Vojenská revize

Tenký materiál pro extrémní případy

8
Tenký materiál pro extrémní případyJSC NII Elpa je ruský podnik, který vyrábí produkty vyrobené z piezokeramiky, křemene, niobátu a lithium tantalátu, které nemají obdoby. Sergey Nersesov, generální ředitel Výzkumného ústavu Elpa, řekl pozorovateli Military Industrial Courier o lepších ruských gyroskopech založených na piezoelektrickém jevu a o tom, jak měří hladinu oleje v nádržích.

– Sergeji Surenoviči, letos váš podnik slaví výročí. Začněme s příběhy "Elpy". Jaké výzvy tehdy před vaší společností stály?

– Myšlenka vytvořit institut, který se zabývá problematikou piezotechniky, se objevila již dávno. Koncem 50. a začátkem 60. let, kdy v Sovětském svazu vznikla naléhavá potřeba domácí výroby piezokeramiky a přístrojů na nich založených, stanovila Rada ministrů za úkol zorganizovat výrobu tohoto materiálu. Tehdy bylo hlavním úkolem poskytnout naší ponorkové flotile takříkajíc „oči a uši“ – hydroakustické systémy. Již tehdy bylo zřejmé, že problém nelze vyřešit bez piezokeramických zařízení.

V rámci NPO Fonon (dnes toto vědecké sdružení již bohužel neexistuje) byla skupině odborníků přidělena laboratoř a několik výrobních zařízení pro výzkum a poloprovozní výrobu první domácí piezokeramiky. Navzdory složitosti úkolu se vědci vypořádali dostatečně rychle a v krátké době byli schopni zahájit syntézu nových materiálů. Ale s ohledem na požadované objemy pro výrobu piezokeramických výrobků bylo rozhodnuto vytvořit plnohodnotnou výrobu. Od tohoto okamžiku vede Výzkumný ústav "Elpa" svou vlastní historii. Zpočátku jsme byli pobočkou NPO Fonon se závodem Piezoelement, ale později jsme se stali zcela samostatným podnikem.

Poprvé byla výroba založena v nečinné kotelně ve vesnici Kryukovo. Poté již byla postavena první a později i druhá budova. V současné době je naše výrobní plocha 25 tisíc metrů čtverečních. Úplně první výrobní budovu jsme si ale nechali v kotelně. Navíc zde byly nasazeny moderní high-tech linky na výrobu piezokeramiky.

- Je čas prozradit našim čtenářům, co je to piezokeramika a kde se kromě hydroakustiky používá?

– Piezokeramika označuje feroelektrické materiály s piezoelektrickými vlastnostmi. Většina moderních piezokeramických materiálů je vytvořena na bázi oxidů zirkonia, titanu a olova - PZT. Při syntéze piezokeramiky vzniká polykrystalická struktura z četných krystalických bloků (domén), z nichž každý se skládá z mnoha jednotkových buněk (dipólů) a má krystalickou strukturu perovskitového typu. V procesu polarizace (expozice stejnosměrnému elektrickému poli) jsou dipóly orientovány ve směru pole a svou orientaci si zachovávají i po ukončení expozice. Abych tak řekl, zapamatujte si orientaci. V procesu polarizace získává keramika piezoelektrické vlastnosti. Přímý piezoelektrický jev spočívá v tom, že při mechanické deformaci piezoelektrického vzorku vznikají na opačných stranách elektrické náboje stejné velikosti, ale opačného znaménka. Inverzní piezoelektrický jev – při přivedení napětí na piezoelektrický vzorek se změní jeho lineární rozměry.

Tenký materiál pro extrémní případy
Koláž od Andrey Sedykh
Pokud se budeme bavit o praktické stránce věci, dnes jsou piezokeramické výrobky žádané v různých oblastech národního hospodářství, včetně jaderného průmyslu, obranných systémů, včetně již zmíněných úkolů sonaru ve vodním prostředí. Používají se také v ropném průmyslu. Piezokeramické výrobky se používají zejména pro těžbu ropných vrtů, v systémech pro ultrazvukovou diagnostiku a monitorování potrubí a zařízení pro skladování ropy.

