу излучается нужная длина волны.

Существуют белые светодиоды. Белый свет — это комбинация всех возможных видимых цветов. Белые светодиоды делают либо комбинируя красный, зелёный и синий светодиоды в одном корпусе, либо берут синий или фиолетовый светодиод, и покрывают сверху специальным веществом — люминофором, которое превращает синий/фиолетовый свет в белый. Второй способ используется чаще всего, поэтому большинство белых светодиодов на самом деле синие или фиолетовые. В некачественных светодиодах люминофор делает это превращение не до конца, из-за чего такой свет весьма неприятен для глаз.

Само превращение синего/фиолетового в белый имеет далеко не 100% КПД. Часть энергии уходит в тепло, поэтому такие белые светодиоды имеют меньшую энергоэффективность по сравнению с «чистыми».

Для простоты поделю светодиоды на три типа: 1.Неорганический обычный 2.Органический обычный 3.Неорганический микро

Неорганические обычные светодиоды — LED

Вне мира дисплеев, где LED™™ натянули на ЖК-экраны, это слово как раз обозначает обычный неорганический светодиод. Классический полупроводниковый источник света, ему уже почти 100 лет. Можно купить в радиомагазине и спаять себе красивый LED-кубик.

У этих светодиодов куча реализаций, размеров и корпусов. Из них состоят энергосберегающие лампы, индикаторы на зарядках, фары у авто, гирлянды и светодиодные ленты, и из них состоит подсветка у большинства ЖК-телевизоров. Если хорошо сделать, LED работает почти вечно.

Светодиоды не любят чрезмерный нагрев — они от него тускнеют и умирают. Греются они всегда, когда светят. Именно поэтому часто умирают дешёвые светодиодные лампы — там охлаждению почти не уделяют внимания. Чтобы противодействовать умиранию, яркие светодиоды часто снабжают каким-нибудь радиатором.

В мире экранных технологий обычные светодиоды больше прижились в качестве подсветки жидкокристаллических дисплеев. Делать из таких обычных светодиодов сами пиксели довольно сложно, такое, разве что, встречается в промышленных видеостенах и уличных экранах с диагоналями в сотни и тысячи дюймов.

Экраны сделаны из органических светодиодов, а светодиодные ленты — из неорганических

В моём случае, именно из таких светодиодов сделаны ленты окружающей подсветки, создающей ореолы вокруг экранов — в каждом корпусе стоит красный, зелёный и синий светодиод, а также чип, управляющий их яркостью.

Внутри каждого корпуса три светодиода и контроллер

Органические светодиоды — OLED

Органический светодиод aka OLED наоборот, обитает, в основном, только в дисплеях (хотя из них ещё делают интересные светильники), и самостоятельно в природе почти не встречается. Главный недостаток — эффект памяти. При постоянном нагреве органический светодиод медленно и верно умирает, и делает это гораздо быстрее обычных светодиодов.

А греется он постоянно. Поэтому его надо не сильно напрягать, чтобы не грелся, и охлаждать получше. Совсем хорошо — радиатор поставить. Единственное преимущество Organic LED перед неорганическим собратом — их умеют изготавливать сразу миллионами и в виде дисплеев. Всё. Больше преимуществ у них нет. Самые распространенные и доступные светодиодные телевизоры сделаны именно из органических светодиодов — они так и называются: OLED-телевизоры.

Если органический светодиод долго горит, он постепенно начинает тускнеть, как бы устаёт — поэтому возникает эффект «отпечатывания» картинки. Если целенаправленно им поморгать — тусклость пропадёт, и сбросится эффект отпечатка. Поэтому OLED телевизоры любят периодически проситься отключиться на 5 минут, чтобы «размять» свои пиксели и избавиться от отпечатков.

Если пиксели не «разминать», то они деревенеют и тусклость остаётся навсегда — это уже называется выгорание, с теми самыми неубираемыми отпечатками, которыми любят пугать противники OLED телевизоров.

Ещё одна проблема OLED — большинство моделей отстают по яркости от топовых ЖК-телевизоров, обвешанных дополнительными улучшалками (1500кд/м² против 2000 – 4000кд/м²). А мы помним, что яркость это не только корректная работа функции HDR, но и для противодействия засветке в ярко освещённых помещениях. Другими словами, ограничение яркости — это превентивная мера против перегрева и преждевременной деградации. Если ярко светить, пиксели слишком быстро вымрут. Теоретически можно попробовать разогнать яркость OLED, но проживёт он в таком режиме не долго. Можно продлить ему жизнь с помощью контура жидкостного охлаждения сзади + соорудить прозрачную ёмкость с водой толщиной пару сантиметров прямо перед телевизором, чтобы вода контактировала напрямую с экраном и снимала с него тепло. В любом случае, жидкостное охлаждение напрямую к пикселям можно подвести только на этапе производства на конвейере. А значит — экран всё равно быстро умрёт.

Красные, зелёные и синие субпиксели тут почти не участвуют - всё рисуют специальные, белые Всего общепринятых вариантов цветных OLED дисплеев три: из цветных светодиодов, из белых светодиодов со светофильтрами и из синих светодиодов с фильтрами на квантовых точках. Строение пикселя OLED телевизора. Первый вариант слишком сложный и не прижился, второй — наиболее распространённый сегодня, третий — самый совершенный, только набирает обороты

По логике, цветные светодиоды — самый лучший способ. Сразу получаем нужный цвет. Однако, у него есть две большие проблемы. Первая — светодиоды, светящие разным цветом, имеют разный химический состав. Создавать матрицу из миллионов лампочек, устроенных по-разному — сложно, долго и дорого. Вторая — разные светодиоды выгорают с разной скоростью. Первые OLED экраны так и были сделаны, и постепенно желтели, потому что синие субпиксели выгорали быстрее всех. Поэтому пришли ко второму варианту — все светодиоды одинаковые, белого цвета — производить такое легко. Свет от этих белых лампочек раскрашивается светофильтрами разного цвета. Для увеличения яркости и энергоэффективности в каждый пиксель таких дисплеев добавили четвёртый белый субпиксель, без светофильтра. Не путать с нечестными бюджетными ТВ — в отличие от них, здесь все пиксели полноценные, просто состоят из четырёх субпикселей — красный, зелёный, синий и белый. Это наиболее распространённый вариант OLED-телевизоров сегодня.

Белый субпиксель делают по той же причине, по которой у цветных принтеров есть чёрная краска: если надо получить чёрно-белое, то смешивать все три цвета слишком затратно — лучше делать это отдельно. У принтера эта затратность выражается краской, а у телевизора — энергией. Светофильтры пропускают только какой-то один цвет из состава белого (белый — смесь всех цветов), а остальное превращают в тепло. Зачем брать три белых светодиода, от одного брать только красный, у другого только зелёный, у третьего синий, и потом обратно это смешивать, чтобы получить белый? Мы же 70% света в тепло превращаем — мало того, что это тусклота, мы этим теплом добиваем и без того хлипкие органические светодиоды. Давайте сразу белым светить.

Ну и, разумеется, стоит упомянуть, что белые светодиоды здесь на самом деле синие, просто покрыты сверху люминофором. А он тоже имеет КПД < 100% и греется. Поэтому у белых субпикселей энергия тратится впустую один раз на люминофоре, а у цветных субпикселей — два раза — на люминофоре и на светофильтре. Третий вид OLED дисплеев появился сравнительно недавно. Все светодиоды здесь не белые, а синие. Вместо светофильтров — особое вещество, которое называется квантовые точки, сразу превращающие синий свет в красный или в зелёный.

Говоря простыми словами, в предыдущем варианте синий цвет с помощью люминофора превращается в смесь красного, зелёного и синего, то есть, в белый (и уже тут часть энергии уходит в тепло), и потом с помощью светофильтров из этих трёх выбирается какой-то один цвет, а остальные утилизируются в тепло. В варианте с квантовыми точками синий свет сразу превращается в зелёный или красный с КПД близким к 100%. Из-за того, что мы не теряем кучу энергии по дороге, получаем высокую яркость + органические светодиоды живут гораздо дольше, потому что их меньше греют.

Пиксели вновь состоят из трёх субпикселей, в четвёртом необходимости нет. Поскольку квантовые точки намного лучше, точнее и энергоэффективнее светофильтров, такие телевизоры гораздо ярче и меньше подвержены выгоранию, и в качестве бонуса — улучшенная цветопередача. Эти телевизоры называются QD-OLED.

Неорганические микросветодиоды — MicroLED

Неорганический микросветодиод aka MicroLED (не путать с MiniLED) может иметь размер всего в 5 микрометров. Он очень энергоэффективен, он не выгорает. И из него умеют делать дисплеи. Вы можете делать экраны с сумасшедшей плотностью пикселей в десятки тысяч точек на дюйм и пихать их в VR шлемы и линзы для глаз, можете делать голографические дисплеи и кучи других замечательных штук.

Обратите внимание, как оно пышет ярким светом на людей рядом. 5000кд/м² - не шутки. Закат на таком экране выглядит бесподобно Вы также можете делать из них отличную равномерную подсветку для ЖК дисплеев. А уж если сделать из них светодиодный экран — вы получите самый крутой, доступный на сегодняшний день, дисплей: MicroLED. Данные экраны, с их цветовым охватом и яркостью, любят использовать вместо зелёного фона на съёмках современных сериалов и кино.

Самые крутые в мире телевизоры с яркостью 5000кд/м² имеют гигантские модульные экраны в сотни дюймов, целиком сделанные из таких светодиодов. Это — вершина дисплейной технологии на данный момент, хотя и сыроватая.

Изначально для управления светодиодами в MicroLED-телевизорах использовались печатные платы (PCB), то есть светодиоды буквально тупо припаивались к печатной плате, как обычные детали. Сейчас происходит переход на технологию TFT LTPS.

Телевизоры с этой технологией у Samsung называются The WALL, у LG называются MAGNIT, а у Sony — CrystalLED.

Вместе с тем, MicroLED является достаточно сырой технологией. Выявлено большое число случаев с битыми пикселями и низкой надёжностью матриц. Технология молодая, и ей ещё предстоит избавиться от детских проблем. Один из очевидных путей удешевления и увеличения надёжности — сделать все диоды синими и намазывать квантовые точки — подозреваю, что сделают именно так.

Массив микролинз (Micro Lens Array)

Если посмотреть на поверхность чистой воды прямо — она выглядит прозрачной. Если посмотреть вдоль поверхности воды — она будет отражать небо. Свет предпочитает не лететь дальше, а отражаться от места, где соприкасаются две среды, если падает вдоль, то есть по касательной. На самом деле там всё сложнее и хитрее, но сейчас это неважно.

Собственно, у OLED экранов есть проблема: их пиксели сверху покрывают стеклом, чтобы они не убились об пылинки, шаловливых человеков и любопытных котов. Пиксели при этом излучают свет во все стороны, а не только «вперёд». А правило про отражения работает и тут — у нас за стеклом воздух.

Те фотоны, которые вылетели из светодиода под прямым (или почти прямым) углом прямо в стекло, спокойно преодолевают его и вылетают в воздух — всё ок. А вот те, которые вылетели по касательной вдоль стекла, отражаются обратно от границы стекло‑воздух. Дальше они либо попадают в соседний пиксель, либо вообще кучу раз переотражаются, и летят внутри стекла, как по световоду‑оптоволокну — не важно, в глаз оно уже не попадёт. Энергия потрачена на ветер, а ведь наш HDR OLED мог быть ярче.

Микролинзы убеждают фотоны продолжать лететь дальше

Чтобы решить эту проблему, инженеры LG придумали напылять на стекло сверху несколько слоёв разных штук, завершая всё глазурью из микролинз. Смысл этой конструкции в том, чтобы сгладить переход между стеклом и воздухом — фотоны принимают решение между «лететь дальше» и «сваливать обратно» именно в месте контакта двух сред. Если показатель преломления снижается не резко, а постепенно (у стекла он 1.4, у воздуха 1), то фотонов, которые решат вернуться путешествовать по тёплому стеклу до конца своей фотоньей жизни, будет мало. Чем мы аккуратнее готовим фотон к полёту в воздухе — тем меньше возвращается фотонов.

Инженерам пришлось, имхо, немало повозиться с этим делом, потому что после прохождения этого бутера из прозрачных сред свет ещё и должен быть по‑прежнему равномерно распределён в плане направлений — а он явно не захочет так делать. То есть не должно вперед лететь фотонов больше, чем в бок, иначе это будет выглядеть ровно так же, как выглядели старые экраны у банкоматов — смотришь под углом и картинка темнее (или просто меняется). С такой кучей покрытий очень легко убить одно из преимуществ OLED — абсолютные углы обзора. Скорее всего, изначально они хотели просто добавить слоёв разных прозрачных штук — слои делали экран ярче, но портили углы обзора, и как раз чтобы починить углы обзора, инженеры напылили микролинзы, чтобы «выправить» траектории фотонов обратно. Иными словами, высветляют не линзы, а дополнительные слои. А именно линзы нужны чтобы вправить убитые углы обзора обратно. Но это мои догадки.

Массив микролинз (Micro Lens Array) называется MLA. Да, теперь у нас есть OLED с MLA и OLED без MLA. И это не следует путать с LCD MVA, потому что это совсем другое. Всё как всегда наглядно и понятно, не перепутаешь :3 Кто знает, может именно эта технология ляжет в основу дисплеев светового поля — до нормальных ФАР в оптическом диапазоне нам ещё довольно далеко.

Жидкокристаллические дисплеи

Структурно ЖК дисплеи устроены гораздо сложнее светодиодных. Такие ТВ сначала просто генерируют свет, а дальше отсекают от него всё лишнее, чтобы получилась картинка. Слоёв для этого используется много. Для начала сосредоточимся на трёх главных и рассмотрим, как эти слои формируют картинку.

Упрощённый принцип работы пикселя в ЖК-дисплее

Сначала светим рассеянным равномерным светом, какой-нибудь единой целой лампой под всем дисплеем, или, в более дорогих вариантах — сотней или тысячей маленьких лампочек для каждой отдельной зоны дисплея.

Теперь, чтобы свет стал картинкой, нам надо отсечь ненужную часть света в каждом пикселе. Если забыть про физику и поляризацию, и объяснить неправильно, но просто, то жидкие кристаллы — это такая чёрная жидкость, которая станет прозрачной, если на неё подать электричество. В дисплеях её помещают в маленькие капсулы с прозрачной оболочкой, делают из таких капсул субпиксели, и используют как электронную версию жалюзи, дозирующих свет.

Затем красим свет. Для этого можно просто использовать светофильтры — маленькие цветные стекла, а можно более экзотические варианты, например, квантовые точки.

В современных дисплеях последние два этапа (ЖК и раскраска) любят менять местами.

В реальности слоёв в ЖК гораздо больше. И эта куча слоёв генерирует кучу проблем: слишком толстые пиксели убивают углы обзора, делаем кучу света, а потом его заслоняем — кучу энергии впустую, кристаллы инертные и оставляют шлейфы, и, даже в закрытом состоянии, пропускают немного света — поэтому чёрный цвет не будет идеальным. Пытаемся локально выключать подсветку в тех местах, где она не нужна — становится лучше, но всё равно остаются противные ореолы. И ещё много всего.

При всей сложности, ЖК экраны появились очень давно, поэтому уже отработанная и отлаженная технология стоит дешево и широко распространена. Та же история, что с механическими жесткими дисками (HDD), сложность которых уже сопоставима с космической техникой, но из-за отработанности технологии они стоят меньше, чем более простые SSD.

Рассмотрим основные слои ЖК-дисплеев: подсветка, жидкие кристаллы и окрашивающий слой.

Подсветка

Прежде чем высечь скульптуру из камня, нам нужен сам камень. Так и с ЖК дисплеями: прежде, чем высечь картинку из света, нам нужен сам свет.

Подсветка CCFL: ртутная лампа

Самый первый и древний тип подсветки. Устроен примерно так же, как вот такие олдскульные лампы, только в дисплеях эти лампы гораздо тоньше и лучше. Лампы эти называют люминесцентными, если точнее — флуоресцентными.

Если говорить неправильно, но просто, то работает это так. Внутри запаянной стеклянной трубки пары ртути. Пускаем по парам электричество, из-за чего часть пробегающих электронов превращается в фотоны ультрафиолетового света. А на поверхность лампы намазываем особое вещество — люминофор. Проходя через него, у ультрафиолетового излучения понижается частота, и фотоны ультрафиолета становятся фотонами видимого света. На самом деле всё сложнее, но сейчас это не важно.

В дисплеях эти лампы совершеннее. Вдобавок, перед лампами обязательно стоит светорассеиватель — что-то вроде матового стекла, равномерно размазывающего свет по всему дисплею. Размазывается свет очень туго, поэтому у дисплея яркость неравномерная и пятнами раскидана по дисплею.

Несмотря на древность, у этой подсветки есть большой плюс — неплохой спектр. Именно он создает ощущение тёпломягкой природной естественности цветов на некоторых старых ЖК дисплеях, даже дешёвых.

А что если сами пиксели сделать из таких ламп? Т. е. как светодиодный дисплей, без жидких кристаллов и пиксели сами светятся, только вместо светодиодов взять такие вот миниатюрные лампы? Мы только что придумали PDP‑телевизор — отдельный вид телевизоров, который уже вымер, к сожалению. Долгое время именно этот тип доминировал на рынке премиальных ТВ, пока не уступил место OLED. Шикарные цвета, шикарный спектр, отличный контраст, но большие пиксели и сильный нагрев.

Вероятно, вы о них слышали — это те самые плазменные ТВ.

Все остальные виды подсветки уже светодиодные.

Подсветка EdgeLED: светодиоды по краям

Самый простой тип светодиодной подсветки. Такой же светорассеиватель, но вместо ртутных ламп — обычные неорганические светодиоды по периметру. Поэтому он и называется «edge». Также, как и предыдущий тип, имеет проблемы с равномерностью.

