?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Где растут алмазы

— Наука не имеет национальности, она существует для всех.
— Ответственность — наше основное конкурентное преимущество.

из интервью В.Д. Бланка

Для большинства из нас алмазы — это блестящие женские украшения высокой стоимости. Кто-то скажет побрякушки, кто-то — хорошее вложение. Но в любом случае тема будет крутиться вокруг ювелирных изделий. Можно еще вспомнить восточные традиции, где самым привилегированным врагам предлагали чашечку кофе с толчеными алмазами. Возможно, некоторые вспомнят про Шерлока Холмса, незаконно проникавшего на частную территорию путем взлома оконного стекла. Если ничего не путаю, делал он это при помощи алмазного перстня. Уже теплее. Ну и самые продвинутые, конечно, знают, что алмаз, это не только ювелирка, но и множество технологий для науки и производства. И как по мне, так это гораздо интересней классического способа употребления (я не про кофе). Именно поэтому, мы с Михаилом Фединым, Троицким активистом и популяризатором науки, сидим в кабинете Директора «ТИСНУМ»* — Бланка Владимира Давыдовича.





ТИСНУМ разрабатывает теорию, продумывает технологии, воплощает в жизнь изделия из сверхтвердых материалов. Вот такой список разработок, числится за ТИСНУМом:

— Теплоотводы
— Оптические окна
— Микрохирургические лезвия
— Полупроводниковые пластины (алмазные, да, это не ошибка)
— Чувствительные элементы для датчиков ионизирующего излучения
— Сопла для гидроабразивной резки из монокристалла алмаза
— Наковальни высокого давления
— Резцы для буровых установок
— Алмазная микромеханика
— Твердосплавный инструмент (вот это не алмазы, это другие интересные материалы)
— Приборы и технологии необходимые для использования и получения всего вышеописанного

И еще много всего от чего захватывает дух!



Предприятие сотрудничает с иностранными партнерами. Иностранные компании — это конкуренция, тут надо убедить весь мир, что ты самый лучший в своей области, в том числе и по цене. То есть выиграть тендер и ТИСНУМ с успехом справляется с этой задачей. Вот например: одно из ведущих направлений разработок и производства для ТИСНУМ: оптика для рентгеновских лазеров на свободных электронах. Оказывается сейчас, получаемые с ускорителей пучки фотонов используют в том числе в медицине, для высокоточной микроскопии. В частности, можно попытаться увидеть дефект генома эмбриона. И это не медицинская фантастика, такой ускоритель заработал в 2012 в США и работает он на оптике, изготовленной в ТИСНУМ. Алмазная оптика не только исключает потери на рассеивание, так как счёт дефектам кристаллической решетки углерода, выращенной искусственно, идёт на штуки в атомах. При проектировании ускорителя проектировщики попробовали сэкономить и поставили оптику на медные винты. При включении нагрузки в пучке осталась только алмазная оптика, а крепёж благополучно испарился. Потому в таких проектах востребованы не только оптические элементы из алмазов, но и алмазная микромеханика. Вот эти шестеренки по-настоящему «брильянтовые». У таких деталей точность изготовления намного выше, чем у металлических.

Ну а в нашей стране таких программ высокоточной диагностики увы, пока нет. Будем надеяться что «пока».



Фото с сайта ТИСНУМ. Автор фото: Сергей Новиков



На следующем фото: так растет на металлической подложке кристалл алмаза по технологии высокого давления и температуры HPHT** при газофазном синтезе.



Темный он потому, что сверху покрыт аморфным углеродом. Если такой алмаз огранить и отполировать, то он все равно будет коричневатый. Это эффект связан с поверхностным напряжением. Оказывается не только стали после ковки отпускают, но и алмазы после «выпечки» тоже надо отжигать для отпуска и снятия напряжения. Только после этого мы получим чистый белый алмаз. Кстати, совершенно не интересный для ювелиров. Слишком он чистый. В ювелирном деле ценятся индивидуальные, интересные камни, а на языке кристаллографии это означает наличие примесей и дефектов. Наука же требует абсолютно чистых, беспримесных и бездефектных камней, причём в виде стабильного, повторяемого результата. Поэтому искусственные алмазы и ювелирные — это две почти не пересекающиеся области и у них совершенно разные целевые аудитории.

Кроме оптически прозрачных и невероятно чистых изделий, ТИСНУМ производит и другие полезные алмазные изделия. Как мы все знаем алмаз — штука очень прочная. Поэтому из него можно, например, сделать лезвие скальпеля, для операции на глазах.



Синее в нашем случае оно потому, что с прозрачным тяжело работать, его плохо видно. Вот и красят их путём присадок. Или не красят, если скальпель будет работать в непрозрачных средах, например, в нейрохирургии. Это уж как заказчику удобнее. Инструмент этот намного превосходит металлические аналоги, им с удовольствием пользуются те хирурги, кто может себе позволить заказать и купить такой скальпель, но какого-то госзаказа на них не существует. Может быть и будет и тогда в наших клиниках появятся такие скальпели (пока я его фотографировала меня на два голоса уговаривали скальпель не трогать и не прикасаться — режет нежно, не нарушая сна).