Rád bych poznamenal, že výroba piezokeramiky, stejně jako senzorů a citlivých prvků na ní založených, existuje jen v několika zemích. USA mají dobrou vědeckou školu, vědci mají ve světě určitou váhu. Americké firmy, které vyrábějí piezokeramiku a výrobky na ní založené, prosazují agresivní obchodní politiku.

Práce na piezokeramice probíhají také v Evropě, především v Německu. Německá společnost "Physic Instruments" je jedním z lídrů v této oblasti. Na asijském trhu pracují Japonci s piezokeramikou a v poslední době mají dobré výsledky Číňané.

Loni byli naši specialisté na výstavě v Hannoveru. Abych byl upřímný, šli jsme, jak říkám, „na průzkum“: abychom pochopili, zda jdeme správným směrem a co se můžeme naučit od našich zahraničních kolegů. Bez falešné skromnosti řeknu: naše výrobky nejenže nejsou v žádném případě horší než ty americké, a tím spíše evropské, ale v určitých ohledech jsou lepší. Jdeme tedy správným směrem.

Je třeba chápat: vše, co souvisí s piezokeramikou, je spíše uzavřené. Výrobní společnosti nepropagují své produkty, jejich parametry a tím spíše technologie.

– Ale přesto, co můžete říci o svých produktech?

– Náš materiál pracuje v teplotním rozsahu 360 stupňů. Specialisté Elpy ale upozornili na skutečnost, že naši zahraniční konkurenti mají jistý pokrok v přechodu na vyšší sazby. Proč? Především je to nutné pro vědce motorů a raket. Výrobky s takovými piezokeramickými prvky lze použít v řídicím systému trysek jako snímače vibrací a tlaku.

Po vyhodnocení trendu jsme se rozhodli neomezit se na tradiční oxidy zirkonu, titanu a olova, ale experimentovat s novými materiály. Konkrétně experimenty s oxidem skandičitým začaly před třemi lety. Pomocí něj jsme obdrželi piezoelektrické prvky schopné pracovat v rozsahu až 450–500 stupňů. Ale to je jen začátek - možná půjdeme o 700 stupňů. Porovnali jsme je s evropskými a americkými produkty a uvědomili jsme si, že jsme zde napřed.

Chci poznamenat, že vysokoteplotní piezoelektrické prvky byly vyrobeny na objednávku Rosatomu. Specialisté ze Sarova potřebovali senzory pro aktivní zóny reaktorů a my jsme jim v této věci pomohli.

Ale chloubou našeho podniku je tenkovrstvá piezokeramika. Vyrobí se vrstva o tloušťce 10 až 100 mikronů a z takových vrstev se vytvoří piezoelektrický balíček dosahující tloušťky 2 až 100 milimetrů. Piezoelektrický obal, pokud je na jeho strukturu aplikován určitý potenciál, může provádět dostatečně velké posuny, v některých případech až 100 mikronů.

Je pozoruhodné, že pokud je pro řízení tvrdé keramiky vyžadováno použití potenciálu až jednoho kilovoltu, pak je pro tenkovrstvou keramiku zapotřebí 90 až 150 voltů. Ve skutečnosti jsme nechali „nástrojové inženýry“ řídit procesy s nižším napětím. A to je menší ztráta a lepší zabezpečení.

V roce 2006 jsme si uvědomili, že fyzici ve světě aktivně pracují na vytvoření tenkovrstvé piezokeramiky. Od roku 2007 začali sami pracovat tímto směrem. Je pravda, že jsem musel koupit vybavení v zahraničí. V Rusku tehdy nic takového nebylo.

A co si myslíš ty?! Nikdo nám potřebné vybavení neprodal. Ani Američané, ani Němci, ani Izraelci. Všichni, kteří pochopili, proč takovou techniku ​​potřebujeme, vylíčili naprosté zmatení. Abych tak řekl, uvalil nevyslovené veto.