По сравнению с ртутными лампами, такие дисплеи кушают меньше энергии (светодиоды же), меньше весят и гораздо тоньше. Бывает, что светят только снизу, бывает — только сверху и снизу, бывает — со всех сторон. В теории это не должно играть роли — светорассеиватель должен равномерно распределить свет по всему экрану. На практике он далеко не всегда хорошо с этим справляется.

Подсветка DirectLED и FALD: светодиоды под экраном

Продвинутая подсветка, родом из профессиональных дисплеев. Довольно очевидная идея состоит в том, что мы светим уже не с боков, а сзади. Размещаем массив обычных светодиодов под экраном. Этих диодов может быть несколько десятков. Здесь нам гораздо легче размазать свет по всему экрану. К слову, первый ЖК телевизор со светодиодной подсветкой был именно с подсветкой DirectLED, потом решили удешевить и появился EdgeLED, а потом, для улучшения качества в небюджетных моделях, вернулись к DirectLED.

Более продвинутый вариант DirectLED любят называть FALD (Full-Array Local Dimming) — это название в 2018 году решила использовать компания LG. К тому моменту светодиоды научились ставить уже не десятками, а сотнями, поэтому, зачастую, FALD лучше, чем DirectLED.

Подсветка MiniLED: очень много светодиодов под экраном Как правило, оно используется с квантовыми точками, поэтому имеет синий цвет

Эволюционное развитие DirectLED и FALD — теперь у нас не сотни, а тысячи или даже десятки тысяч маленьких светодиодов размером около 200 мкм — почти как человеческий волос. Поэтому дела с равномерностью и энергоэффективностью обстоят ещё лучше. На горизонте уже маячат варианты с сотнями тысяч и даже миллионами зон подсветки.

RGB-LED: много цветных светодиодов под экраном

Технически, RGB-LED — это как DirectLED, FALD или MiniLED, но разница в том, что светодиоды подсветки здесь не белые или синие, а цветные, и не просто помогают экрану светиться в нужных местах, но и задают общую цветовую палитру в локальной области.

Изначально эта технология появилась в профессиональных мониторах для точной передачи цвета. Одно время RGB-LED-подсветку пытались удешевить, используя лишь зелёный и синий светодиоды — она называлась GB-подсветка (GB-LED). В потребительские телевизоры более-менее массово RGB-LED начала внедряться только в 2022 году, и такие телевизоры получили название SLED.

Подсветкой в таком ЖК телевизоре выступает целый «светодиодный телевизор», только очень низкого разрешения в духе 120×90. А затем эта грубая цветная картинка уточняется жидкими кристаллами и докрашивается светофильтрами.

Таким образом, в телевизорах с RGB-LED-подсветкой цвет рождается дважды: грубо в подсветке, и уточнённо в слое со светофильтрами. С одной стороны, это действительно улучшает цветопередачу, с другой — лишает нас возможности вместо светофильтров использовать более технологичный и качественный способ получения цвета — квантовые точки. Квантовым точкам обязательна именно синяя подсветка, цветная или белая работать не будут.

Но самое главное во всех этих вариантах с большим числом светодиодов сзади — не их количество, а то, что ими можно управлять по отдельности. Функция подсветки LocalDimming меняет всё

Однажды ЖК телевизоры сильно приблизились к светодиодным по уровню чёрного и контрастности. Всё благодаря функции локального затеменения, которая идеально ложится на концепцию DirectLED, MiniLED и SLED. Сейчас практически всё, кроме EdgeLED, обладает этой функцией.

Изначально эта функция была только в профессиональных ЖК дисплеях, но потом попала в потребительский сектор и просто перевернула рынок: ЖК вплотную подобрались к OLED почти по всем характеристикам и обогнали их по яркости.Идея проста: давайте, раз уж у нас тут в подсветке куча лампочек, управлять ими отдельно — превратим подсветку в такой себе недодисплей низкого разрешения, который будет помогать жидким кристаллам делать дело. Подсветка будет грубо накидывать картинку крупными мазками, а дальше мы будем её уточнять жидкими кристаллами и раскрашивать.

Мы затемняем подсветку в тех областях, где изображение тёмное (естественно, в меру возможности). Например, у нас луна на фоне черного неба — давайте включим подсветку только под луной, а в остальных местах её ослабим.

Такое поведение очень хорошо борется с проблемой плохого контраста и недочёрного цвета у ЖК дисплеев. Нет света — нет проблем со светом. Хотя подсветка и может затемняться где нужно, «подражая» яркости картинки в разных местах, разрешение у этой подсветки, мягко говоря, небольшое, даже у MiniLED с его десятками тысяч зон. Пикселей-то на дисплее миллионы, а не тысячи. Поэтому подсветка будет либо откусывать участки ярких объектов, занижая подсветку вблизи их краёв, либо наоборот, создавать толстые размытые ореолы вокруг ярких объектов на темном фоне.

MiniLED пытается в контраст. Эти смачные синие ореолы вокруг микроперсиков — артефакт дисплея, на самой картинке их нет. На DirectLED всё было бы ещё суровееНапример, такой дисплей хорошо справится с луной на темном фоне, но вот со звездным небом — кучей маленьких белых точек — у него будут проблемы: вокруг звезд будут ореолы и разводы. Между близко расположенными звездами и вовсе будет не чёрный, а темно серый. Изделие будет отчаянно метаться между недобелым и светящимся чёрным, в итоге, завалит и то, и другое, и до кучи похоронит контраст с цветовым охватом.

DirectLED vs OLED

Чем больше число светодиодов, тем точнее мы локализуем подсветку, тем меньше все эти ореолы, разводы и недосветы, и лучше наш ЖК дисплей. Поэтому MiniLED круче, чем FALD, FALD круче, чем обычный DirectLED, а DirectLED круче чем EdgeLED. Но проблемы всё равно не уйдут, пока светодиодов меньше, чем пикселей. А если будет столько же, сколько пикселей — то зачем нам вообще ЖК слой, у нас тут уже светодиодный телевизор.

Локальное затемнение бывает у всех подсветок, кроме ртутных — эти слишком древние.

Хотя, имхо, было бы забавно поставить в жидкокристаллический 8K дисплей вместо подсветки цветную плазменную панель FullHD. Жидкокристаллический плазменный телевизор (не путать с PALC — там подсветка не плазменная). Спектр, цвета, контраст, яркость — всё это должно получиться идеальным. А если ещё сделать два слоя ЖК кристаллов, а цвета получать квантовыми точками...

На EdgeLED локальное затемнение ставят, но от там от него толку маловато. А вот подсветки DirectLED и MiniLED — самое то. Благодаря этой функции, они могут держать уровень чёрного на уровне OLED, обгоняя, при этом, его по яркости. Мухлёж выдают только противные ореолы, засветки, и провал контраста в местах соседства ярких и тёмных областей, особенно, если они маленькие и их много. Но, справедливости ради, все эти ореолы и провалы подсветки заметны не так сильно.

В случае локального затемнения в SLED технологии, то здесь цветные светодиоды дополнительно помогают картинке окрашиваться нужным образом, а не просто меняют яркость. Дальше цвет проходит через жидкие кристаллы и докрашивается дополнительно светофильтрами. Теоретически, у такой подсветки тоже проблемы с ореолами, причём, эти ореолы цветные, а у двух соседних областей с яркими, но разными цветами, на месте резкого перехода с цветами происходит цирк. Однако, в большинстве случаев, это малозаметно — разрешение глаза по цвету ниже, чем по яркости.

Здесь можно отследить забавную закономерность: по мере приближения качества картинки жидкокристаллического дисплея к светодиодному, количество светодиодов в подсветке ЖК экрана возрастает настолько, что эта подсветка сама постепенно превращается в светодиодный дисплей.

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы используются как электронная версия жалюзи, чтобы заслонять или не заслонять свет в определённых пикселях, как-бы меняя прозрачность. Это жидкость, состоящая из очень вытянутых молекул, с одной стороны, воздействующих на свет, с другой — поддающихся управлению с помощью электрического поля.

ЖК используют не только в дисплеях — из них, например, делают детекторы химических соединений, измерители давления и датчики ультразвука. Оболочки живых клеток — это тоже лиотропные жидкие кристаллы.Кстати, аббревиатура LCD (Liquid Crystal Display) как раз означает «жидкокристаллический дисплей». На деле эту аббревиатуру вешают только на старые-старые, первые, самые примитивные толстые ЖК телевизоры с подсветкой на ртутных лампах. Для более новых ЖК телевизоров используют другие аббревиатуры: IPS, DirectLED, QLED, QNED, NeoQLED, SLED, LED, MiniLED — это жидкокристаллические дисплеи, т.е. LCD.

Сами по себе жидкие кристаллы прозрачность менять не умеют, вместо этого они умеют поворачивать поляризацию света. В комбинации с поляризационными фильтрами это свойство можно использовать для регулировки прозрачности.

Что такое поляризация понятным языком и понятными картинками

Поляризация — это одно из свойств света. Люди поляризацию не различают, потому что у нас нет нужных органов чувств. По этой причине феномен поляризации не является интуитивно понятным, и чтобы его объяснить, нужно много букв.

Свет — это электромагнитные волны. Любые электромагнитные волны состоят из электрического и магнитного полей, которые колеблются с какой-то частотой, и при этом распространяются со скоростью света. В случае с видимым светом, эти колебания происходят сотни триллионов раз в секунду.

Поля колеблются не «сильнее-слабее», а «выше-ниже», «левее-правее», то есть они ориентированы в пространстве. Направление колебаний электрического поля всегда перпендикулярно направлению колебаний магнитного поля. Оба направления колебаний одновременно перпендикулярны направлению их распространения. В общем, все три направления перпендикулярны.

Отсюда растут ноги таких картинок в учебнике физики.

Электромагнитное поле, тем более волны электромагнитного поля — довольно сложный объёмный объект. Представьте себе, что из каждой точки некоторого объёмного трёхмерного пространства торчит сразу два вектора-стрелочки, при этом стрелочки не замерли, а шевелятся: колеблются волнами по определённым законам, как волна из болельщиков на стадионе. Если теперь взять какую-нибудь прямую, параллельную направлению распространения электромагнитных волн в этом объёмном пространстве, и скрыть все векторы-стрелочки, кроме тех, начальная точка которых лежит на этой прямой, то получится картинка выше. Но это не важно.

Важно другое: направление колебания поля — это и есть поляризация. Именно направление колебания, а не направление распространения. Например, поляризация может быть горизонтальной, или вертикальной. Или диагональной. Или под углом 29,91905°. Любой. Поляризация относительна и зависит от того, под каким углом смотришь — повернёшь голову на бок, и поляризация уже другая. Может даже существовать вариант, когда направление поляризации постоянно меняется вместе с колебаниями электромагнитного поля — тогда получается закрученная электромагнитная волна.

Светящийся объект обычно состоит из очень большого количества источников электромагнитных волн (говоря упрощённо, каждая молекула выступает «антенной» — самостоятельным источником волн видимого спектра). При этом, направления колебания поля — поляризация — у каждого источника-молекулы случайные. Поэтому суммарно светящийся объект излучает электромагнитные волны сразу под всеми возможными углами поляризации.

Из всех имеющихся колебаний мы можем отсечь только те, которые происходят в определённом направлении. Для этого существуют поляризационные фильтры.

Например, можно оставить только горизонтальную поляризацию, или вертикальную.

Разумеется, возможны и промежуточные углы. В любом случае, поляризационный фильтр отсеет только волны, которые колеблются в определённом направлении. Остальные он не удалит полностью, вместо этого он будет их подавлять, и чем больше направление колебаний волны отклонено от направления поляризации в фильтре, тем сильнее он их подавит. В пределе подавление света будет максимальным, если волна колеблется перпендикулярно направлению поляризации фильтра.

Свет, отражённый от воды, поляризован — его легко убрать поляризационным фильтром

Поляризационные фильтры активно используют на объективах фотоаппаратов. Свет, отражающийся от неметаллических поверхностей, поляризуется. При этом свет, падающий по касательной к поверхности, поляризуется сильнее, чем тот, который падает прямо. Этот эффект используется для удалений всяких бликов, туманов, дымок с отражениями на воде. В век вычислительной фотографии большую часть задач хорошо делают алгоритмы, но некоторые вещи оптика всё ещё делает лучше.

Жидкие кристаллы не умеют менять прозрачность, вместо этого они поворачивают поляризацию света, проходящего через них. Или не поворачивают. Если поместить жидкие кристаллы в электрическое поле — то есть, подать напряжение — то так можно управлять, насколько именно они повернут или не повернут поляризацию.

Из двух поляризационных фильтров и жидких кристаллов между ними мы можем создать бутерброд с изменяемой прозрачностью — те самые электронные жалюзи: 1.Берём свет. 2.Горизонтальным поляризатором оставляем только горизонтальные волны. 3.ЖК поворачиваем или не поворачиваем поляризацию вертикально. 4.Вертикальным поляризатором удаляем всё, что не было повёрнуто вертикально.

После горизонтального фильтра остаются горизонтальные волны — они не пробьются через стоящий дальше вертикальный фильтр. Но если в промежутке между горизонтальным и вертикальным фильтрами мы повернём волны с помощью жидких кристаллов — тогда они смогут пройти через второй фильтр.

Гипотетически жидкие кристаллы можно заменить поляризационным фильтром с двигателем, который бы его поворачивал, но на сегодняшний день это слишком сложно, дорого, ненадёжно и неэффективно, даже если использовать MEMC.

Жидкие кристаллы инертны, и поворачиваются не мгновенно, поэтому у жидкокристаллических дисплеев есть проблема со шлейфами от быстро движущихся обьектов.

Время полного переключения кристалла между двумя крайними состояниями называется временем отклика. Раньше оно измерялось десятками миллисекунд, сейчас некоторые дисплеи вплотную подобрались к показателю в 1 мс.

Теперь разберём виды жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы TN TN (англ. «Twisted Nematic», рус. «скрученные нитевидные») — жидкие кристаллы времён раннего палеолита. Работает это дело так: в расслабленном состоянии TN-кристаллы представляют собой что-то вроде спиралек, разворачивающих поляризацию света на 90°. При подаче напряжения спиральки распрямляются, и перестают разворачивать поляризацию — свет начинает блокироваться вторым поляризационным фильтром.

В настоящее время единственный плюс TN — скорость. Бешеные геймерские мониторы с разверткой 500 Гц сделаны как раз из таких кристаллов, просто потому, что другие так быстро переключаться не умеют. С остальными характеристиками всё плохо — контрастность ужасная, углы обзора ужасные, точность ужасная, яркость ужасная. Распрямление скрученных кристаллов тяжело контролировать точно, поэтому матрицы TN, зачастую, имеют 6-битный цвет, а 8 бит достигается путём той самой ШИМ — кристалл «дрожит» между двумя положениями, и достигается промежуточная яркость.

Когда говорят «TFT дисплей», зачастую, подразумевают именно TN-кристаллы. Напомню: TFT — это не тип дисплея, и не вид ЖК, а способ управления пикселями, он есть в любых дисплеях, даже в светодиодных.

Чтобы хоть как-то улучшить углы обзора TN, на них стали наносить специальную плёнку. Её так и называют — film. Поэтому существуют TN+Film — это TN с улучшенными углами обзора. Кроме того, при увеличении разрешения углы обзора TN матриц улучшаются, поэтому в современных дисплеях дела с углами обзора обстоят не так плохо, как раньше.

Жидкие кристаллы IPS и PLS

IPS (англ. «In-Plane Switching», рус. «переключающиеся в плоскости»). Кристаллы не скручиваются, а просто поворачиваются в плоскости экрана. Их положение можно очень точно регулировать, поэтому экраны с IPS-кристаллами имеют очень хорошие, точные и сочные цвета с 8-ми или даже 10-битной градацией.

К недостаткам можно отнести медлительность и проблемы с чёрным цветом. Первые матрицы имели время отклика порядка 50 мс. Сейчас самые быстрые умеют переключаться за 5 мс — по современным меркам это не предел мечтаний, но неплохо. IPS в закрытом положении плохо блокирует свет, поэтому такие дисплеи вместо чёрного показывают серо-сине-фиолетовое марево. IPS дисплей может выручить подсветка с локальным затемнением, выключающая свет в областях, где он не нужен — тогда проблемы чёрного остаются только в виде ореолов вокруг ярких объектов.

Samsung выпускает свою, немного улучшенную версию IPS, и называет её PLS — расстояние между субпикселями чуть меньше, сами они чуть больше, поэтому такой дисплей чуть ярче, чем IPS, и плотность пикселей у него может быть выше.

LG тоже имеет свой вариант IPS — называется он Nano IPS. Технология предполагает нанесение дополнительного слоя особого люминофора (частицы фосфоресцирующего K₂SiF₆ + немного марганца Mn₄) на заднюю подсветку для расширения цветовой гаммы и цветового охвата. Это вещество немного сдвигает спектр в правильную сторону, благодаря чему цвета и улучшаются (легче «пролезают» через светофильтры). Отмечу, что Nano IPS подразумевает нанесение этих частиц именно на подсветку, а сам слой жидких кристаллов IPS вполне себе обычный.

Жидкие кристаллы PVA, MVA, *VA VA (англ. «Vertical Alignment», рус. «вертикально ориентированные»). Эти кристаллы тоже поворачиваются, только не в плоскости экрана, а перпендикулярно ему. Изначально кристаллы находятся в плоскости экрана вертикально. При подаче напряжения они поворачиваются перпендикулярно экрану, то есть как-бы смотрят торцом на наблюдателя.

Этакий компромисс между IPS и TN. VA-матриц много, они называются MVA, PVA и т.п., поэтому, чтобы обобщить, их часто называют *VA, или просто — VA.

Долгое время VA означало, что у экрана средняя (хуже, чем у TN, но лучше IPS) скорость, средний уровень цветопередачи, отличный уровень чёрного и отличный контраст. Углы обзора был лучше, чем у TN, но хуже, чем у IPS. Экраны *VA любили использовать для САПР и работы с текстом. Потом VA развилась, победили проблему углов обзора, научились добиваться высокой точности цветопередачи — у субпикселей появились субсубпиксели, выключая и включая их можно достичь большего числа промежуточных состояний — а это повышает точность цвета. Сейчас это одни из самых распространённых типов матриц и в мониторах и телевизорах.