Спрашиваем у Владимира Давыдовича, чем еще полезны алмазы в науке и производстве:
— Например, переход с кремниевого спектрометра на алмазный позволяет улучшить разрешение в 8 раз. А ещё алмазы во всем мире используются в рабочих головках буровых установок.

Хотя алмаз и славен своей прочностью и хрупкостью, но ТИСНУМу удалось добиться того, что их алмазные пластины толщиной 20-30 микрон можно гнуть. (Пока весь мир бьется над гнущимся экраном телефона, они гнут алмазы). Владимир Давыдович говорит, что данный результат был давно предсказан и упругость алмаза описывалась еще в учебниках середины 60-х годов.

А мне дали поиграть вот такую штуку — это модель молекулы Фуллерена (С60)



Во всех узлах этой структуры стоят атомы углерода. Каждый пятиугольник окружён со всех сторон шестиугольниками. Футбольный мяч видели? — Ну вот, один в один. Это не графит и не алмаз. Сначала было предсказано, что углерод может образовывать подобные структуры, а в 85 году англичане получили С60 экспериментально.

Сейчас этот материал используются при изготовлении ядерного топлива, которое представляет собой сложную композитную конструкцию. В целом эта группа материалов считается очень перспективной. На основе Фуллерена в ТИСНУМ получен — ультратвердый фуллерит. Это материал, которым можно исследовать алмаз на твердость. Да, такая штука царапает алмаз.

Владимир Давыдовыч и Фуллерен :)



Фуллерены, это здорово, но нас не отпускают алмазы, наверное мы, как сороки, падки на все блестючее. Нам не терпится посмотреть на инкубатор, где их выращивают и потому нас передают из рук в руки Безкоровайному Сергею Вячеславовичу, главному по выращиванию алмазов и мы едем Технопарк «Тиснум» — это научно-производственная площадка, которая находится в совместном использовании у концерна из частных производственных компаний.



В настоящее время мир знает два основных отработанных способа выращивания алмазов:
— из газовой фазы
— в камерах с большими давлениями и температурами

Технопарк применяет исключительно те технологии, что были разработаны на научной базе ТИСНУМ. Первым делом мы попадаем в цех, где растут алмазы. Если кто-то ожидает увидеть стекла, белые халаты, какие-то космические виды, то ничего такого. Вот так выглядит линия роста монокристаллов алмаза.



В рабочих камерах этих установок создается очень большая температура и давление. Кроме нас, такие линии есть в США и в Японии.

— Есть ли ограничения на размер выращенных искусственно алмазов?
— Есть чисто технические ограничения, но если у вас много денег, можно вырастить и больше. Сейчас ТИСНУМ переходит с размера оптических элементов 10х10 мм на размер 15х15 мм. Но есть в закромах и амбициозная задача вырастить 50х50 мм.

Цех введен в работу в 2015 году, а установку оборудования начали в 2012 году — тогда тут стояло две установки. Сейчас их 52.



За основу установки взят пресс рязанского производства. Сейчас в Рязани их уже не делают и те прессы, что мы видим, собирали буквально штучно по всей стране и даже за рубежом. Говорят, что конкуренты не смогли до сих пор добиться нужных характеристик при помощи устройств настолько же скромных габаритов и цены. Западные аналоги существенно больше и на порядок дороже.

Разумеется, пресс доработан под требования технологии. Усилие Давление, которое создаёт пресс 2 500 тонн. Внутри рабочей камеры создается давление до 60 000 атмосфер.



Система управления автономна на каждый пресс. На случай отключения электричества есть вторая линия питания и дизель-генераторы. Программы управления процессами — собственная разработка ТИСНУМ. В качестве сырья — чистый углерод.

Данный цех обслуживают два оператора на моменты загрузки и выгрузки. Все остальное время алмазам для роста персонал не нужен — отличные питомцы, ни поливать, ни подкармливать … хотя подкорм загружают сразу. Контроль процесса производится удаленно.

В цеху большого давления производится 22 номенклатуры продукции. Это и алмазная оптика, и скальпели, это и теплоотводы для микросхем, использующихся в атомных реакторах. Сейчас ведутся переговоры с автопроизводителями, которые заинтересованы в установке алмазных датчиков в рабочих камерах двигателей. Космос и авиация, также замечены в интересе к этому виду продукции.

Выход алмазов, которые могут применятся в высоких технологиях у этого цеха более 80%.