Ale našli jsme možnosti. Potkali nás naši bratři-Slované ze slovinského podniku "KEKO". Slovinci už vyrobili to, co potřebujeme pro německé „Bosch“ a „Siemens“. I když jsme byli okamžitě varováni: dáme zařízení, ale ne technologii. Ale nákupem zařízení jsme doslova za tři roky, počínaje krizovými lety 2008-2009, sami vyvinuli a zvládli technologii na výrobu tenkovrstvé piezokeramiky prakticky od nuly. Elpa je v současné době jediným výrobcem tenkovrstvé piezokeramiky v Ruské federaci a na jejím základě vytvořených tzv. aktuátorů, které nabízíme na trhu od roku 2011.

K čemu se používá tenkovrstvá piezokeramika?

- Nejprve k akčním členům, které jsem již zmínil. Tedy přesná zařízení pro obzvláště přesné pohyby. Na jejich základě jsou vytvořeny manipulátory pro přesné optické systémy, adaptivní optiku a samozřejmě pro avioniku.

V přesných optických systémech existují takzvané steppery, které promítají obraz přes fotomasky na křemíkové destičky. Aby se však vrstvy přizpůsobily a spojily, je zapotřebí obzvláště přesný pohyb pracovního stolu. Zaostření paprsku přiváděného do fotomasky a jeho pohyb tedy zajišťují právě akční členy.

V systémech adaptivní optiky vysokovýkonných laserových systémů aktuátory korigují amplitudově-fázové zkreslení a divergence laserového záření při jeho šíření v prostoru pomocí adaptivních zrcadel, konstrukčně vytvořených ve formě mozaiky složené z fragmentů s měnící se geometrií povrchu. Jejich pohyb se provádí pomocí přesných vysokorychlostních pohonů - piezoelektrických aktuátorů. Poskytují lineární pohyby v rozsahu 20-100 mikrometrů s přesností 0,01-0,1 procenta.

Takové laserové systémy jsou vytvářeny v zájmu Rosatomu pro řízení procesu termonukleární fúze. Do aktivní zóny zařízení pro simulaci jaderného výbuchu je ze tří bodů přiváděn paprsek, který vytváří teplotu milionů stupňů, která je nezbytná pro fúzi.

Uplatnění jsme našli i pro akční členy v civilním sektoru – pro systémy vstřikování paliva v dieselových motorech. Dnes tato zařízení využívají efekt magnetického zužování. Jedná se o těžko ovladatelný proces, vybroušený do určitých frekvencí. Je poměrně obtížné je zvládnout.

Nabízíme tzv. injekční stříkačku s nainstalovaným pístem. S frekvencí 100-150 hertzů vstřikuje tenký paprsek paliva přímo do trysky. Chci poznamenat, že kromě naší společnosti vyrábí takové produkty pouze Bosch. Němci už dodávají své trysky pro vozy Ford a Citroen.

Když jsme naši stříkačku vyrobili a otestovali, zkusili jsme koupit trysku od německých výrobců, podívat se, rozebrat a hlavně porovnat. Nic takového. Němci ji živou neprodají. A samotné trysky "Boshev" jsou sestaveny tak, že není tak snadné je rozebrat, a naši specialisté se tam dostali doslova pilou na železo, pomocí speciálních metod, a podívali se, jak jsou uspořádány německé ovladače. V porovnání. Chci říct, že i když jsme začínali od nuly a nevyráběli jsme podobné systémy, na rozdíl od Bosch naše produkty, mírně řečeno, nebyly o nic horší než ty německé.

Šli jsme do Moskvy a Jaroslavl stavitelů motorů. Zpočátku se k nám chovali s nedůvěrou, dokonce říkali, že to není možné, ale časem na to přišli. Nyní již motoroví inženýři v Barnaulu zahájili zkušební pokusy o sériovou výrobu našich produktů.

Ale zatím jsou našimi hlavními zákazníky podniky Rosatom. I když Roskosmos se o naši práci začal zajímat. Je třeba si uvědomit, že všechny naše produkty jsou odolné vůči záření.