Как покрасить свет?

ЖК у нас или светодиодный телевизор — свет получен и дозирован. Теперь надо его покрасить. Как?

Красящие светофильтры

Элементарно — это цветные стёкла. Если стараться не погружаться в толщу физики, смысл такой: белая подсветка — это смесь всех возможных цветов. Светофильтр может пропустить какой-то один цвет из этого света, а все остальные нет. При этом, всё, что не пропущено, не исчезает, а трансформируется в тепло. Закон сохранения энергии никто не отменял.

У светофильтров может быть не только разный цвет, но и разная плотность

Например, если мы светим белым светом сквозь красное стекло, то из белого цвета стекло пропустит красный, а зелёный и синий цвет превратит в тепло.

В результате получаем два недостатка: плохая энергоэффективность и низкая яркость — мы тут большую часть света просто гасим.

Если мы хотим сделать цвета точнее и насыщеннее, нам нужно сильнее фильтровать свет — для этого фильтр должен быть плотнее. Так мы сильнее погасим ненужные нам цвета, и оставим только то, что нужно. Но это влечёт за собой большую потерю яркости. Если хотим сделать такой дисплей ярче, мы должны светить белым светом ярче, чтобы после светофильтра больше оставалось. От этого больше кушаем энергии, светофильтр больше греется и греет остальные куски дисплея и т.п. Либо энергоэффективность и яркость, либо неплохие цвета.

Древнющее, дешёвое, прожорливое, очевидное и сердитое решение. Встречается как в ЖК, так и в светодиодных телевизорах.

Красящие квантовые точки

Свет — это электромагнитные волны.

Оранжевый свет имеет частоту около 480 000 ГГцКвантовые точки — это особое вещество, каждая частица которого работает как антенна для электромагнитных волн.

Частица-точка устроена так, что может поймать волны с одной частотой, преобразовать их в волны с другой частотой, и излучить обратно. В зависимости от размера частицы, она будет излучать ту или иную частоту.

И происходит это всё в видимом спектре — то есть с теми электромагнитными волнами, которые наши органы чувств умеют ловить, а наш мозг интерпретирует сигналы от этих органов чувств как цвет.

На этих наномасштабах уже сильно заметно, что электромагнитная энергия не непрерывна — она квантуется на фотоны. Поймал один фотон с частотой побольше — излучил два с частотой поменьше, ну и всё в таком духе. Из-за существенного влияния квантовых эффектов, эти частицы порошка называются квантовыми точками.

У квантовой точки антенной выступает сам шарик, торчащие палочки-молекулы нужны, чтобы это дело не распалось

В дисплеях на квантовых точках свет, который пихают в точки, обычно либо синий, либо фиолетовый. Тут важно правило — мы можем только уменьшить частоту, увеличить не получится. Поэтому, мы можем из фиолетового сделать синий, зелёный и красный, из синего — только зелёный и красный. А из зелёного синий уже сделать не получится.

Теоретически, в будущем возможно появление схемы фиолетовые/УФ светодиоды + красные, зелёные и синие квантовые точки, то есть где все три цвета генерируются с помощью квантовых точек. Но такой подход станет оправдан, когда синие квантовые точки смогут вытащить из фиолетового/УФ светодиода лучший по качеству спектра синий цвет, чем способен дать обычный синий светодиод.

В итоге, в отличие от светофильтров, утилизирующих большую часть света в тепло, мы тут всю световую энергию окрашиваем в тот свет, что нам нужно. Мы не греемся, мы энергоэффективны, мы очень яркие. Всё хорошо и замечательно.

Таким образом, в настоящее время квантовые точки — это просто технология окрашивания света, а не тип дисплея.

Теоретически, квантовым точкам можно посылать энергию напрямую электричеством — если в неё передать электрон, она вполне может излучить фотон. Такой дисплей был бы восхитительным — не ЖК, не светодиоды, а новый способ эмиссии света. Но пока так не умеют.

Комбинация светофильтров и квантовых точек

Этот способ получения цвета встречается в некоторых ЖК-телевизорах.

Смысл тут такой: у ЖК телевизора стоит синяя подсветка, на неё сверху ставят слой из смеси квантовых точек — красных, зелёных и синих. Получается белая подсветка, но с очень хорошим спектром, идеально подходящим для фильтрации светофильтрами. То есть квантовые точки тут не в роли красящего слоя, а как дополнительный обвес подсветки, чтобы её свет лучше переваривался светофильтрами.

А дальше всё по накатанной — жидкие кристаллы фильтруют свет, светофильтры красят. Но, поскольку белый свет тут у нас с чётко выверенным спектром, у светофильтров получается делать свою работу гораздо лучше. Такая штука обычно обитает в QLED начального уровня, в QLED посерьёзней светофильтров нет — квантовые точки непосредственно занимаются окрашиванием.А зачем вообще красить?

Светодиоды, вообще-то, могут быть цветными, безо всяких светофильтров и квантовых точек. В OLED дисплеях изначально так и было, но технология не прижилась. На данный момент прерогатива без окрашивания есть только у MicroLED дисплеев. Тут у нас сами микросветодиоды генерируют нужную длину волны, ничего не надо красить, всё хорошо.

Зрение

В плане здоровья телевизор может нагадить следующими способами: 1.Использовать ШИМ для регулировки яркости и просто потому что может — ищите телевизоры без ШИМ 2.Быть настроенными на слишком большую яркость, и, как любой яркий объект, сильно перегружать глаза 3.Иметь большой контраст между яркостью экрана и яркостью окружения. Смотреть экран в абсолютной темноте — не круто 4.Быть слишком близко — глаза устают от постоянного просмотра объектов вблизи 5.Не напоминать о том, что надо моргать 6.Съесть деньги и не оставить их на доктора 7.Иметь плохой спектр

Как от плохого спектра устают глаза

Общий смысл: два разных спектра могут восприниматься нами на уровне нервной системы как один и тот же цвет, но на электрохимическом/физиологическом взаимодействовать с глазом по разному. Организм, руководствуясь сугубо показаниями нервной системы может неадекватно регулировать физиологические процессы глаза, если светить в него нестандартным спектром — отсюда дискомфорт.

Видимый свет — это электромагнитные волны. Амплитуда, частота, фаза и длина волны — вот это всё. Фазу трогать не будем, у нас тут пока не голографические дисплеи. Частота у света очень высокая. Для сравнения, у WiFi частота в районе 5ГГц (не путать с Гц), а у видимого света —380÷780ТГц. В остальном всё так же, как и у других электромагнитных волн.

Теперь важное: в реальности цвета радуги не являются смесью каких-то готовых, как мы привыкли. Не состоят они из трёх каких-то там базовых цветов. Все цвета радуги вполне себе самостоятельные. Каждому цвету соответствует своя длина волны. Жёлтый, фиолетовый, бирюзовый, оранжевый — это не смеси цветов, а самостоятельные цвета со своей длиной волны. Представление о цвете, как о смеси трёх цветов — это именно представление, модель, которую придумали люди, чтобы было проще.

А вот белый свет — коктейль всех возможных длин волн, всех-всех цветов. Не только красного, зелёного и синего, а вообще всей радуги целиком. Смесь эта неравномерная — амплитуда волн одной длины в нем больше, а другой — слабее. У волн каждой частоты своя концентрация, так сказать. Если каждой длине волны померить её амплитуду, то можно нарисовать график — как высока концентрация волн с разными длинами волн в нашем коктейле. Это называется спектром.

Как же мы видим всё это? У нас в «пикселях» глаз не супернаучные измерительные спектрографы, видящие весь спектр, а кое-что попроще. В глазах стоят четыре вида «сенсоров» для четырёх определённых частот электромагнитных волн.

Первый вид — это палочки, наше сознание интерпретирует сигналы от них, как яркость. Три других — колбочки. Наше сознание интерпретирует сигналы с них как цвета: красный, зелёный и синий — именно из-за этого мы воспринимаем цвет как смесь трёх цветов.

Вот только ловят эти сенсоры не строго определённые длины волн, а целые диапазоны, причем каждый сенсор в своем диапазоне по-разному чувствителен к разным длинам волн.

К примеру, зелёный сенсор ловит хорошо 534нм. Но и 500нм он тоже обнаружит, только хуже. Обнаруженная яркость будет меньше. Сенсор яркости (палочка) лучше всего ловит 498нм — это очень близко к зелёному, и поэтому зелёный цвет кажется нам самым ярким.

Как мы видим разные цвета? Например, жёлтый? Жёлтый — это 570 нм. 570 нм почти одинаково поймаются красным и зелёным сенсором — мозг такой: «Хм, зелёный и красный одновременно... так делает жёлтый. Значит, думай, что это жёлтый». Хотя, в реальности, это может быть и не жёлтый, а обманка в виде того самого зелёного и красного, которую излучил дисплей. Да, ваш дисплей (если это не Sharp особой серии) настоящий жёлтый цвет показать не сможет, всё это обман. Некоторые живые существа, кстати, вполне могут это заметить.

Здесь должна быть маленькая формула с интегралом, но, к несчастью для интегралов, они очень пугают большинство людей. Объясню словами.

Сенсор не детектирует какую-то одну длину волны, а суммирует амплитуды (яркость) всех обнаруженных длинн волн. Но не просто суммирует. Перед этим суммированием всего-всего, он домножает яркость каждой длины волны на свою (сенсора) способность видеть эту длину волны, т.е. свою чувствительность к этой длине волны.

Пример с зелёным сенсором. Посветим на него одновременно несколькими длинами волн: 450нм, 500нм, 550нм и 600нм. Каждая волна будет иметь условную яркость в 1 единицу. Посмотрите на график, и увидите, какая у него чувствительность к этим длинам волн. Как он будет действовать? 1.Яркость волны длиной 450нм, равную 1 он умножит на 0,1 2.Яркость волны длиной 500нм, равную 1, он умножит на 0,4 3.Яркость волны длиной 550нм, равную 1, он умножит на 1,2 4.Яркость волны длиной 600нм, равную 1, он умножит на 0,4

А потом всё это сложит. Получится 2,1. И он отправит значение 2,1 в зрительный нерв (на самом деле не сразу, в сетчатке есть своя мини-нервная система, выполняющая предварительную обработку информации, но это не важно).

Пример двух спектров, которые на химическом и физическом уровне абсолютно разные, но для сенсора — то же самое

Теперь убираем все эти четыре длины волны, и, вместо этого, светим одной в 525нм и яркостью 2,1. Сенсор снова сделает это умножение-сложение, и у него снова получится 2,1. То же самое.

Поэтому, с информационной точки зрения, для сенсора два этих воздействия — абсолютно одно и то же. Сенсор выдаёт только интенсивность, просто циферку — и мозг, как-бы, будет видеть одно и то же.

Только вот сенсор живой и электрохимический. Он требует обслуживания, заботы и управления, надо подкачивать разные нужные вещества и калибровать всякие биологические штуки. Кислород с витаминками, и всё такое. Не одно и то же всё время, а по ситуации: от воздействия света разной интенсивности и длины волны в палочках и колбочках возникают разные фотохимические реакции, и баланс веществ в них постоянно меняется. Чтобы грамотно рассчитать калибровку нервных окончаний и дозу веществ и витаминок в нужный момент времени, организм должен понять, какое на этот сенсор идет воздействие со стороны внешней среды, и на основе этого сделать нужные организменные штуки с этим сенсором. Адаптировать его к ситуации. А какое воздействие на глаз может быть со стороны внешней среды? Если не брать во внимание нештатные сценарии (шлицевая отвёртка), то это могут быть только электромагнитные волны разной частоты (длины волны).

Очень условный гипотетический(!) пример с потолка(!): какая-нибудь определённая длина волны, скажем, 459нм (не 458 и не 460, а именно 459), может разрушать молекулы какого-нибудь нужного витамина (или, например, какого-нибудь вещества, отвечающего за усвоение кислорода из капилляров и присоединяющего этот кислород к важному фотоактивному веществу, но для простоты пусть будет витамин). Организм начеку — как только эта длина волны появилась, надо усилить подкачку новых молекул этого витамина, чтобы концентрация не снижалась. Но сенсор даёт очень скудную информацию — лишь одно число, и по нему непонятно, что там происходит. Вдруг там 458нм, или 461нм? Сенсор всё равно выдавал бы одно и то же. А может там вообще только 500 нм? Тогда, если мы ложно испугаемся и ошибочно начнем пихать туда новые дополнительные витаминки, их там будет, наоборот, переизбыток — а это тоже нехорошо.

То есть, на информационном уровне, сенсор детектирует зелёный цвет и всё, а на физиологическом уровне на него разные длины волн в спектре действуют по разному, просто он об этом доложить организму не может.

Как же узнать, что витаминки действительно уничтожаются и их пора подкачивать? Поставить спектрограф? Природа их делать не умеет. Датчик на каждое вещество и каждый чих в каждый сенсор — глаза будут размером с арбузы и очень мясные, придётся уменьшить мозг и качать шею. Но можно сделать проще — ориентироваться на среднюю температуру по больнице. Природа любит так делать.

Для того, чтобы полностью оценить это воздействие, и, в частности, узнать, как сильно светит волна 459 нм, нужно знать весь спектр, а не одну циферку с сенсора. За неимением спектрографа, организм, руководствуясь генетическим опытом, выработанным в ходе эволюции нашего вида, выдумывает наиболее вероятный спектр, который бы воздействовал на сенсор так, чтобы получился как раз тот сигнал-циферка, которая с этого сенсора и поступает в данный момент. То есть он пытается выдумать такой спектр, при котором бы сенсоры выдавали то, что они выдают в данный момент. Поскольку он знает только естественный спектр и его формы, то выдумывает именно естественный спектр. И подстраивает физиологию глаза под этот предполагаемый спектр: калибрует чувствительность всяких клеток, подкачивает/откачивает нужные вещества в разных кусках глаза, регулирует кровообращение в сетчатке — вот это всё. И, поскольку сенсор не один, а четыре, очень грубую картину спектра организм таки восстанавливает.

Естественный для нашего организма спектр — это довольно плавная штука :

Плавный он по простой причине. Что видел глаз всю эволюцию? Листики с травинками, камешки, небо с речками, волосня товарища по пальме, вот это всё. Большое разнообразие химических элементов, одним словом. И почти для каждой длины волны найдется какая-нибудь молекула, хорошо отражающая именно её. И получается, что когда веществ много разных, то отражаются почти все волны, и спектр этих отражённых волн плавный. А что значит «плавный спектр»? График плавный. Например, яркости 480нм много — значит, скорее всего, и 479нм, и 475нм, и 485нм тоже довольно много.

Физиология глаза заточилась под эту вездесущую плавность — потому что это всегда срабатывало. Работает — не трогай. Все, у кого глаз подстраивался неправильно, плохо видели и были заклёваны саблезубыми мамонтами, не дав потомства.

Но потом появились искусственные источники света. Их спектр бывает очень разный. В большинстве случаев, он очень сильно отличается от естественного спектра, под который эволюционно заточена автонастройка наших глаз.

Например, производители отчаянно воюют со светодиодами, которые очень любят длину волны в районе 430нм и шпарят ей, как прожекторы, а в природе такого не бывает, там если 430нм шпарит — то 420нм и 440нм тоже будут шпарить. И вот светодиод, у которого 430нм светит ярко, а в окрестности нет, светит в глаз.

Организм думает, что раз синий датчик выдаёт что-то интенсивное, значит 420нм, и 430нм, и 440нм много, и начинает на физиологическом уровне подстраиваться под этот спектр. Подкачивает не те вещества, не в той концентрации и невпопад, генерирует неверные стимулы всяких нейронов, неправильно калибрует чувствительность. В глазах нарушается баланс нужных веществ и электрохимических регулировок, и глаза начинают вполне справедливо докладывать о сбоях. Эти сбои наше сознание интерпретирует как неестественность картинки и усталость глаз. Словом, не для того у нас эти две штуки в голове выросли.

Неестественный спектр создаёт ощущение неестественности цвета. Сенсоры передают в мозг нужную информацию, на информационном уровне всё нормально — картинка как картинка, но авторегулировка физиологии глаза отрабатывает неадекватно ситуации, потому что неправильно рассчитывает предположение о том спектре, который светит в глаз. Если же спектр естественный — то представление организма о спектре и его реакции адекватны реальному воздействию на сетчатку — и цвета кажутся мягкими. Потому что с физиологией всё хорошо.

Спектр решает, будут цвета ощущаться мягкими и естественными, или нет.

Давайте делать дисплей. Светоизлучающих элементов, способных выдавать любую видимую длину волны, пока не сделали. А жаль. Поэтому делаем просто — под каждый сенсор в нашем глазу свой элемент на дисплее. Красному — 700нм, зелёному — 550нм, синему — 450нм. Будем этими элементами дисплея стимулировать сенсоры глаз так же, как это делают цвета, и обманем глаз, чтобы он думал, что видит цвет.

В длинах волн и частотах видимого спектра стоит коварный капкан для мозга. Случайно (или нет?) вышло, что наши единицы измерения - терагерцы и нанометры - устроены так, что именно в видимом спектре значения двух обратных величин - частоты и длины волны - находятся в одном диапазоне и измеряются от 300 до 700 единиц. Длины волн видимого спектра - 380÷780нм, а частоты - 380÷790ТГц. Например, у оранжевого частота 500ТГц, а у бирюзового - длина волны 500нм. Частота и длина волны - это, как-бы, взаимно обратные величины, и вот такой вот нюанс с почти одинаковыми цифрами может сильно путать мозг

Резюмируем. У нас в дисплее три источника света: красный, зелёный и синий. Когда они будут светить одновременно — мы будем стимулировать сразу три сенсора в глазу — и будет белый. Вот только этот белый — какой у него будет спектр? Если этот спектр будет неестественным, то от такого дисплея устанут глаза. А если наоборот, спектр получится более естественным — картинка будет выглядеть мягкой и глаза не будут уставать. И так не только с белым, а вообще со всеми цветами. В этом вся соль. К слову, в ныне вымерших плазменных телевизорах, особенно последних моделей, дела со спектром обстояли очень и очень хорошо. Поэтому у многих из них картинка выглядит, местами естественнее, чем на OLED, если не брать в расчёт моральное устаревание и связанные с этим аспекты.