И, мы наконец добрались до буровых!
В этом цеху есть камеры, где всего за 40 минут спекаются композитные режущие элементы для бурения: основа твердый металлический сплав, режущий слой — графитизированный алмаз. Алмазная крошка покупная, разработка ТИСНУМ — технология спекания композита из металла и алмаза в единый «пирожок».

На фото: камера в которой запекали резец



Раньше в буровых установках стояли твёрдые сплавы. Сейчас алмаз по цене стал конкурентноспособен, а породу он проходит намного лучше и буровые стараются пользоваться алмазными резцами. ТИСНУМ разработал алмазные резцы, готовые к использованию в буровых. На первом этапе цех готов закрыть 15% отечественной буровой потребности, при расширении производства, сможет закрывать до 80-90%. Изделие прошло испытания и сертификацию, есть экспертное заключение, есть результаты бурения. Это тот самый случай, когда для импортозамещения, причем высокотехнологичного импортозамещения, готово все. Но не так-то и просто влезть на уже занятый рынок, но мы пожелаем ТИСНУМу удачи!



Перед нами рабочая часть бура. Вот это черное — алмаз. Таблетки эти бывают разных размеров: 8, 13.5, 16 мм — самые ходовые.. В зависимости от размера и качества алмазного слоя цена такого изделия на рынке от 40 до 50 долларов.

Фото из интернета: вот так выглядит бур «заряженный» такими же таблетками, как мы рассматриваем



Когда все это затевалось, 8 лет назад и в цеху роста монокристаллов стояло два рязанских пресса, по проекту таких прессов должно было быть около 170 для обеспечения выхода цеха на производственные мощности и объемы. За эти 8 лет технология была усовершенствована настолько, что те же объемы без снижения качества могут быть достигнуты на 30 установках. Первые прессы работали практически в серийной сборке, следующие прессы перебирались и дорабатывались под нужны производства так, что от серийных моделей оставалось процентов 50, потом 20.

По ночам местные домовые играют буровыми резцами в го …



Вся оснастка для производства производится тут же, самостоятельно. А так как нагрузки большие и она изнашивается, то есть отдельный слесарный цех, оборудованный хорошими станками с ЧПУ. В углу слесарного цеха «скромно» пристроилась американская установка водо-абразивной резки. Установка американская, а алмазная форсунка в ней стоит родная — ТИСНУМовская.



Ржавые болванки — на самом деле какая-то очень хитрая и специальная сталь и получены они ковкой.



Выборочно продукция проходит проверку боем на твердость.



Доморощенные приборы тут тоже есть - вот этот малыш например собственной сборки.



А вот на контрасте — оранжевый монстр — немецкий пресс, усилием 3500 тонн



Электро-эрозионная резка. Ею обрезают заготовки.
Вопрос: Как же можно обрезать алмаз?
Ответ: проволокой. По сути она не режет, а испаряет материал вокруг себя.





Еще часть работ ТИСНУМа — напыление твердых сплавов на головки инструментов для металлообработки и для других нужд.





ТИСНУМ занимается подготовкой кадров — у них есть кафедра в Физтехе. Регулярно на работу принимается молодёжь. Есть у ТИСНУМ и жильё для иногородних сотрудников. Так же как и здание, где находится исследовательский центр, жилые корпуса построены на собственный бюджет, как результат успешной коммерческой деятельности.

Мы завершаем нашу экскурсию и я искренне желаю предприятию новых открытий, прорывных исследований и конечно же, удачного завоевания рынка!

Справка:
* Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов».
ФГБНУ ТИСНУМ основан в 1995 году как Научно-технический центр «Сверхтвердые материалы» (НТЦ СТМ). В 1998 году приказом Министерства науки и технологий реорганизован в Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов. Организационно-правовая форма ТИСНУМ – бюджетное научное учреждение. Ведомственная принадлежность – Министерство образования и науки Российской Федерации (Минобрнауки России).
В 2008 году на факультете молекулярной и биологической физики МФТИ создана кафедра «Физика и химия наноструктур». ТИСНУМ определен базовой организацией, осуществляющей подготовку магистров по направлению «Прикладные математика и физика» по магистерской программе «Химическая физика».

** HPHT – процесс выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50-70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза.

Posts from This Journal by “наука” Tag

promo _twin_ december 16, 10:35 3
Buy for 10 tokens

Comments

peter_hrumov
Apr. 6th, 2018 07:25 am (UTC)
А, они там еще гонят, что клиенты не блестящие штучки покупают, а вечность!
Гы-гы :) Так-то алмаз -- метастабильное состояние углерода. Просто графит или сажа стабильнее. Так что кто хочет вечности, пусть покупает карандаши :))))
Ну и алмазы горят. Оставишь при пожаре в доме, скажи им бай-бай.
_twin_
Apr. 6th, 2018 07:26 am (UTC)
Потом на пожарных все свалят ....

Profile

Варежка
_twin_
Твин

Метки

Powered by LiveJournal.com
Designed by yoksel