Podotýkám, že naše pohony se nyní používají v letectví, v optických stanovištích a závěsných zaměřovacích kontejnerech.

Není to tak dávno, co byly pohony pro takové produkty zakoupeny v zahraničí, zejména od německých "Physicist Instruments". Loni ale Němci tyto dodávky zastavili, protože si uvědomili, k jakým účelům se jejich výrobky používají. Výrobci k nám okamžitě přišli. Nemůžeme nechat naše nativní Su a MiG bez tak důležitých systémů!

Doslova za šest měsíců jsme vyrobili piezoelektrické aktuátory s požadovanými parametry a v letech 2016–2017 na ně zahájíme dodávky. Dnes naši specialisté spolu s vývojáři KB-1 vytvářejí takzvaný piezoservo regulátor, který bude ovládat akční členy, a to vše dohromady - to už je piezoplatforma.

Další významnou oblastí je vývoj různých senzorů a převodníků. Tak vznikla například řada unikátních snímačů úhlové rychlosti nebo gyroskopů. Vlastnosti těchto snímačů jsou malé celkové rozměry, radiační odolnost a odolnost proti mechanickému přetížení. Vyvinuté senzory se v současnosti používají v optických naváděcích systémech pro rakety letadel, v torpédech zbraně, satelitní polohovací systémy. Pro jejich jedinečné vlastnosti a vysoké kvalitativní charakteristiky se o naše senzory začalo zajímat Výzkumné a výrobní centrum M. V. Khruničeva, které je součástí Roskosmosu. Práce na vývoji senzorů pro nosné rakety plánujeme dokončit za tři a půl až čtyři roky.

Chci poznamenat, že vytváření gyroskopů založených na piezoelektrickém jevu je jedním z ultramoderních, mohu-li to tak říci, globálních vědeckých trendů. V současné době se tímto směrem pohybuje řada seriózních firem, především z USA a Německa.

Naše zkušenosti z posledních let ukazují, že tuzemští vývojáři často ani nevědí, jaké produkty, technologie a technická řešení se u nás objevují! Proto jsme o krok napřed. Vyvíjíme produkty a protože si uvědomujeme, že to designéři budou brzy potřebovat, přicházíme k nim sami. Říkáme, dáváme vzorky pro zkušenost. Ať si je určitě vyzkouší, prolistují si hlavou, kde se to dá aplikovat, vytvoří si alespoň v prvním přiblížení určité nástroje a pak se je pokusí implementovat do svých návrhů. Ano, proces není jednoduchý, ale taková práce probíhá a často jsme jejími iniciátory.

- A přesto, pokud tomu dobře rozumím, zůstává výroba prvků pro hydroakustické systémy jednou z nejdůležitějších oblastí práce výzkumných ústavů?

– Od 60. let XNUMX. století spolupracujeme s takovými podniky, jako je OJSC Concern Okeanpribor a OJSC Concern Sea Underwater Weapons - Gidropribor, CJSC Aquamarine, OJSC Research Institute Atoll a také závod Dvigatel. Toto jsou naši stálí zákazníci. Aniž bych prozradil vojenská tajemství, mohu říci pouze jednu věc: mnoho vzorků ruských minových torpédových zbraní je vybaveno naváděcími systémy, které využívají naše piezokeramické produkty. Vysoce citlivé hlubokomořské piezoelektrické moduly se používají v autonomních sonarových systémech včasného varování pro ponorky a hladinové lodě.

V sonarových stanicích lodí jsou instalovány hydroakustické fázované piezoelektrické antény pro příjem a vysílání akustického signálu.

V současné době je dokončen slibný vývoj nové třídy piezokeramických materiálů, kompozitů pro podmořskou stealth technologii. S takovými materiály je možné vyvinout takzvané krycí antény, které mohou zkreslit informace, které nepřátelský PLYN přijímá ozařováním naší ponorky. Můžeme vzít jejich signál, převést ho a poslat zpět. Ve skutečnosti se člun stane pro nepřítele neviditelným. A to není fikce, ale realita.