Свет от Солнца до Земли летит миллионы лет

А как же отражённый свет? Да никак. Фотоны не бывают «отражённые» и «прямые». Если хочется, можно даже сказать, что все фотоны вокруг нас — отраженные. Даже с Солнца.

Почему же на лампочку и солнце смотреть больно, а на объекты, освещенные ими нет? Ну ясно-понятно, это же прямой свет, а не отражённый. Нет. Не по этому.

Яркость.

Когда солнце или лампочка проецируется на сетчатку глаза, то на сравнительно маленькой площади сетчатки появляется слишком много яркого света. Источник света же точечный. Вот он в виде этой точки и проецируется. Если натянуть на лампочку большой трёхметровый светорассеиватель, то на него вполне комфортно будет смотреть. И наоборот, если осветить комнату мощным военным прожектором и посмотреть на мебель в этом «безвредном» отражённом свете, то это может оказаться последним, что вы увидите. Потому что смысл в яркости, а не в том, откуда свет. Точнее, концентрации яркости на условном кусочке сетчатки глаза. Лазеров это тоже касается — сами по себе, они не вредные. Просто у лазеров спектр очень-очень далёк от естественного, и лазером гораздо легче получить концентрированную яркость на маленьком участке сетчатки. Лазер мы встречаем в жизни чаще, чем сверхмощные военные прожекторы (по крайней мере, пока что), поэтому проблема попадания лазера в глаз встречается чаще. Сенсоры сетчатки могут перегрузиться и сгореть, поэтому сигнализируют об этом, если успеют. Вот поэтому нам неприятно смотреть те штуки, которые перегружают их.

Давайте посмотрим на фотоны поближе и изучим их повадки. Не будем заострять внимание на том, что мир для них двумерный, времени не существует, и они вообще не «летят» — лучше обратим внимание на то, как они отражаются.

Когда свет летит через плазму или газ — фотоны не летят через него. Вместо этого, атомы газа постоянно поглощают и переизлучают фотоны заново. Как по цепочке. Долетают не «те самые» фотоны, а «новые» (физики, держитесь). На постоянное поглощение-переизлучение уходит время, именно поэтому свет в веществе замедляется. Точно также, когда фотоны «отражаются от поверхности» — на самом деле они поглощаются, и переизлучаются новые. Большая часть фотонов, прилетающих с Солнца на Землю, рождаются у него в сердце, и миллионы лет скитаются в толще его плазмы, переизлучаясь-отражаясь огромное число раз, прежде, чем вырваться на волю и долететь до нас за те самые 8 минут.

А почему же книжку легче читать, чем дисплей? Да потому, что отражение есть переизлучение, а переизлучение немного меняет спектр. Одни частоты отражаются лучше, другие хуже. И это, как правило, постепенно приближает спектр к естественному. Причём, если после изменения спектра соотношение между сигналами красной, зелёной и синей колбочки не поменяется - то визуально цвет остаётся таким же. Однако, спектр света, отражённого от книжки может стать спокойнее и ближе к естественному.

Причина приятности E-Ink состоит в естественном спектре и правильной яркости

Книжка состоит из целлюлозы — того вещества, которое окружало нас миллионы лет эволюции, и под наблюдение которого эволюционно заточились сенсоры в наших глазах. Нашим глазам приятнее воспринимать те волны, которые целлюлоза отражает лучше, и менее приятно воспринимать те волны, которые целлюлоза отражает хуже. Поэтому для глаз эта спектральная книжковость естественна и приятна. Большинство объектов вокруг нас тоже чуть-чуть выправляет спектр ближе к естественному. В том числе и полимеры, в том числе краска и пластик - часть волн гасят, часть высокочастотных волн размазывают, если имеет место люминесценция.

Поэтому те самые e-ink дисплеи, которые не светятся вообще, а работают в отраженном свете, выглядят так естественно. Существуют даже e-ink мониторы с диагональю 25’’ для ПК. Если у самосветящегося дисплея спектр излучения и яркость близки к естественным, то он тоже выглядит естественно.

Просто среди светящихся дисплеев мало тех, где производитель заморочился над спектром.

На всякий случай, повторюсь: вышеизложенное является лишь моими домыслами, на текущий момент я не располагаю возможностями подтвердить или опровергнуть это. Я лишь посчитал, что было бы полезно поделиться ими с сообществом и предложить к обсуждению и буду благодарен всем, кто смог бы дополнить, уточнить, подтвердить или опровергнуть эти идеи по существу — я думаю, что будет очень полезно собрать побольше информации о данном вопросе.

Как не утонуть в терминах

Никак :) В современных телевизорах применяется много разных технологий, большая часть которых имеет какое-то название. Часто телевизоры так и называют по одной из технологий, из которых они сделаны.

Например, если в телевизоре подсветка DirectLED, жидкие кристаллы IPS и раскраска на квантовых точках, то его могут назвать LED-телевизором, DirectLED-телевизором, ЖК-телевизором, IPS-телевизором, телевизором на квантовых точках или вообще 4K-телевизором (если у него разрешение 4К, разумеется). То же самое с мониторами. К примеру, IGZO — это не тип монитора, а просто продвинутый вариант технологии управления пикселями. Сам экран там может быть какой угодно — светодиодный или ЖК, какой там сорт жидких кристаллов, какая подсветка — абсолютно непонятно. Чаще всего, название ЖК телевизоров формируется из типа его подсветки, букву Q припаивают, если есть квантовые точки, а тип ЖК-кристаллов там вообще никого не волнует.

В названии также может участвовать разрешение телевизора: FullHD-телевизор, 4К-телевизор, 8К-телевизор и т. д. Скрываться за этим может что угодно, т. к. сегодня разрешение телевизора никак не связано с технологией построения изображения. Раньше некоторая связь была — например, плазменные 4К-телевизоры не могут быть меньше 100 дюймов, просто потому что там пиксели не могут быть меньше определённого размера. В современных же телевизорах подобных ограничений нет.

Технологии жидкокристаллических ТВ ·Управление

oTFT a-Si Самый простой тип транзисторов

oTFT IGZO Выше яркость, лучше цвета

oTFT LTPS Сам дисплей тоньше и экономичнее

oTFT LTPO Комбинация LTPS и IGZO

oPCB Суровая печатная плата из текстолита. В основном обитает в видеостенах ·Подсветка

oCCFL aka ртутная/люминесцентная/флюоресцентная лампа

Неплохой спектр, но плохие контраст, равномерность и чёрный цвет

oEdgeLED

Неплохой контраст, плохие равномерность и чёрный цвет

oDirectLED

Хороший контраст, в сочетании с LD — хорошие равномерность и чёрный, но ореолы вокруг ярких объектов на тёмном фоне.

oFALD

Контраст, равномерность и чёрный лучше, чем DirectLED. В сочетании с LD ореолы меньше, чем на DirectLED

oMiniLED

Контраст, равномерность и чёрный лучше, чем FALD. В сочетании с LD ореолы меньше, чем на FALD

oRGB-LED

Контраст, равномерность и чёрный лучше, чем DirectLED. Цветопередача лучше, чем у обычных дисплеев, но хуже, чем у дисплеев с квантовыми точками. Ореолы цветные, цвета могут искажаться в области резкого перехода.

oGB-LED

Контраст, равномерность и чёрный лучше, чем DirectLED. Цветопередача лучше, чем у обычных дисплеев, но хуже, чем у дисплеев с квантовыми точками. Ореолы цветные, цвета могут искажаться в области резкого перехода. В телевизорах пока не замечена.

oФункция подсветки LocalDimming

Специальная функция, заключающаяся в раздельном управлении светодиодами подсветки для затемнения определённых зон. Очень сильно улучшает качество изображения на ЖК за счёт чёрного цвета, и, как следствие, контраста. Необязательная. Часто можно встретить, например, ТВ с DirectLED, но без LocalDimming.

oПодсветка на основе квантовых точек

Технически так может быть реализована любая из вышеперечисленных подсветок, с или без функции LD. Суть в том, что сама подсветка имеет синий цвет, но сверху на неё ставят специальный слой — смесь из трёх типов квантовых точек (красных, зелёных и синих). Получается белая подсветка, но с чрезвычайно чистым спектром, который отлично фильтруется светофильтрами. Это лучше просто белой подсветки со светофильтрами, но хуже, чем вариант с полноценными отдельными квантовыми точками в каждом субпикселе. Дешёвые QLED телевизоры — это оно.

·Жидкие кристаллы

oTN (+ film)

Быстро работают, но имеют плохие угол обзора, контрастность, точность, яркость и уровень чёрного

oIPS, PLS

Отличные точные цвета и угол обзора, хорошая контрастность и яркость, плохой уровень чёрного, медленное переключение

oMVA, PVA, *VA

Отличные контрастность, яркость и уровень чёрного, хорошие цвета, угол обзора, скорость переключения ·Окрашивание

oСветофильтры

Дешёвое, простое и отработанное решение. Nuff said.

oКвантовые точки

Качественные точные цвета, высокая энергоэффективность. Умеют раскрашивать только синий, поэтому подсветка изначально должна быть синей

Технологии светодиодных ТВ ·Управление

oTFT a-Si

Самый простой тип транзисторов

oTFT IGZO

Выше яркость, лучше цвета

oTFT LTPS

Сам дисплей тоньше и экономичнее

oTFT LTPO

Комбинация LTPS и IGZO

oPCB

Суровая печатная плата из текстолита. В основном обитает в видеостенах ·Тип светодиодов

oЦветные OLED

Отличные цвета, высокая энергоэффективность, уровень чёрного и контраст - абсолютные. Сложные в производстве, со временем цвета искажаются из-за неравномерного износа. Медленно выгорают.

oБелые OLED

Хорошие цвета, уровень чёрного и контраст - абсолютные. Относительно просты в производстве, но имеют проблемы с теплом, энергоэффективностью и максимальной яркостью. Выгорают медленнее, чем цветные OLED за счёт белого субпикселя.

oСиние OLED

Отличные цвета, уровень чёрного и контраст - абсолютные. Пиковая яркость больше, чем у белых OLED. Относительно просты в производстве, но требуют квантовых точек для получения цвета. Выгорают медленнее, чем белые OLED, потому что меньше греются.

oЦветные MicroLED

Отличные цвета, уровень чёрного, контраст, энергоэффективность, яркость, долговечность. Чрезвычайно сложны в производстве.

oСиние MicroLED

Отличные цвета, уровень чёрного, контраст, энергоэффективность, яркость, долговечность. Проще в производстве, чем цветные MicroLED. К недостаткам можно отнести то, что их пока нет ;) ·Окраска

oСветофильтры

Дешёвое, простое и отработанное решение. Nuff said.

oКвантовые точки

Качественные точные цвета, высокая энергоэффективность. Умеют раскрашивать только синий, поэтому светодиоды изначально должны быть синими

oБез окрашивания (светодиоды сразу цветные)

Самый лучший вариант с точки зрения здравого смысла, энергоэффективности, цвета и других характеристик, но самый трудный в производстве. Разместить на матрице несколько миллионов цветных лампочек, управляющих транзисторов и проводков — уже весёлая задача, а если лампочки разные — всё становится совсем сурово.

Такой подход обычно маячит на заре какой-нибудь технологии, а дальше всё скатывается к одинаковым субпикселям и раскраской их света дополнительным слоем

Все технологии экранов по-разному комбинируют и получают разные типы телевизоров. У некоторых комбинаций технологий есть имена собственные.

Некоторые названия жидкокристаллических телевизоров: Светодиодные телевизоры:

Плазменная панель

Газоразрядный экран (также широко применяется калька с английского «плазменная панель») — устройство отображения информации, монитор или телевизор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе, иначе говоря — в плазме.

История

Оранжевая монохромная индикаторная панель Digivue в PLATO V, 1981Плазменная панель была разработана в Университете Иллинойса в процессе создания системы электронного обучения США (PLATO) доктором Дональдом Битцером (Donald Bitzer), Джином Слоттоу (H. Gene Slottow) и Робертом Уиллсоном (Robert Willson). Патент на изобретение они получили в 1964 году. Первый плоский дисплей состоял из одного пикселя.

В 1971 году компания «Owens-Illinois» приобрела лицензию на производство дисплеев Digivue. В 1983 году Университет Иллинойса продал лицензию на производство плазменных панелей компании IBM.

Первый в мире 21-дюймовый (53 см) полноцветный дисплей представила в 1992 году компания Fujitsu. В 1999 году Matsushita (Panasonic) создала перспективный 60-дюймовый прототип.

Начиная с 2010 года производство плазменных телевизоров сокращалось из-за невозможности конкурировать с более дешевыми ЖК-телевизорами и в 2014 году практически прекратилось.

Конструкция

Устройство плазменной панели

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключённых между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне.

Особенности конструкции: ·субпиксель плазменной панели обладает следующими размерами: 200 x 200 x 100 мкм; ·передний электрод изготовляется из оксида индия и олова, поскольку он проводит ток и максимально прозрачен. ·при протекании больших токов по довольно большому плазменному экрану из-за сопротивления проводников возникает существенное падение напряжения, приводящее к искажениям сигнала, в связи с чем добавляют промежуточные проводники из хрома, несмотря на его непрозрачность; ·для создания плазмы ячейки обычно заполняются газами — неоном или ксеноном (реже используется гелий и/или аргон, или, чаще, их смеси) с добавлением ртути.

Химический состав люминофора: ·Зелёный: Zn₂SiO₄:Mn²⁺ / BaAl₁₂O₁₉:Mn²⁺;+ / YBO₃:Tb / (Y, Gd) BO₃:Eu ·Красный: Y₂O₃:Eu³⁺ / Y₀,₆₅Gd₀,₃₅BO₃:Eu³⁺ ·Синий: BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺

Существующая проблема в адресации миллионов пикселей решается расположением пары передних дорожек в виде строк (шины сканирования и подсветки), а каждой задней дорожки — в виде столбцов (шина адресации). Внутренняя электроника плазменных экранов автоматически выбирает нужные пиксели. Эта операция проходит быстрее, чем сканирование лучом на ЭЛТ-мониторах. В последних моделях PDP обновление экрана происходит на частотах 400—600Гц, что позволяет человеческому глазу не замечать мерцания экрана.

Принцип действия

Работа плазменной панели состоит из трёх этапов: 1.инициализация, в ходе которой происходит упорядочение положения зарядов среды и её подготовка к следующему этапу (адресации). При этом на электроде адресации напряжение отсутствует, а на электрод сканирования относительно электрода подсветки подаётся импульс инициализации, имеющий ступенчатый вид. На первой ступени этого импульса происходит упорядочение расположения ионной газовой среды, на второй ступени — разряд в газе, а на третьей — завершение упорядочения. 2.адресация, в ходе которой происходит подготовка пикселя к подсвечиванию. На шину адресации подаётся положительный импульс (+75В), а на шину сканирования - отрицательный (-75В). На шине подсветки напряжение устанавливается равным +150В. 3.подсветка, в ходе которой на шину сканирования подаётся положительный, а на шину подсветки — отрицательный импульс, равный 190В. Сумма потенциалов ионов на каждой шине и дополнительных импульсов приводит к превышению порогового потенциала и разряду в газовой среде. После разряда происходит повторное распределение ионов у шин сканирования и подсветки. Смена полярности импульсов приводит к повторному разряду в плазме. Таким образом, сменой полярности импульсов обеспечивается многократный разряд ячейки.

Один цикл «инициализация — адресация — подсветка» образует формирование одного подполя изображения. Складывая несколько подполей, можно обеспечивать изображение заданной яркости и контраста. В стандартном исполнении каждый кадр плазменной панели формируется сложением восьми подполей.

Таким образом, при подведении к электродам высокочастотного напряжения происходит ионизация газа или образование плазмы. В плазме происходит ёмкостной высокочастотный разряд, что приводит к ультрафиолетовому излучению, которое вызывает свечение люминофора: красное, зелёное или синее. Это свечение, проходя через переднюю стеклянную пластину, попадает в глаз зрителя.

Более подробно про устройство плазменных телевизоров

Плазма: технические аспекты

Даже самая современная технология когда нибудь должна уйти с рынка. Появляются все новые и новые решения, одно лучше другого. Сначала были кинескопные телевизоры, теперь их теснят плазменные панели. В последние 75 практически ничего не менялось - подавляющее большинство телевизоров выпускалось на базе одной технологии - т. н. электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В таком телевизоре `электронная пушка` испускает поток отрицательно заряженных частиц (электронов), проходящий через внутреннее пространство стеклянной трубки, т. е. кинескопа. Электроны `возбуждают` атомы фосфорного покрытия на широком конце трубки (экране), это заставляет фосфор светиться. Изображение формируется путем последовательного возбуждения различных участков фосфорного покрытия разных цветов, с различной интенсивностью.

Используя ЭЛТ, можно создавать четкие изображения с насыщенным цветом, однако имеется серьезный недостаток - кинескоп выходит слишком громоздким. Для того, чтобы увеличить ширину экрана в ЭЛТ-телевизоре, необходимо увеличить и длину трубки. В результате любой ЭЛТ-телевизор с большим экраном должен весить добрые несколько центнеров. Сравнительно недавно, в 90-е гг прошлого века на экранов магазинов появилась альтернативная технология - плоскопанельный плазменный дисплей. Такие телевизоры имеют широкие экраны, больше самых больших ЭЛТ, при этом они всего около 15 см. в толщину.

`Бортовой компьютер` плазменной панели последовательно зажигает тысячи и тысячи крошечных точек-пикселей. В большинстве систем покрытие пикселей использует три цвета - красный, зеленый и синий. Комбинируя эти цвета телевизор может создавать весь цветовой спектр. Таким образом, каждый пиксель создан из трех ячеек, представляющих собой крошечные флуоресцентные лампы. Как и в ЭЛТ-телевизоре, для создания всего многообразия оттенков цветов меняется интенсивность свечения ячеек. Основа каждой плазменной панели - это собственно плазма, т. е. газ, состоящий из ионов (электрически заряженных атомов) и электронов (отрицательно заряженных частиц). В нормальных условиях газ состоит из электрически нейтральных, т. е. не имеющих заряда частиц. Отдельные атомы газа содержат равное число протонов (частиц с положительным зарядом в ядре атома) и электронов. Электроны `компенсируют` протоны, таким образом, что общий заряд атома равен нулю. Если ввести в газ большое число свободных электронов, пропустив через него электрический ток, ситуация меняется радикально. Свободные электроны сталкиваются с атомами, `выбивая` все новые и новые электроны. Без электрона меняется баланс, атом приобретает положительный заряд и превращается в ион. Когда электрический ток проходит через образовавшуюся плазму, отрицательно и положительно заряженные частицы стремятся друг к другу.

Принцип работы плазмы

Среди всего этого хаоса частицы постоянно сталкиваются. Столкновения `возбуждают` атомы газа в плазме, заставляя из высвобождать энергию в виде фотонов. В плазменных панелях используются в основном инертные газы - неон и ксенон. В состоянии `возбуждения` они испускают свет в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом для человеческого глаза. Тем не менее, ультрафиолет можно использовать и для высвобождения фотонов видимого спектра.

Внутри дисплея

В плазменном телевизоре `пузырьки` газов неона и ксенона размещены в сотни и сотни тысяч маленьких ячеек, сжатых между двумя стеклянными панелями. Между панелями по обеим сторонам ячеек расположены также длинные электроды. `Адресные` электроды находятся за ячейками, вдоль задней стеклянной панели. Прозрачные электроды покрыты диэлектриком и защитной пленкой оксида магния (MgO). Они располагаются над ячейками, вдоль передней стеклянной панели. Обе `сетки` электродов перекрывают весь дисплей. Электроды дисплея выстроены в горизонтальные ряды вдоль экрана, а адресные электроды расположены вертикальными колонками. Как видно на рисунке ниже, вертикальные и горизонтальные электроды формируют базовую сетку.

Структура панели

Для того, чтобы ионизировать газ в отдельной ячейке, компьютер плазменного дисплея заряжает те электроды, которые на ней пересекаются. Он делает это тысячи раз за малую долю секунды, заряжая каждую ячейку дисплея по очереди. Когда пересекающиеся электроды заряжены, через ячейку проходит электрический разряд. Поток заряженных частиц заставляет атомы газа высвобождать фотоны света в ультрафиолетовом диапазоне. Фотоны взаимодействуют с фосфорным покрытием внутренней стенки ячейки. Как известно, фосфор - материал, под действием света сам испускающий свет. Когда фотон света взаимодействует с атомом фосфора в ячейке, один из электронов атома переходит на более высокий энергетический уровень. После чего электрон смещается назад, при этом высвобождается фотон видимого света.

Дисплей

Пиксели в плазменной панели состоят из трех ячеек-субпикселей, каждая из которых имеет свое покрытие - из красного, зеленого или синего фосфора. В ходе работы панели эти цвета комбинируются компьютером, создаются новые цвета пикселя. Меняя ритм пульсации тока, проходящего через ячейки, контрольная система может увеличивать или уменьшать интенсивность свечения каждого субпикселя, создавая сотни и сотни различных комбинаций красного, зеленого и синего цветов.

Главное преимущество производства плазменных дисплеев - возможность создавать тонкие панели с широкими экранами. Поскольку свечение каждого пикселя определяется индивидуально, изображение выходит потрясающе ярким, причем при просмотре под любым углом. В норме насыщенность и контрастность изображения несколько уступает лучшим моделям ЭЛТ-телевизоров, но вполне оправдывает ожидания большинства покупателей.

Главный недостаток плазменных панелей - их цена. Дешевле пары тысяч долларов новую плазменную панель купить невозможно, модели hi-end класса обойдутся в десятки тысяч долларов. Впрочем, с течением времени технология значительно усовершенствовалась, цены продолжают падать. Сейчас плазменные панели начинают уверенно теснить ЭЛТ-телевизоры. особенно это заметно в богатых, технологически развитых странах. В ближайшем будущем `плазма` придет в дома даже небогатых покупателей.

Описание работы плазмы другими словами

Плазменные панели немного похожи на ЭЛТ-телевизоры - покрытие дисплея использует способный светиться фосфорсодержащий состав. В то же время они, как и LCD, используют сетку электродов с защитным покрытием из оксида магния для передачи сигнала на каждый пиксель-ячейку. Ячейки заполнены инертными, т. н. `благородными` газами - смесью неона, ксенона, аргона. Проходящий через газ электрический ток заставляет его светиться.

По сути, плазменная панель представляет собой матрицу из крошечных флуоресцентных ламп, управляемых при помощи встроенного компьютера панели. Каждый пиксель-ячейка является своеобразным конденсатором с электродами. Электрический разряд ионизирует газы, превращая их в плазму - т. е. электрически нейтральную, высокоионизированную субстанцию, состоящую из электронов, ионов и нейтральных частиц. Будучи электрически нейтральной, плазма содержит равное число электронов и ионов и является хорошим проводником тока. После разряда плазма испускает ультрафиолетовое излучение, заставляющий светиться фосфорное покрытие ячеек-пикселей. Красную, зеленую или синюю составляющую покрытия.

На самом деле каждый пиксель делится на три субпикселя, содержащих красный, зеленый либо синий фосфор. Для создания разнообразных оттенков цветов интенсивность свечения каждого субпикселя контролируется независимо. В кинескопных телевизорах это делается путем изменения интенсивности потока электронов, в `плазме` - при помощи 8-битной импульсной кодовой модуляции. Общее число цветовых комбинаций в этом случае достигает 16,777,216 оттенков.

Тот факт, что плазменные панели сами являются источником света, обеспечивает отличные углы обзора по вертикали и горизонтали и великолепную цветопередачу (в отличие от, например, LCD, экраны в которых обычно нуждаются в подсветке матрицы). Впрочем, обычные плазменные дисплеи в норме страдают от низкой контрастности. Это обусловлено необходимостью постоянно подавать низковольтный ток на все ячейки. Без этого пиксели будут `включаться` и `выключаться` как обычные флуоресцентные лампы, то есть очень долго, непозволительно увеличивая время отклика. Таким образом, пиксели должны оставаться выключенными, в то же время испуская свет низкой интенсивности, что, конечно, не может не сказаться на контрастности дисплея.

В конце 90-х гг. прошлого века Fujitsu удалось несколько смягчить остроту проблемы, улучшив контрастность своих панелей с 70:1 до 400:1. К 2000 году некоторые производители заявляли в спецификациях панелей контрастность до 3000:1, сейчас - уже 10000:1+. Процесс производства плазменных дисплеев несколько проще, чем процесс производства LCD. В сравнении с выпуском TFT LCD-дисплеев, требующим использования фотолитографии и высокотемпературных технологий в стерильно чистых помещениях, `плазму` можно выпускать в цехах погрязнее, при невысоких температурах, с использованием прямой печати.

Тем не менее, век плазменных панелей недолог - совсем недавно среднестатистический ресурс панели равнялся 25000 часов, сейчас он почти удвоился, но проблему это не снимает. В пересчете на часы работы плазменный дисплей обходится дороже LCD. Для большого презентационного экрана разница не очень существенная, однако, если оснастить плазменными мониторами многочисленные офисные компьютеры, выигрыш LCD становится очевидным для компании-покупателя. Ремонт телевизоров с плазменными дисплеями довольно дорог.

Еще один важный недостаток `плазмы` - большой размер пикселей. Большинство производителей неспособны создавать ячейки менее 0,3 мм - это больше, чем зерно стандартного компьютерного монитора. Непохоже, чтобы в ближайшем будущем ситуация изменилась к лучшему. На среднесрочную перспективу такие плазменные дисплеи подойдут в качестве домашних телевизоров и презентационных экранов до 70+ дюймов размером. Если `плазму` не уничтожат LCD и появляющиеся каждый день новые дисплейные технологии, через какой-нибудь десяток лет она будет доступна любому покупателю.

Плазменные панели

Plasma Display Panel (PDP) Плазменные панели Plasma Display Panel (PDP) Всего лишь пятнадцать-двадцать лет назад лет назад писатели-фантасты в один голос предрекали появление в будущем огромных и абсолютно плоских телевизионных экранов. И вот теперь сказка наконец-то стала былью, и такой экран может купить любой желающий.

Устройство плазменных панелей

Принцип действия плазменной панели основан на свечении специальных люминофоров при воздействии на них ультрафиолетового излучения. В свою очередь это излучение возникает при электрическом разряде в среде сильно разреженного газа. При таком разряде между электродами с управляющим напряжением образуется проводящий “шнур”, состоящий из ионизированных молекул газа (плазмы). Поэтому-то газоразрядные панели, работающие на этом принципе, и получили название “газоразрядных” или, что тоже самое – “плазменных” панелей.

Конструкция

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон.

Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора.

В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости.

Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному.

Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.

Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета: • Зелёный: Zn₂SiO₄:Mn²⁺ / BaAl₁₂O₁₉:Mn²⁺ • Красный: Y₂O₃:Eu³⁺ / Y₀,₆₅Gd₀,₃₅BO₃:Eu³⁺ • Синий: BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺

Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525нм для зелёного, 610нм для красного и 450нм для синего. Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей. На плазменной панели 1280×768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать.

Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние — в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, — подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах. В ЖК-панелях принцип формирования картинки принципиально иной – там источник света находится позади матрицы, а для разделения цветов на RGB используются фильтры.

Плазменная панель работает следующим образом. С помощью внешних устройств «развертки» на электроды строк и столбцов мат­рицы подаются управляющие напряжения. Под действием напряже­ния между инициированными строчной и столбцовой шинами в соот­ветствующей ячейке матрицы происходит электрический разряд в газе через образующуюся при этом плазму (ионизированный газ). Этот разряд вызывает мощное ультрафиолетовое излучение, которое за­ставляет светиться находящийся в данной ячейке люминофор. Так как существуют разделительные «барьеры» между соседними ячейка­ми, электрический разряд локализуется в пределах одной отдельно взятой и не оказывает воздействия на соседние ячейки. А чтобы еще «спой» ультрафиолет не вызвал свечения «чужого» люминофора, на боковые поверхности разделительных ребер наносят специальное по­глощающее ультрафиолет покрытие.

Работа плазменной панели состоит из трех этапов (рис 5.2):

инициализация, в ходе которой происходит упорядочивание положения зарядов среды и её подготовка к следующему этапу (адресации). При этом на электроде адресации напряжение отсутствует, а на электрод сканирования относительно электрода подсветки подается импульс инициализации, имеющий ступенчатый вид. На первой ступени этого импульса происходит упорядочивание расположения ионов газовой среды, на второй ступени - разряд в газе, а на третьей — завершение упорядочивания.адресация, в ходе которой происходит подготовка пикселя к подсвечиванию. На шину адресации подается положительный импульс (+75 В), а на шину сканирования отрицательный (-75 В). На шине подсветки напряжение устанавливается равным +150 В.подсветка, в ходе которой на шину сканирования подается положительный, а на шину подсветки отрицательный импульс, равный 190 В. Сумма потенциалов ионов на каждой шине и дополнительных импульсов приводит к превышению порогового потенциала и разряду в газовой среде. После разряда происходит повторное распределение ионов у шин сканирования и подсветки. Смена полярности импульсов приводит к повторному разряду в плазме. Таким образом, меняя полярность импульсов обеспечивается многократный разряд ячейки.Один цикл «инициализация — адресация — подсветка» образует формирование одного подполя изображения. Складывая несколько подполей можно обеспечивать изображение заданной яркости и контраста. В стандартном исполнении каждый кадр плазменной панели формируется сложением восьми подполей.

Таким образом, при подведении к электродам высокочастотного напряжения происходит ионизация газа или образование плазмы. В плазме происходит емкостной высокочастотный разряд, что приводит к ультрафиолетовому излучению, которое вызывает свечение люминофора: красное, зелёное или синее (рис. 5.3).

Рисунок 5.2 – Иллюстрация этапов работы плазменной панели

Рисунок 5.2 – Иллюстрация этапов работы плазменной панели

Рисунок 5.3 – Иллюстрация работы одного подпикселя плазменной панели

Жидкокристаллические панели

Жидкокристаллические панели (ЖК панели) - это светоклапанное устройство, модулирующее световой поток от внешнего источника света. В жидкокристаллических панелях (ЖК–панелях) используется способность аморфного вещества изме­нять свои оптические свойства в электрическом поле. Существуют ЖК–панели просветного и отражательного типов. С тыльной стороны ЖК–панель просветного типа освещается равномерным световым потоком. Под действием напряжения между инициированными строчной и столбцовой шинами в соответствую­щей ячейке матрицы изменяется оптическая прозрачность амфорного вещества. Световой поток, проходя через ЖК–матрицу с тремя типа­ми цветовых ячеек RGB, модулируется по яркости и по цвету. Таким образом, на экране ЖК–панели синтезируется цветное изображение.

В настоящее время наибольшее распространение ЖК–панели по­лучили в компьютерной технике в качестве мониторов, а также телевизорах. Жидкокристаллические панели в десятки раз экономичнее плазменных. К достоинствам ЖК–панелей следует отнести также высокую технологичность и относительно низкую сто­имость.

Принцип работы жидкокристаллических матриц основывается на свойстве молекул жидкокристаллического вещества менять пространственную ориентацию под воздействием электрического поля и оказывать поляризующий эффект на световые лучи. В многослойной структуре матрицы, представляющей собой прямоугольный массив множества отдельно управляемых элементов (пикселов), слой жидких кристаллов помещается между стеклянными пластинами, на поверхности которых нанесены бороздки. Благодаря им, во всех элементах матрицы удается сориентировать молекулы идентичным образом, причем, вследствие взаимно перпендикулярного расположения бороздок двух пластин, ориентация молекул меняется по мере удаления от одной из них и приближения к другой на 90 градусов (рис 5.4).

Рисунок 5.4 – Иллюстрация принципа работы ЖК-панели

Пропущенный через такой слой жидкокристаллического вещества поляризованный свет (см. рис.) также меняет плоскость поляризации на 90. Поэтому структура, в которую добавлены входной и выходной поляризационные фильтры с взаимно перпендикулярными осями поляризации ( a и b ), оказывается прозрачной для внешнего светового потока, частично ослабевающего при прохождении входного поляризатора.

Находясь под воздействием электрического поля, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою ориентацию, и угол поворота плоскости поляризации светового потока заметно уменьшается. В этом случае большая часть светового потока поглощается выходным поляризатором. Таким образом, управляя уровнем электрического поля, можно менять прозрачность элементов матрицы.

ЖК-панели выпускают пассивными и активными. В цветных телевизорах преимущественно используют активные.

Основой активной панели (рисунок 5.5) служат две плоскопараллельные пластины, на одну из которых нанесены горизонтальные электроды, соответствующие строкам, и вертикальные электроды (столбцы). Число строк разложения определяет разрешающую способность по горизонтали. В местах их пересечения укрепляются тонкопленочные транзисторы (TFT), затворы которых подключены к горизонтальным электродам, а истоки - к вертикальным. Стоки транзисторов образуют первые обкладки миниатюрных конденсаторов (ячеек), соответствующих элементам изображения. В качестве второй обкладки конденсаторов работает полупрозрачный слой металлизации на второй стеклянной пластине, расположенной параллельно на расстоянии, измеряемом микронами. Между пластинами введено органическое вещество, обладающее свойствами жидкого кристалла. Эта жидкость по химическому составу близка к холестерину. Для калибровки зазора между пластинами в слой жидкости введено некоторое количество микроскопических стеклянных цилиндриков, диаметр которых и определяет зазор. На панель с двух сторон наложены поляроидные пленки, плоскости поляризации которых повернуты на 90° одна относительно другой. При отсутствии напряжения на конденсаторе ЖК вещество поворачивает плоскость поляризации ещё на 90°. В результате свет свободно проходит через ячейки. При подаче напряжения на обкладки конденсатора изменяется структура ЖК вещества, что вызывает дополнительный поворот плоскости поляризации. Когда угол её поворота в веществе уменьшается до нуля, ячейка престает пропускать свет. Это свойство и позволяет получить изображение. Чтобы оно было цветным, панель содержит матричный светофильтр, состоящий из «красных», «зелёных» и «синих» ячеек, центры которых расположены напротив элементарных конденсаторов панели и чередуются вдоль строки (R - G - B - R). В соседних строках цветовые ячейки светофильтра смещены по горизонтали на одну, чтобы на изображении не получилось визуально заметной вертикальной структуры. Позади панели устанавливают лампу подсветки.

ЖК панели рассчитывают для работы во вполне определённом телевизионном стандарте. В простейших приемниках оба поля телевизионного кадра воспроизводятся на одних и тех же элементах строки без чересстрочности. При этом число горизонтальных электродов должно быть равно числу активных строк в поле телевизионного изображения. Для отечественного стандарта D/K число горизонтальных электродов должно быть равно . Если на такую панель подать телевизионный сигнал другого стандарта, например M, где число строк в поле 262,5, то размер изображения будет сжат по вертикали. При увеличении размера экрана по диагонали свыше 15 см необходимо воспроизводить раздельно оба поля и обеспечивать чересстрочную развертку. Тогда число строчных электродов в панели необходимо увеличивать до числа активных строк в кадре.