Advanced Research Foundation převzala naše návrhy na vytvoření skrytých antén. Prozradím tajemství: společně s Okeanpriborem a Ústředním výzkumným ústavem. Akademiku Krylove, již jsme zahájili výzkumnou práci a brzy přejdeme k experimentálnímu designu. Na téma „Corsair“, to je název výzkumu, vyrábíme zářič na základě nových piezokeramických materiálů pro Oceanpribor a o něco později by se měl zapojit i Krylův institut - budou přemýšlet, jak do nich osadit krycí antény. obrysy ponorek. Zadávací podmínky pro Corsair jsou již připraveny a schváleny ministerstvem obrany a plánujeme dokončení výzkumu a vývoje do roku 2017.

– Zmínil jste, že vaše produkty se používají v ropném průmyslu.

– Důležitým oborem činnosti Výzkumného ústavu Elpa je výroba piezokeramických prvků používaných v zařízeních pro těžbu ropných vrtů. Díky piezoakustické vlně emitované měničem se vytváří silné pole, které rozdrtí parafínové zátky ve studni. Jsou zničeny a ropa začíná proudit aktivněji.

Nyní aktivně spolupracujeme s Transneftem. Před loňským zavedením sankcí si naši naftaři zvykli nakupovat všechny nástroje v zahraničí. Netřeba dodávat, že to bylo výhodné a výhodné: dostatečně kvalitní, dobré elektrické parametry zařízení. A nyní se Transněfť obrátila na ruské společnosti.

Nádrže na skladování ropy jsou obrovské nádrže o průměru až 100 metrů a je třeba je neustále sledovat, aby bylo možné určit hladinu kapaliny. Pro tento úkol byl vyvinut speciální senzor, který je umístěn na krytu horního poklopu.

Je třeba si uvědomit, že kromě hladiny kapaliny je také nutné určit objem ložisek. Z oleje se uvolňují těžké přísady, které se ukládají na dně a tvoří tzv. bahno obsahující písek a asfaltové frakce. To vše je potřeba sledovat.

Důležité je také sledovat tvarovací povrch nádrže. Koneckonců, obrovské kontejnery s podzemním šokem, s tepelnou expozicí, s zatížením větrem, se začnou deformovat, což může vést ke katastrofálnímu výsledku. Důsledky pro životní prostředí jsou každému jasné.

Pro monitorování senzorů nabízíme vlastní piezokeramické prvky. Spolupracujeme s KB-1, která vyvíjí softwarový balík využívající hydroakustický signál.

- JSC "Elpa" vyrábí důležité produkty pro ruské systémy protivzdušné obrany, zejména S-300, S-400 a dokonce S-500. Mohl byste nám o této práci říci více?

- Vyrábíme tzv. rezonátory, ze kterých pak vznikají frekvenčně selektivní moduly a také generátory s extrémně nízkou úrovní fázového šumu. Pravda, všechny tyto produkty nejsou vyrobeny z piezokeramiky, ale z křemene, niobátu a tantalátu lithného. Jedná se o tzv. akustickou elektroniku. Navíc jsme dodnes nejen přední, ale vlastně jedinou společností v Rusku, která pracuje s akustickou elektronikou při extrémně nízkém fázovém šumu.

Ta je na rozdíl od piezokeramiky vytvořena na bázi hotového prvku – umělého křemene nebo niobátu a tantalátu lithného. Takové krystaly mají všechny požadované vlastnosti, stačí řezat v určitém směru a deska bude fungovat.

Akustoelektronická vlna se může šířit v blízkých povrchových a povrchových vrstvách křemenných prvků. Vytvoří se interdigitální struktura, na substrát je nanesena kovová mřížka, na jedné straně záření a na druhé straně příjem. A přímo v povrchové vrstvě je výběr frekvence, kterou potřebujeme.