Рисунок 5.5 Конструкция жидкокристаллического экрана

В ЖК телевизоре большого формата для обеспечения приема сигнала разных систем целесообразно использовать преобразования стандартов двумерными фильтрами. Для управления панелью служат устройства кадровой и строчной развертки, входящие в ее состав. Устройство кадровой развертки обеспечивает поочередный выбор строчных электродов, подавая на них импульсы напряжения. Устройство строчной развертки поочередно выбирает столбцовые электроды, на которые поступают дискретные выборки сигнала. Эти выборки заряжают конденсаторы ячеек. В зависимости от напряжения на них изменяется угол поворота плоскости поляризации света, проходящего через вещество ЖК. В результате изменяется яркость выбранного элемента изображения. Как известно, в масочном кинескопе электронный луч высвечивает триады люминофора. Каждая триада соответствует элементу изображения. При этом невозможно управлять очередностью свечения входящих в триаду люминофорных точек. В ЖК панели возможно раздельное управление каждой цветовой точкой, соответствующей пересечению строчного и столбцового электродов, что позволяет применять различные законы разложения изображения. Отсчёты сигнала изображения, соответствующие выбранной строке, можно предварительно записать в регистр и одновременно подать на все столбцовые электроды. Выборки сигнала можно также подавать на электроды столбцов поочередно с заданным законом чередования. Так как зрительный аппарат человека не воспринимает окраску мелких деталей, то в панелях малого формата следующие вдоль строки элементы изображения можно создавать не из трех, а из одной составляющей цвета. Например, первый элемент - R, второй - G, третий - B, четвертый - R и так далее. При этом четкость изображения по горизонтали увеличивается в три раза по сравнению с масочным кинескопом, где каждый элемент содержит три люминофорных точки разных цветов. Для уменьшения тактовых частот в блоках разверток используют поочередное управление четным и нечетными строками и столбцами. В соответствии с этим и сами блоки разверток выполняют из двух частей. Микросхемы кадровой развертки располагают справа и слева от ЖК панели, микросхемы строчной развертки - сверху и снизу. Поскольку ЖК экран - клапанное устройство, для его работы необходима лампа подсветки. Обычно это люминесцентная лампа. Необходимы также отражатель и рассеиватель света для обеспечения равномерной засветки. Яркость лампы должна быть относительно большой, так как ЖК панель даже в режиме максимальной прозрачности поглощает большую часть светового потока.

Относительно недавно появились ЖК-телевизор со светодиодной подсветкой (в разговорном языке именуемый LED TV (сокр. от Light Emitting Diode TeleVision) — телевизор с жидкокристаллическим дисплеем, подсветка экрана которого осуществляется светодиодной матрицей (LED).

С потребительской точки зрения ЖК-телевизоры со светодиодной (СД) подсветкой отличают четыре улучшения относительно ЖК c подсветкой электролюминесцентными лампами:

Улучшенная контрастность;Улучшенная цветопередача;Пониженное энергопотребление;Малая толщина корпуса.К началу 90-x годов была известна простейшая боковая светодиодная подсветка (СД-подсветка) ЖК-дисплеев и ЖК-индикаторов малых размеров, которая была невозможна к использованию в ЖК-телевизорах, ввиду их больших размеров.

Большинство современных жидкокристаллических телевизоров и компьютерных мониторов используют в качестве подсветки своей ЖК-матрицы электролюминесцентные лампы (CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp), HCFL, EEFL). Приблизительно начиная с 2008 года на рынке появились первые модели с подсветкой экрана матрицей светодиодных элементов (рис 5.6).

Рисунок 5.6 - ЖК-дисплей с подсветкой в виде матрицы светодиодов

Такой термин как LED TV был введен корпорацией Samsung для продвижения собственной линейки жидкокристаллических телевизоров с СД-подсветкой (Edge-LED). Этот термин, LED TV, вызывает много споров в вопросе правомерности его использования, так как технически такие телевизоры не являются на 100 % светодиодными (светодиодами осуществляется только подсветка) — современные полупроводниковые светодиоды по своим размерам намного крупнее, чем пиксели современного телевизора, поэтому реальное использование полноценной светодиодной матрицы для формирования изображения возможно лишь на очень больших дисплеях (например табло стадионов, рекламные экраны).

Плоский экран на основе светодиодов

Идея использования светодиодов для создания плоского цветного дисплея известна давно. Такая панель может обеспечить высокую четкость, достаточную яркость, простоту управления и значительный срок службы. Основным препятствием на пути создания такой панели была трудность обеспечения необходимого зеленого и особенно синего свечения. Существующие светодиоды, выполненные на основе карбоната кремния, не обеспечивали необходимой яркости и спектрального состава излучения.

Только в последние годы наметились успехи в этой области. Как сообщает печать, японская фирма Nichia Chemical Industries разработала необходимые светодиоды, которые могут послужить основой светодиодного дисплея. Усовершенствованные светодиоды представляют собой многослойную структуру (восемь слоёв в «синем» диоде и девять слоёв в «зелёном») с легированием разными примесями.

Выполнить светодиодный экран в виде единой полупроводниковой структуры пока не удаётся. Экраны делают сборными из отдельных дискретных светодиодов. Такая технология годится лишь для панелей весьма большого формата и не подходит для бытовых телевизоров.

Волоконная оптика

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Опти́ческое волокно́ — диэлектрическая направляющая среда, предназначенная для канализации электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазонов. Оптическое волокно коаксиальной конструкции и состоит из сердцевины, оболочки и первичного акрилатного покрытия и характеризуется профилем показателя преломления.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон (волоконно-оптический кабель) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

История

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено отсутствием соответствующих технологий.

В 1934 году американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света по стержням чистого стекла.

В 1950-е годы Брайен О’Бриен[англ.] и Нариндер Капани (который ввёл термин «волоконная оптика» в 1956 году) разработали оптические волокна для передачи изображения. Они были применены в световодах, используемых в медицине (в эндоскопии).

В 1962 году был создан полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала.

В 1966 году К. Ч. Као и Дж. Хокхем[англ.] сформулировали требования на систему передачи информации по оптоволокну и показали возможность создания оптоволокна с затуханием менее 20 дБ/км. Они установили, что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1000 дБ/км), был связан с присутствующими в стекле примесями. За эту работу Као в 2009 году получил Нобелевскую премию по физике.

Но только к 1970 году сотрудникам компании Corning Роберту Мауреру[англ.] и Дональду Кеку[англ.] удалось получить оптоволокно с низким затуханием — до 16 дБ/км, через пару лет — до 4дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) впервые были применены в военных целях. В 1973 году ВМС США впервые внедрили волоконно-оптическую линию на борту корабля Little Rock[англ.]. В 1976 году ВВС США заменили кабельную оснастку самолета А-7 на волоконно-оптическую, которая весила гораздо меньше. В 1977 году была запущена двухкилометровая ВОЛС, связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стёкла. Как и другие стёкла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

Изготовления кварцевых волокон проходит в 2 этапа:

1.Получение заготовки-преформы (perform) — цилиндрический стеклянный стержень или трубка,

2.Вытяжка из преформы волокна.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку — из фторированных PMMA (фторполимеров).

Конструкция

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрометров. Диаметр сердцевины может различаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху — одномодовое волокно; слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно; справа — градиентное волокно с параболическим профилем

Распространение света в многомодовом оптоволокне

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия. Существует три основных типа одномодовых волокон: 1.одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи; 2.одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание; 3.одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655 Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрона в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный. Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и так далее. Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62,5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Волоконно-оптическая связь

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30% ниже, чем в медных проводах и до 40% ниже скорости распространения радиоволн. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111ГГц, в то время как скорости 10 и 40Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов, может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72Тбит/с, а к 2012 — 20Тбит/с. Последний рекорд скорости — 255Тбит/с.

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях. Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз». Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки. Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

Технология производства оптического волокна

Получение оптического волокна

Технология изготовления кварцевых оптических волокон (ОВ) проходит в 3 этапа: ·Получение заготовки-преформы (perform), ·Вытяжка из нее волокна, ·Изготовление ка́беля.

Оптическое волокно (ОВ) в течение последних 35 лет прочно вошло в нашу жизнь. Это связано в первую очередь тем, что несущая частота в оптическом диапазоне значительно (в 106…108 раз) превосходит частоты радиодиапазона, что позволяет увеличить объем передаваемой информации соответственно в более ста раз.

Сдерживающим фактором развития волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ) длительное время были высокие потери в оптических световодах. Однако в 1966 г. появилась работа английских ученых Као и Хокхема, которые показали, что при удалении примесей переходных («красящих») металлов можно получить кварцевые стекла с потерями менее 20дБ/км, что допускает практическое использование ОВ. За эту основополагающую работу Као получил в 2009 г. Нобелевскую премию. После появления работы Као и Хокхема начался настоящий бум в технологии производства ОВ, который закончился появлением и реализацией в 1973–1974 гг. сотрудниками фирм «Bell-Labs» и «Corning» метода модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD). Этот метод позволил получать в дальнейшем ОВ с минимальными потерями до ~ 0,2дБ/км на длине волны 1,55мкм (достижение, установленное в 2002 г., составляет 0,148дБ/км). Это послужило началом крупномасштабных работ во всем мире по разработке технологии изготовления и использованию телекоммуникационных ОВ для волоконно-оптических систем передачи информации. Уже в настоящее время проложены сотни миллионов километров волоконно-оптических кабелей (ВОК)!, содержащих в себе телекоммуникационные ОВ; проложены около 600тыс.км подводных линий через Атлантический и Тихий океаны. Практически весь мир окольцован ВОСПИ. В настоящее время метод модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) лёг в основу производства ОВ.

История

Одним из первых методов изготовления волоконных световодов был метод «стержень в трубке», при котором стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигался в трубку из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления, служащего оболочкой. Недостаток метода в том, что любые мельчайшие повреждения и примеси на их граничной поверхности после вытяжки световода приводят к большим величинам затухания (до 500 — 1000дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготовить только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления.

Второй метод — «двойного тигля» или метод «совмещённого расплава». При этом световод вытягивается из расплава, где компоненты сердцевины и оболочки плавятся в двух разных тиглях. За счёт диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления. При этом методе удаётся получить волокна с затуханием от 5 до 20дБ/км. при длине волны 850нм.

Следующий метод «разделения фаз» при котором стержень из натрийборселикатного стекла выдерживается длительное время при температуре 600℃. За это время переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и далее выщелачиваются с помощью кислоты. Получившаяся пористая заготовка пропитывается раствором нитрата цезия и промывается. Из такой заготовки получают волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилем, с затуханием от 10 до 50дБ/км. при длине волны 850нм.

Прорыв в производстве оптических волокон был достигнут при производстве заготовок методом парофазного осаждения — способа, который впервые был использован после появления работы Као и Хокхема и начался настоящий бум в технологии производства ОВ, который закончился появлением и реализацией в 1973–1974 гг. сотрудниками фирм «Bell-Labs» и «Corning» метода модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD).

Основные методы получения заготовок оптических волокон

Иллюстрация процесса изготовления заготовок для производства оптического волокна из газовой фазы

В настоящее время для получения кварцевых заготовок как многомодовых, так и одномодовых ОВ с предельно малыми потерями (~ 0,2дБ/км на λ = 1,55мкм) и широкой полосой пропускания (> 1ГГц·км) во всех промышленно развитых странах мира наибольшее распространение получили парофазные методы, сущность которых заключается в окислении или гидролизе паров четыреххлористого кремния и галогенидов легирующих компонентов (GeCl₄, BBr₃, РОСl₃). Преимущество методов состоит в возможности получения чистой или легированной двуокиси кремния,содержащей примеси «красящих» металлов (Fe, Сu, Мn, Со, Сr, Ni) на уровне < 10–7 мас. %, что практически исключает потери, связанные с по-глощением света этими примесями в диапазоне 0,63…1,55мкм. Получение столь чистых оксидов обусловлено в значительной степени как использованием особо чистых исходных галогенидов (в которых концентрация примесей указанных металловнаходится на уровне 10–7…10–8 мас. %, а водородсодержащих соединений на уровне 10–4 … 10–7 мас. %), так и дополнительной очисткой, происходящей при их испарении, т.к. галогениды «красящих» металлов имеют значительно более высокую температуру кипения, чем вышеуказанные галогениды и, соответственно, более низкое давление насыщенных паров при рабочей температуре барботеров. В табл. 2.1 приведены свойства исходных материалов, наиболее часто используемых для получения заготовок кварцевых ОВ.

Парофазные методы получения заготовок ОВ по характеру образования и осаждения оксидов кремния и легирующих компонентов делятся следующим образом: ·метод внутреннего парофазного осаждения (модифицированное химическое парофазное осаждение – MCVD – modified chemical vapor deposition — модифицированное химическое осаждение паров); ·метод внешнего парофазного осаждения (OVD – outside vapor deposition — парообразное осаждение); ·метод парофазного осевого осаждения (VAD – vapor axial deposition); ·плазмохимические методы (PMCVD, PCVD и т.д.).

Откуда оптическое волокно изготавливается в ходе нескольких технологических операций. В начале изготавливают заготовки для производства оптического волокна. Они представляют собой стеклянные стержни, состоящие из кварцевого стекла сердцевины и стекла оболочки. Далее из этих заготовок, при сильном нагревании одного конца, производится вытяжка в волоконный световод, при этом одновременно наносится первичное буферное покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Метод внутреннего парофазного модифицированного химического осаждения (MCVD)

Суть этого метода видна из рис. 2.1. В опорную кварцевую трубку подают пары четыреххлористого кремния (GeCl₄) и галогенидов легирующих компонентов (GeCl₄, BBr₃, РОСl₃ и т.д.), а также очищенный и осушенный кислород. В зоне нагрева трубки кислородно-водородной горелкой, перемещающейся вдоль трубки с заданной скоростью, происходит окисление галогенидов с образованием оксидов кремния и легирующих компонентов.

Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)

Схема процесса OVD, который наиболее широко используется для получения заготовок фирмой «Corning glass» (США), приведена на рис. 2.13.

Процесс включает в себя: ·образование частиц оксидов кремния и легирующих компонентов за счет гидролиза паров исходных галогенидов, поступающих в кисло- родно-водородную горелку, по реакциям: SiCl₄газ + 2H₂Oгаз = SiO₂тв + 4HClгаз,GeCl₄газ + 2H₂Oгаз = GeO₂тв + 4HClгаз и т.д.; ·осаждение частиц на затравку за счет термофореза и формирование пористой заготовки; ·сушку и остекловывание пористой заготовки.

Следует отметить, что метод OVD используется не только для получения заготовок ОВ, но и для «наращивания» технологической кварцевой оболочки на заготовках, полученных, например, методом MCVD, поскольку скорость осаждения оксидов в методе OVD значительно выше.

Метод парофазного осевого осаждения (VAD)

Схема процесса VAD, разработанного японскими фирмами (среди которых NTT, «Sumitomo» и др.), приведена на рис. 2.17.

В отличие от метода OVD в методе VAD пары исходных галогенидов подают в непод- вижную кислородно-водородную горелку, а образующиеся в результате гидролиза частицы – оксиды осаждаются на торец затравочного штабика с образованием пористой заготовки, которая по мере роста поднимается таким образом, чтобы фронт роста оставался на одном и том же месте. Схема установки VAD показана на рис. 2.18.

Видно, что эта установка является сложной в аппаратурном оформлении, поскольку требуется ав- томатический контроль следующих основных параметров процесса: – скорости поступления паров исходных галогенидов; – местоположения торца пористой заготовки с точностью ±50 мкм, ибо изменение местоположения роста ведет к вариациям диаметра по- ристой заготовки и профиля ПП;

Преимущества и недостатки метода VAD. Преимуществами являются: относительно высокая скорость осаждения (до 4,5г/мин), принципиальная возможность получения заготовок любой длины, отсутствие центрального провала в профиле ПП заготовок и ОВ. Недостатки обусловлены главным образом сложностью установки и необходимостью точного контроля большого числа технологических параметров, а также формированием профиля ПП за счет пространст- венной диффузии оксидных частиц различного состава, а не путем послойного осаждения слоев разного состава.

Плазмохимические методы (PMCVD, PCVD)

Отличительной особенностью этих вариантов является замена горелки, используемой в методах MCV, OVD и VАD для нагрева исходных галогенидов и инициирования реакций их окисления или гидролиза, на плазмотрон или магнетрон. Различают два типа вариантов: с использованием ВЧ-плазмы (т.е. изотермической плазмы атмосферного давления) и СВЧ-плазмы (т.е. не изотермической плазмы низкого давления). В первом случае – это методы PMCVD (plasma modified chemical vapor deposition) и POD (plasma outside deposition), а во втором – PCVD (plasma chemical vapor deposition) и его разновидности.

·PMCVD- и POD-методы

В этих методах источником энергии является ВЧ-генератор с индуктивной связью. Мощность ВЧ-генератора обычно составляет ~ 20 кВт, а мощность в разряде ~ до 12 кВт. Частота генератора лежит в диапазоне 13…27МГц (оптимальная частота ~ 20МГц). В методе PMCVD55 внутри индуктора располагается опорная кварцевая трубка диаметром до 40…50мм, которая совершает возвратно поступательные движения аналогично движению горелки в классическом методе MCVD. В методе POD кварцевый штабик перемещается перед плазменной горелкой аналогично движению затравочного штабика в методе OVD, и на штабик осаждается слой фторсиликатного стекла, формирующий светоотражающую оболочку. На рис. 2.24 приведены схемы процессов PMCVD и POD.

Недостатком методов PMVD и POD является то, что параметры разряда (соответственно плазмы) значительно зависят от состава ПГС. Это делает затруднительным получение заготовок ОВ со сложным профилем ПП, и указанные методы используются в основном для получениязаготовок ОВ со ступенчатым профилем ПП, которые имеют в настоящее время ограниченное применение.

PCVD-метод и его разновидности

В PCVD-методе, впервые предложенном и наиболее интенсивно развиваемым фирмой «Philips», для активации процесса образования и осаждения используется неизотермическая плазма низкого давления ~ 10…20мбар (1 бар = 1,01атм.), которая, по существу, является плазмой «тлеющего» СВЧ-разряда. Плазма образуется с помощью СВЧ-резонатора, который соединен с магнетроном мощностью 0,2…6кВт, излучающего СВЧ на частоте ~ 2,5ГГц. Смесь О₂ и паров SiCl₄ вместе c парами галогенидов легирующих компонентов (GeCl₄, C₂F₆ и т.д.) прокачивается через опорную трубку. Схема установки приведена на рис. 2.25.

Образование и осаждение слоев чистой и легированной двуокиси кремния осуществляются в опорной кварцевой трубке с наружным диаметром 18…26 мм, вдоль которой перемещается резонатор, а сама трубка вместе с резонатором помещена в печь, нагреваемую до 1150…1200℃.

Следующей модификацией СВЧ-плазменных методов является метод SPCVD (surface plasma chemical vapor deposition). Схема установки для получения заготовок этим методом приведена на рис. 2.26.

В данном случае длинный плазменный столб «тлеющего» разряда возбуждается в опорной трубке при локальном подводе к ней высокочастотной электромагнитной энергии. Осаждение оксидов происходит на внут- ренней поверхности опорной трубки в результате реакций в потоке химических реагентов, прокачиваемых через трубку при давлении в несколько мегабар. Поддержание плазмы вдали от места приложения высокочастотного поля осуществляется за счет переноса электромагнитной энергии вдоль разряда поверхностными плазменными волнами. При прокачке газовой смеси SiCl₄+O₂ через плазменную колонну изначально нейтральная смесь попадает в разряд со стороны области отсечки плазменного волновода. Именно в окрестности этой области происходят основные плазменно-химические процессы, которые, как излагалось выше, приводят к наработке в газовой фазе молекул SiO, диффундирующих к стенкам трубки, осаждающихся на ней и доокисляющихся до SiO₂, формируя таким образом зону осаждения кварцевого стекла. Изменяя местоположение отсечки плазменного волновода за счет изменения подаваемой мощности, можно перемещать зону осаждения вдоль труб без перемещения самой трубки, что обеспечивает возможность послойного осаждения стекла периодическим изменением СВЧ-мощности, подводимой к плазме от внешнего источника.

В итоге в таблице 2.3 суммируются основные характеристики изложенных выше парофазных методов получения заготовок ОВ на основе высокочистого кварцевого стекла.

Микрострктурированные ОВ

В последние десять лет в волоконной оптике бурно развивается новое научное направление – микроструктурированные оптические волокна (МкОВ), которые представляют собой искусственно создаваемые структуры, содержащие воздушные капилляры, располагающиеся параллельно оси волокна. Различают 2 типа МкОВ: волокна, у которых сердцевина заполнена стеклом (так называемые «дырчатые» волокна – HF – holey fibers), и волокна с воздушной сердцевиной (так называемые волокна с запрещенной фотонной зоной – PBGF – photonic band gap fibers). На рис. 5.48 приведены фотографии некоторых структур подобных волокон.

Технология вытяжки оптического волокна из заготовок

Для вытягивания волокна заготовка закрепляется вертикально в патроне вытяжной установки. Положение патрона в вертикальном направлении регулируется с использованием подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000℃ с помощью нагревательного элемента, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготовки. Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, необходимо обеспечить возможность точной регулировки скорости вытяжки (обычно 300м/мин) и подающего механизма с помощью системы автоматического управления.

Во время вытягивания геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода возможно в соотношении до 300: 1. Таким образом, при вытяжке, профиль показателя преломления остаётся неизменным.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для увеличения прочности волоконного световода, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волоконным световодом. Это полимерное покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового УФ излучения. После упрочнения покрытия световод проходит по системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающего усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Световод должен выдерживать эту нагрузку до того, как он будет намотан на цилиндрический барабан.

Прочность оптических волокон

Прочностные свойства ОВ являются важнейшими характеристиками, определяющими возможность их практического использования и эксплуатации. Прочность характеризует свойство материалов сопротивляться разрушению под воздействием внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности, т.е. максимальное напряжение, вызывающее разрушение материала под действием статической нагрузки. В зависимости от вида действующей нагрузки различают пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и т.д. Для ОВ наибольшую опасность представляет растяжение, которое наблюдается при перемотке волокна, при его кабелировании, при прокладке и эксплуатации ОК.

Различают теоретическую и техничнскую прочность.

Техническая прочность характеризует прочность реальных изделий. Так, несмотря на то, что кварцевое волокно диаметром 125мкм должно выдерживать растягивающие усилия до 20кгс и удлинение до 25%, на практике короткие отрезки волокон (~ 1м) разрушаются при нагрузках 5…6кгс и ε ~ 7%. Расхождение значений теоретической и технической прочности твердых тел Гриффитс объясняет наличием на их поверхности большого числа микродефектов, названных «микротрещинами Гриффитса». Они могут быть обусловлены разрывом химических связей Si–O–Si в результате: ·Абразивного действия твердых частиц (даже пыли) или контакта с поверхностями твердых тел; ·Химического взаимодействия с влагой и газами окружающего воздуха.

Согласно теории Гриффитса образец стекла может находиться под нагрузкой бесконечно долго, если величина приложенного напряжения меньше критического и образец не разрушится в момент нагружения. Однако многочисленные экспериментальные данные показывают, что даже при приложении к образцу нагрузки меньше критической он через некоторое время может разрушиться. Время до разрушения зависит от величины приложенной нагрузки, размера дефекта и окружающих условий. Это явление, называемое статистической усталостью стекла, объясняется совместным действием напряжения и молекул веществ, попадаю- щих в трещину из окружающей среды (в первую очередь молекул воды) и активирующих разрыв химических связей в вершине трещины. Энергия связи Si–OH, равная ~ 29ккал/моль, оказывается значительно меньше энергии, необходимой для разрыва связи Si–O, равной ~ 106ккал/моль.

Для описания изменения прочности волокна под действием статической нагрузки вводится понятие инертной прочности образца S, т.е. прочности того же образца при условии отсутствия в нем трещин. Качественный характер изменения инертной прочности волокна в процессе его перемотки под нагрузкой и при его эксплуатации изображен на рис. 3.13.

Принят номинальный срок службы волокна – 25 лет, однако дать достоверный прогноз на такой большой срок достаточно сложно. Дефектов в многокилометровых волокнах много, и они изменяются вдоль волокна случайным образом. Поэтому их влияние может быть учтено только статистически, и о сроке службы волокна можно говорить только с определенной долей вероятности.

На практике при расчетах интегральной вероятности разрушения волокна под действием нагрузки обычно используют эмпирическую формулу Вейбулла и для построения распределения Вейбулла берут ряд случайных образцов исследуемого волокна (обычно не менее 30) и проводят измерение их прочности на разрывной машине, схема которой приведена на рис. 3.15.

Волоконно-оптические ка́бели

Элементы оптических кабелей

Бронированный волоконно-оптический кабель предназначенный для внешней прокладки.

Волоконно-оптический кабель предназначенный для непосредственной прокладки в грунте.

Волоконно-оптический кабель состоит из: 1.центрального силового элемента (ЦСИ), 2.оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами), 3.силовых элементов, 4.брони, 5.защитных оболочек, 6.внешней оболочки кабеля.

Сердечник кабеля

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокругцентрального силового элемента, являющегося сердцевиной кабеля. При этом центральный силовой элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаряскруткесветоводы в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиватьсянаполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называетсясердечником кабеля.

Скрутка

В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят окабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называетсямодульнымкабелем иликабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).

Заполнение сердечника

Для обеспечения водонепроницаемости волоконно-оптического кабеля по его длине при попадании воды, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобнымкомпаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малыйкоэффициент линейного расширения.

Оболочка кабеля

Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используютперфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер,сополимерэтилена ивинилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика изполиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля:полиэтиленовые,поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов.

Защитная оболочка

Для кабелей наружной прокладки и специальных кабелей требуются полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации.

Броня

Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр.

Типы конструкции кабелей

Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы: 1.кабели наружной прокладки, 2.кабели внутренней прокладки, 3.специальные кабели.

Типичные температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей: ·Температура транспортировки и хранения от -25℃ до +70℃ ·Температура монтажа от -5℃ до +50℃ ·Температура при эксплуатации от -20℃ до +60℃

Стандартная длина поставляемых волоконно-оптических кабелей для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.

Бесконтактные оптические соединения

Часто необходимо выровнять торец/ось оптического волокна относительно другого оптического волокна, или относительно кристалла оптоэлектронного устройства, например светоизлучающего диода, лазерного диода, или модулятора. Это требует тщательной прецизионной юстировки волокна и последующего закрепления его в устройстве. Иногда для этих целей конец волокна оплавляется (или полируется) в виде сферической формы, которая выполняет функцию линзы, чтобы позволить сфокусировать световой поток через воздушный промежуток (зазор).

Изготовление оптических волокон

Технологический процесс изготовления ОВ разрабатывается, исходя из требований точного использования конструктивных решений и наименьшего влияния на параметры волокна внешних воздействующих факторов, а также экономической целесообразности работ.

Волокна обычно изготавливаются в ходе нескольких технологических операций, чтобы целенаправленно оптимизировать их механические, геометрические и оптические характеристики. Такая технология позволяет осуществлять быстро и экономично массовое производство, что является существенным фактором для современной техники связи, использующей волоконно-оптические кабели.

Общая технологическая схема изготовления ОВ включает изготовление заготовок и вытяжку ОВ из этих заготовок. Заготовка представляет собой стеклянный стержень, состоящий из стекла сердцевины и стекла оболочки. Если рассматривать поперечное сечение такой заготовки, то в увеличенном масштабе видны геометрические размеры и профиль показателя преломления ОВ, который может быть сделан из заготовки. При сильном нагревеодного конца заготовка вытягивается в волокно, при этом одновременно наносится покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Изготовление кварцевых заготовок осуществляют различными технологическими методами, в основе которых лежит метод жидкой фазы, парофазная техника и золь-гель процесс.

Метод жидкой фазы в основном используют для изготовления многокомпонентных ОВ с диаметром сердцевины 250мкм и 400мкм, числовой апертурой более 0,5 и коэффициентом затухания 3 — 20дБ/км.

К методам жидкой фазы относят методы: тигля, слоистого расплава, двойного тигля, обменной диффузии, модифицированный метод обменной диффузии «фазил», ионного обмена.

Золь-гель процесс производства оптических заготовок разрабатывался с 1977 г. Существуют два основных метода изготовления кварцевого гель-стекла: гидролиз и полимеризация алкоголятов; превращение в гель золей, полученных из коллоидных оксидных дисперсий. С помощью золь-гель процесса изготовляют опорные кварцевые трубы (ОКТ), сердцевину и оптическую оболочку.

Алкоголяты позволяют получать многокомпонентные гели и благодаря маленьким порам (2 — 7нм), эти гели могут спекаться при температурах, значительно меньших, чем температуры, которые применяются при образовании стекла. Таким образом можно исключить проблему кристаллизации, так как спекание происходит при температуре значительно ниже той, при которой начинается образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Однако сушка монолитных алкоголятных гелей представляется трудной задачей. Она может быть решена путем гиперкритической откачки воздуха из автоклава. Метод очень трудоемок, требует громоздкого оборудования и больших затрат.

Остановимся в основном на изготовлении заготовок методом парофазной техники. Он является наиболее распространенным для ОВ, применяемых в технике связи.

Технология изготовления опорных кварцевых труб

Опорные кварцевые трубы (ОКТ) являются важным исходным компонентом для изготовления кварцевых заготовок. Они изготовляются из различных видов сырья по одностадийной или двухстадийной технологии (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Перечень основных технологических операций производства опорных кварцевых труб

Одностадийный процесс обеспечивает наилучшие геометрические характеристики изготовляемых труб, но, как и процесс контактного двухстадийного формирования труб, не обеспечивает высокой прочности кварцевого стекла ОКТ ввиду его загрязнения частицами материала дорна установки контактного формирования трубы. Наибольшее распространение получил двухстадийный процесс производства ОКТ из натурального стекла с использованием метода бесконтактного формирования трубы, имеющий достаточно высокие технико-экономические показатели. Изготовленные на его основе ОКТ выпускают диаметром 8 — 24мм с радиальной толщиной стенок 1 — 1,6мм. Допуски на радиальную толщину стенки для лучших образцов ОКТ колеблются от ± 0,2 до ± 0,4мм. Длина ОКТ может составлять 1 — 2,5м. Допуск на радиальную толщину стенки в значительной степени определяет точность изготовления заготовки с заданным профилем показателя преломления заготовки.

Изготовление заготовок путем плавления стекла

При изготовлении волоконных световодов методом «стержень в трубке» стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигается в опорную кварцевую трубку с меньшим показателем преломления, служашую оболочкой. Размеры стержня и трубки таковы, что между ними практически не остается зазора. Однако при этом любые мельчайшие повреждения и примеси на их пограничной поверхности после вытяжки световода приводят к большому затуханию (от 500 до 1000дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготавливать только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. При другом методе стекло сердцевины и стекло оболочки приводятся одновременно в расплавленное состояние и световод вытягивается непосредственно из расплава. Такой метод называется методом двойного тигля или методом совмещенного расплава, так как стекло для сердцевины и для оболочки плавится раздельно в двух тиглях. В качестве стекла используются высокочистые типы многокомпонентных стекол, например щелочносвинцовосиликатное стекло и натрийборсиликатное стекло. За счет диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления (метод Сельфок). Поскольку внутренние поверхности тиглей не могут быть абсолютно чистыми, в световод наряду с переходными металлами дополнительно попадают примеси, увеличивающие затухание (от 5 до 20дБ/км при 850нм). Этот метод используется для производства световодов с «толстой» сердцевиной (диаметр сердцевины ≥ 200мкм). При методе разделения фаз стекла стержень из натрийборсиликатного стекла формируется при температуре 1200℃, а затем выдерживается в течение нескольких часов при t = 600℃. За это время происходит разделение натрийборат-стеклофазы в матрицу SiО₂-стекла. Переходные металлы, такие как Fe и Си, собираются в натрийборат-стеклофазе и могут быть выщелочены с помощью кислоты, так что получается пористая заготовка. Она пропитывается высокочистым солевым раствором, например, нитрата цезия, а затем промывается снаружи. Легирование цезием увеличивает показатель преломления внутри. Промытая зона становится оболочкой. С помощью этого метода могут производиться волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления с затуханием от 10 до 50дБ/км при длине волны 850нм.

Используется еще один метод изготовления заготовки, когда стержень из коммерчески доступного кварцевого стекла используется лишь в качестве сердцевины, а во время вытягивания вокруг него накладывается оболочка из прозрачной пластмассы с низким показателем преломления. При этом достигаются величины затухания от 5 до 50дБ/км.

Существуют также исключительно полимерные световоды, у которых сердцевина и оболочка изготавливаются из оптически чистых пластмасс с различными показателями преломления. У таких световодов затухание по результатам измерений составило от 100 до 400дБ/км при длине волны 600нм.

Изготовление заготовки методом осаждения стекла из паровой фазы

Прорыв в производстве волоконных световодов с крайне малым затуханием был достигнут только с помощью различных методов парофазного осаждения — способа, который впервые был использован в 1970 г. американской фирмой Corning Glass Works. При этом осаждение стекла может происходить на внутренней поверхности вращающейся ОКТ (метод внутреннего парофазного осаждения), на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (метод внешнего парофазного осаждения) или на торце поверхности стержня из кварцевого стекла (метод осевого парофазного осаждения). Сравнительные данные, характеризующие технологические методы производства заготовок на базе осаждения стекла из паровой фазы, приведены в табл. 3.6. Таблица 3.6. Сравнительные характеристики различных технологических методов производства заготовок

Энергия, необходимая для осаждения стекла при методе внутреннего паромного осаждения, может быть получена либо снаружи от кислородно-водородной газовой горелки (модифицированный метод химического парофазного осаждения), либо изнутри от плазменного пламени (плазменный метод химического парофазного осаждения), рис. 3.7. При этих методах осаждение стекла происходит за счет реакции разложения сильно летучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени. В настоящее время в промышленном серийном производстве заготовки для много- и одномодовых световодов изготовляются этими методами. Так одномодовые ОВ имеют самое низкое затухание (0,2дБ/км при длине волны 1550нм) и малый коэффициент дисперсии (< 3,5пс/нм км в диапазоне длин волн от 1290 до 1330нм). С одной стороны, особое внимание уделяется выбору оптимальной скорости осаждения (т.е. количество осажденных порошкообразных частиц в минуту), которая обычно бывает в диапазоне от 1 до 5г/мин. С другой стороны, желательно увеличение размера заготовки, с тем чтобы из одной заготовки можно было вытянуть световод длиной более 100км. Рассмотрим более подробно производство кварцевого стекла методом осаждения . Оптическое волокно для передачи информации состоит главным образом из ультрачистого кремниевого диоксида (SiО₂). Сердцевина волокна, по которой передается свет, состоит из кремниевого диоксида, легированного небольшим количеством германия для увеличения показателя преломления сердцевины. Если изготовитель хочет уменьшить показатель преломления оболочки, то SiО₂ легируется фтором. Кремниевый диоксид поглощает мало света, что делает его наиболее подходящим материалом в изготовлении ультрачистого (ультрапрозрачного) стекла. Процесс производства ультрачистого кремниевого диоксида, легированного или нелегированного, относительно прост. Он осуществлятся осаждением чрезвычайно чистого, гомогенизированого, кремниевого диоксида из SiCl₄ в паровой фазе.

Рис. 3.7. Изготовление заготовок методами внутреннего парофазного осаждения: а-плазменный; б-MCVD методы

Естественный кремниевый диоксид, например, кварцевый или кварцевый минеральный песок, не может использоваться непосредственно для производства стекловолокна. Кварц и кварцевый минеральный песок содержат недопустимые количества металлических окисей, которые должны быть удалены. Для этого жидкий тетрахлорид кремния выпаривается. Кремниевый тетрахлорид производится из естественного кремниевого диоксида за счет уменьшения углерода и дальнейшей реакции с хлором (рис. 3.8). Частичная дистилляция гарантирует, что кремниевый тетрахлорид, который должен использоваться при производстве ОВ, ультрачист. Металлы в форме металлических хлоридов, например хлористое железо, остаются как отходы производства. Кремниевый тетрахлорид также имеет другие области применения, например, в производстве ультрачистого кремния для производства полупроводников.

Рис. 3.8. Блок-схема производства ультрачистого кремниевого диоксида из естественного кварца или кварцевых минеральных песков

Следующая стадия в изготовлении стекла для ОВ — это восстановление кремниевого диоксида из кремниевого тетрахлорида (рис. 3.9). Кремниевый диоксид осаждается из паровой фазы на подходящую заготовку. Кремниевый тетрахлорид может быть легирован добавками хлоридов, прежде всего германия (GeCl₄), но иногда также фосфора (РОCl₃). Хлорид или смесь хлоридов окисляются в газовом пламени или окислительном газе в результате термической реакции при температуре приблизительно 1300℃.

Реакции заставляют очень мелкие частицы порошка кремниевого диоксида конденсироваться из пара и оседать в соответствующей заготовке. Излишки воды в кремниевом диоксиде эффективно удаляются газом хлора, так как реакция воды и хлора формирует соляную кислоту, которая получается при температуре около 1000℃. Удаление воды (дегидратации) способствует улучшению передачи света через готовое стекловолокно. Пористый кремниевый диоксид затем спекается при повышенной температуре 1200℃ и кремниевый диоксид формируется в твердое, свободное от пузырьков воздуха стекло.

Рис. 3.9. Осаждение кремниевого диоксида при высокой температуре в ультрачистой кварцевой трубке при MCVD процессе

Модифицированный метод химического парофазного осаждения (МСVD)

Этот метод изготовления заготовок для производства волокон был сначала описан в работах Лаборатории Бэлла в 1974 г. Модифицированный метод химического, парофазного осаждения MCVD стал одним из наиболее испытанных и проверенных методов, используемых для изготовления волоконно-оптических заготовок. Процесс прост, гибок и легок в производстве. Простота его выполнения наиболее подходит для научных исследований в области оптических волноводов. Крупномасштабное использование этого метода осуществлено фирмой Lucent Technologies в США и многими другими изготовителями США, Японии и Европы. Метод позволяет осуществить вариацию множества параметров, например, диаметра готового многомодового или одномодового стекловолокна, числовой апертуры (NA) и профиля показателя преломления. Эти параметры могут меняться в зависимости от количества пара кремниевого диоксида и примесей легирования, при этом весь процесс управляется и контролируется компьютерами.

Рис. 3.10. Непосредственные составляющие ОВ

При методе MCVD сверхчистый кремниевый диоксид (всегда легированный для сердцевины) осаждается на внутренней части стеклянной трубки, которая затем подвергается воздействию повышенной температуры (газовое пламя). В результате трубка приобретает форму твердого стеклянного стержня диаметром около 30 — 40мм и длиной 1000мм., т.е. имеет готовый профиль стекловолокна. Этот процесс также включает вытягивание стержня (называемого заготовкой) в стекловолокно, которое является оптическим волноводом.

Процесс осаждения фазы основан на высоком температурном окислении SiCl₄, и окислении легирующих примесей. Процесс занимает около восьми часов, в зависимости от размера заготовки. Этот процесс одинаков как для одномодовых так и многомодовых волокон. Составляющие сердцевины и оболочки ОВ в виде примера представлены на рис. 3.10. Процесс осаждения начинается с вымывания очень чистой, высококачественной ОКТ кремнезема в кислотной ванне, затем трубка фиксируется в токарноподобном устройстве, где вращается вокруг центральной оси. Кислородно-водородная горелка перемещается в двух направлениях вдоль трубки, прогревает ее очень высокой температурой (рис.3.7 б). Вводный конец трубки соединен через газонепроницаемый вращающийся соединитель с системой, подающей газы. Эта система включает газовый смеситель и компьютер, регулирующий управление потоком газов (контроллер расхода массы). Эта часть аппарата должна быть абсолютно герметичной, исключать попадание загрязняющих веществ из системы ввода и обеспечивать точную пропорцию подачи газов. Из другого конца трубки (выходного конца) удаляются лишние материалы.

Рис. 3.11. Процесс сжатия трубки

В процессе осаждения точно контролируется количество химических компонентов, подаваемых в трубку с помощью подачи индивидуальных потоков газов (Ar, Не и О₂). В области повышенной температуры, создаваемой непосредственно над горелкой, SiСl₄ и легирующие примеси окисляются. При этом мелкая порошковая окись формируется из подаваемых газов по всей длине трубки. Когда тепловая энергия от горелки достигает осевшего порошка, под действием тепла порошок плавится в свободный от пузырьков, твердый, прозрачный кремниевый диоксид (легированный или нелегированный). Горелка при достижении конца трубки меняет направление движения и быстро перемещается назад по трубке к начальной точке, чтобы образовать новый слой порошка. Разнообразные легирующие материалы, подаваемые в различных количествах в течение фазы осаждения, образуют сердцевину и оболочку. Различие профия показателя преломления ОВ зависит от количества легирующих примесей. В этом методе доступ загрязняющих веществ всех видов снижен настолько, насколько это технически возможно — особенно загрязняющих веществ, содержащих водород. Загрязняющие вещества, содержащие водородные формы ОН в стекловолокне, приводят к серьезным увеличениям затухания в световодах.

Основное преимущество метода MCVD состоит в том, что структура ОВ и его свойства могут быть включены в заготовку и сохранены в готовом стекловолокне.

Относительные габариты и индексная конфигурация заготовки задаются готовому волокну в течение процесса вытяжки.

После окончания процесса осаждения выполняется в несколько этапов сжатие трубки (рис.3.11). Для этого повышается температура трубки при помощи газовой водородно-кислородной горелки до 1500 — 2000℃, при которой трубка медленно размягчается и свертывается в твердый стержень заготовки. Этот процесс является решающим для формирования заключительных геометрических свойств заготовки. Сжатие происходит, когда пламя горелки последовательно передается трубке.

Если газы, реагирующие внутри трубки, не содержат водорода, то при этом методе особого процесса сушки не требуется, так как, в общем, газ, сильно насыщенный водородом и используемый для нагрева, входит в контакт с трубкой только снаружи, другие факторы окружающей среды также не оказывают влияния.

Недостатком метода MCVD следует считать наличие большого температурного градиента между внутренней поверхностью ОКТ в месте реакции и наружной поверхностью.

Плазменный метод химического парофазного осаждения (PCVD)

Изготовление заготовок плазменным методом химического парофазного осаждения осуществляется, в основном, аналогично модифицированному методу химического парофазного осаждения. Различие заключается в технике реакции. Плазму получают путем возбуждения газа (рис. 3.7. а) с помощью, например, микроволн (сверхвысокие частоты). При этом газ ионизируется, т.е. разлагается на свои носители электрических зарядов. При воссоединении этих носителей вьщеляется тепловая энергия, которая может быть использована для плавления материалов с высокой температурой точки плавления. Так, при плазменном методе галогениды вступают в реакцию с помощью плазмы низкого давления (давление газа примерно 10мбар), и в результате соединения с кислородом образуется SiO₂. Возникающие при этом порошкообразные частицы при температуре примерно 1000℃ осаждаются в виде стеклянного слоя. Поскольку плазменное пламя движется быстро вдоль трубки назад и вперед, то за счет перемещения резонатора можно изготовить более 1000 тонких слоев, благодаря чему можно повысить точность профиля показателя преломления. Основным преимуществом метода является более низкая температура всего процесса осаждения, чем при методе MCVD. Точность изготовления профиля показателя преломления повышается.

Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)

Метод внешнего парофазного осаждения более сложен, чем метод MCVD. Однако полный объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом OVD больше, чем объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом MCVD так же в крупномасштабном производстве этот метод более эффективен, чем метод MCVD. Сложность и всесторонняя патентная защита метода OVD привели к тому, что он используется исключительно фирмой Coming Glass Work . Производство заготовки методом OVD осуществляется двумя этапами.

Рис. 3.12. Изготовление заготовки методом OVD

Первый этап включает в себя осаждение порошка кремниевого диоксида с или без легирующих примесей (см. описание процесса MCVD) на тонком стержне. Горячий поток частиц кремниевого диоксида проходит по поверхности стержня, некоторые из них прилипают к стержню, вращающемуся вокруг своей оси вдоль горелки (рис. 3.12).

Пористая заготовка создается слой за слоем. При этом некоторые частицы спекаются.

После осаждения достаточного количества стекла для сердцевины и оболочки, процесс останавливается, и начальный стержень становится заготовкой. В процессе изготовления заготовки кислород (O₂ вместе с другими легирующими добавками, необходимыми для обеспечения нужного профиля показателя преломления, например с металлогалогенидами (SiСl₄, GeСl₄, BСl₃, РСl₃), подается в горелку и там преобразуются в соответствующие оксиды. Оксиды образуют малые порошкообразные частицы, которые осаждаются на вращающемся стержне. Если стержень также перемещается назад и вперед вдоль продольной оси, то получается слоистая пористая стеклянная заготовка. Каждый слой может легироваться по-разному, т.е. к основному материалу (SiО₂) может быть добавлено определенное количество примеси. Для градиентных профилей показателя преломления легирование сердцевины с помощью GeO₂ уменьшается от первого слоя к последующим непрерывно до тех пор, когда будет осаждаться SiO₂ в чистом виде. Соответственно для ступенчатых профилей показателя преломления легирование сердцевины посредством GeO₂ остается постоянным от слоя к слою.

Рис. 3.13. Усадка пористой заготовки

Второй этап изготовления заготовки предусматривает процесс усадки пористого стержня. Пористая форма заготовки в управляемой печи нагревается сначала в среде газа хлора, а затем позонно нагревается до температуры 1400-1600℃, при которой частицы кремниевого диоксида спекаются в твердый, свободный от пузырьков стеклянный стержень — заготовку (рис. 3.13). Пустоты из начального стержня в основном схлопываются в течение этого этапа, отверстие по центру заготовки тоже исчезает. Во время спекания заготовка постоянно омывается газообразным хлором с тем, чтобы удалить из стекла, по возможности, все следы воды, так как в противном случае следует ожидать больших величин затухания.

В целом описанные выше этапы метода OVD включают в себя пять основных последовательных циклов: очистка материалов, транспортировка реагирующих материалов к тепловой зоне, химическая реакция и формирование частиц, осаждение частицы на начальный стержень или заготовку с уже имеющимся напылением, дегидрация и спекание.

Метод осевого парофазного осаждения (VАD)

Этот метод, разработанный в Японии, является альтернативой методу OVD. При методе осевого парофазного осаждения порошкообразные частицы, образуемые с помощью кислородно-водородной горелки, осаждаются на торцевую поверхность вращающегося стержня из кварцевого стекла (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Принципиальная схема, показывающая VAD метод изготовления заготовок

Аксиальное осаждение частиц кремниевого диоксида при этом методе происходит не радиально как в OVD; что делает более трудным процесс изменения индексного ППП, но позволяет проще изготавливать более длинные заготовки. Производственная система состоит из механизма для осевого движения заготовки, вакуумной камеры, горелки, выпаривающего модуля для составляющих сырья и блока управления. Заготовка вытягивается медленно, вертикально вверх через производственное оборудование. Сырье (SiСl₄, GeСl₄ и РОСl₃) вводится таким же образом как в OVD; используется газовая водородно-кислородная горелка и чрезвычайно мелкие стеклянные частицы, сформированные в процессе реакции теплового гидролиза. Эти частицы оседают на поверхности стержня с уже имеющимся напылением, который функционирует как основа для наращивания заготовки. Пористая заготовка наращивается вдоль оси стержня и увеличивается в направлении роста заготовки. При этом расстояние между горелкой и растущей в осевом направлении заготовкой должно оставаться постоянным. Можно также использовать несколько горелок одновременно, для того чтобы обеспечить требуемые показатели преломления сердцевины и оболочки. В зависимости от конструкции горелок и их расстояния от стержня, а также от температуры при осаждении можно изготавливать различные профили показателя преломления.

Превращение в прозрачную заготовку (остеклование) осуществляется с помощью кольцеобразной печи по окончании осаждения. Для сушки, т.е. удаления остатков влаги, в процессе усадки заготовка омывается газообразным хлором.

Важными элементами процесса изготовления заготовки методом VAD являются: постоянный процесс роста; точный контроль над потоком сырья; точный контроль относительно выхода избыточных материалов; температура пламени; поверхностная температура зоны роста заготовки; скорость вращения заготовки; позиция зоны роста заготовки.

Вариации в позиции зоны роста дают флуктуации в индексной конфигурации готовой заготовки. Осевая скорость изготовления заготовки — приблизительно 40 — 60мм/час. Чтобы получить световод с более толстой оболочкой, можно после этого на заготовку надвинуть трубку из кварцевого стекла в соответствии с методом «стержень в трубке», используемую в качестве оболочки.

Вытяжка оптического волокна

Для вытяжки кварцевого ОВ применяют установку вертикального типа (рис. 3.15), которая состоит из каркаса 1, узла подачи заготовок 2, печи 3, системы измерения диаметра ОВ 4, узла нанесения ПЗП на ОВ 5, системы контроля концентричности ПЗП б, системы отверждения ПЗП 7, измерителя диаметра но ПЗП 8, тягового устройства 9, системы испытания ОВ на механическую прочность 10 — 12, компенсатора 13, приемного устройства 14, системы управления 15, систем газоснабжения, водоснабжения, освещения, вентиляции.

Каркас помещен на специальные резиновые амортизаторы, которые до минимума снижают вибрацию всей установки. Заготовки крепят в узле подачи заготовок с помощью зажима цангового типа.

Подачу заготовки осуществляют с помощью прецизионного винтового приспособления. Центрирование заготовки по оси Х и Y происходит автоматически.

Дополнительно предусмотрен ручной режим центрирования заготовки. Узел подачи заготовки может иметь дополнительный привод, обеспечивающий вращение заготовки с одновременным ее продольным перемещением.

Печь для вытяжки ОВ должна обеспечивать оптимальный температурный градиент для максимального переноса тепла к заготовке в зоне плавления и высокую чистоту атмосферы, окружающей заготовку. Основными источниками тепла для разогрева заготовок являются: газовые горелки, CO₂ — лазеры, печь с графитовым нагревателем, индукционная печь с циркониевым нагревателем, индукционная печь с графитовым нагревателем.

Система измерения диаметра ОВ основана на использовании лазера (метод лазерного сканирования), который обеспечивает точность ±0,5мкм измерения даже при вибрации ОВ.

Узел нанесения первичного зенитного покрытия на ОВ позволяет наносить полимерный материал на поверхность ОВ. Слой ПЗП должен быть концентричным, постоянным по толщине, не иметь посторонних включений.

Система контроля концентричности первичного ПЗП основана на явлении дифракции и интерференции света. Концентричность покрытия относительно ОВ измеряют с помощью гелий-неонового лазерного интерферометра. В зависимости от наблюдаемой картины узел нанесения ПЗП перемещают вручную или автоматически, добиваясь наилучшей концентричности. Точность нанесения однослойного покрытия ±1мкм, для двойного ± 2мкм.

Система отверждения ПЗП выполняется двух типов: тепловая или ультрафиолетовая. Тепловая система представляет собой печь (или печи), в которые при необходимости подают инертный газ. Температура в печи достигает 800℃, количество печей в зависимости от скорости вытяжки может достигать трех, точность поддержания температуры +2℃.

УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов, кремнийорганических компаундов и уретанакрилатов. Полимеризация осуществляется в атмосфере азота, что в значительной мере ускоряет весь процесс.

Рис. 3.15. Схема установки для вытяжки ОВ

Измеритель диаметра по ПЗП аналогичен измерителю диаметра ОВ.

Тяговое устройство ременного типа обеспечивает постоянство скорости с точностью 0,5%.

Система испытания ОВ на механическую прочность предназначена для выявления механических дефектов ОВ по всей его длине. Принцип действия заключается в перемотке ОВ при заданном напряжении, которое можно создать путем приложения к ОК растягивающей нагрузки или одновременно растягивающей и изгибающей нагрузок.

Процесс вытяжки ОВ на примере оборудования фирмы Ericsson Cable АВ происходит следующим образом. Готовый стержень, независимо от метода его изготовления, вытягивается в волокно в башнях высотой приблизительно 12м. Процесс вытягивания (рис. 3.16) начинается наверху башни, где стержень заготовки зафиксирован в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки помещен в печь, и нагревается до температуры 2000℃. Графитовый нагревательный элемент защищен инертной атмосферой аргонового газа. Заготовка медленно опускается сверху в печь, в то время как стекловолокно вытягивается вниз и выходит из печи. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируется машинной системой управления.

Рис. 3.16. Процесс вытяжки оптических волокон

Немедленно под печью управляемый лазером прибор измерения проверяет диаметр стекловолокна. Полученные значения подаются назад к системе управления, которая управляет скоростью кабестана вытягивания внизу башни. Увеличение диаметра волокна приводит к увеличению скорости вытягивания и наоборот. Обычное волокно имеет диаметр 125±2мкм и скорость вытягивания — обычно 3-10м/с. Стекловолокно охлаждается окружающим воздухом. Изготовленное стекловолокно имеет те же самые геометрические отношения между оболочкой и сердцевиной, что и заготовка. Стекловолокно покрывается защитным слоем акрилата (первичным покрытием) во время процесса вытягивания. Первичное покрытие состоит из двух слоев акрилата, более мягкого внутреннего слоя и жесткого внешнего слоя. Первичное покрытие из акрилата увеличивает прочность волокна; защищает от влаги (ОН) и против микроизгибов; облегчает прокладку.

Сразу после наложения первичное покрытие подвергается обработке УФ облучением. При первичном контроле диаметра проверяется диаметр первичного покрытия и концентричность волокна. Готовое волокно будет иметь диаметр 245±10мкм.

После вытяжки волокно проходит тестирование на прочность. Для этого оно подвергается механическим воздействиям. При обнаружении трещин или других повреждений оно бракуется. Это испытание называется проверкой прочности и означает, что волокно подвергается указанному натяжению в течение 1с. Трещины в волокне могут привести к его разрыву. После проверки прочности волокно транспортируется в лабораторию, где испытывается в экстремальных условиях. Из одной заготовки в условиях этой фирмы обычно получается 50-150км волокна.