K dnešnímu dni jsme již vyrobili produkty pro komplex S-500 a práce začaly již v roce 2008. Za tři roky jsme dokončili veškeré práce pro komplex Vityaz a loni jsme dodali sady našich produktů pro Morpheus.

Dalším z našich stálých zákazníků je NPO Strela. Vyrábíme dělostřelecké průzkumné radary. Speciálně pro tyto produkty jsme provedli výzkum a vývoj, abychom vytvořili generátor s širokým rozsahem ladění a ladění, s přihlédnutím ke specifikům dělostřeleckých průzkumných radarů (jejich dosahy by měly být mnohem širší než u systémů protivzdušné obrany). Práce jsou již hotové, letos budeme připraveni předat první vzorky zákazníkovi.

Pokud srovnáme naše akustoelektronické produkty se zahraničními produkty, tak opět nejenže nejsme horší, ale v určitých oblastech jsme napřed. Téměř nikdo nedokáže reprodukovat parametry, které jsou nastaveny v našich produktech.

Takže například naše generátory mají vysokou frekvenční stabilitu až ±2,5x10-8, nízkofrekvenční drift po dobu 10 let až ±3x10-7 s nízkým fázovým šumem až 135 dB/Hz při frekvencích do 2 GHz. Díky tomu mohou ruští konstruktéři navrhnout vynikající radary.

- V současné době je velmi důležitá příprava mladých odborníků. Jak je tato práce ve vaší firmě organizována?

– Spolu s Tver State University jsme otevřeli oddělení a také vědecké a vzdělávací centrum a odtud získáváme mladé odborníky. Oddělení je již tři roky staré a za tuto dobu k nám přišlo pět lidí. Samozřejmě musíme přísně vybírat, protože úroveň pro náš podnik vyžaduje velmi vysokou. Jezdí k nám i absolventi MEPhI, Moskevské státní univerzity, MGIET.

Zorganizovali jsme také práci rady mladých specialistů, s jejichž pomocí se začínající inženýři rychle přizpůsobí týmu a osvojí si svou profesi.

– Sergey Surenovich, vojensko-průmyslový kurýr blahopřeje vám a vašemu podniku k výročí. Přejeme společnosti Elpa OJSC, aby i nadále zaujímala vedoucí postavení ve svém oboru a vyráběla jedinečné produkty, které nemají ve světě obdoby!

- Dík.
Autor:
Původní zdroj:
http://vpk-news.ru/articles/25260
8 komentáře
Reklama

Přihlaste se k odběru našeho kanálu Telegram, pravidelně doplňující informace o speciální operaci na Ukrajině, velké množství informací, videa, něco, co na web nespadá: https://t.me/topwar_official

informace
Vážený čtenáři, abyste mohli zanechat komentář k publikaci, musíte přihlášení.
  1. oleg gr
    oleg gr 20. května 2015 18:13
    +5
    Dobrá odpověď pro polymerové fňukány.
  2. Stinger
    Stinger 20. května 2015 19:10
    +5
    Obrana vytáhne všechny. To není Čubasovova nanotechnologie. Před nano, že nejsou vidět peníze ani výsledky.
    1. lesník
      lesník 20. května 2015 19:31
      +7
      Bylo by lepší, kdyby samotného Čubajse nikde jinde neviděli a jemu podobných, pak by takových podniků bylo řádově více. Tady je přímá závislost - jsou tu Čubajové, pište promarněné, nenajdete žádné peníze, žádné stopy práce. A OJSC "ELPA" je prostě skvělá, jen tak dál!
  3. sub307
    sub307 20. května 2015 19:20
    +2
    Nálada se tedy zvedla .... Pouze jedna otázka „pulzuje“: nebýt sankcí a „tichého veta“, nakupovali by u „partnerů“ i nadále?
  4. Keks137
    Keks137 20. května 2015 20:16
    -2
    Citace od Stingera
    Obrana vytáhne všechny. To není Čubasovova nanotechnologie. Před nano, že nejsou vidět peníze ani výsledky.

    Jakákoli ruská nanotechnologie se opravuje kladivem a nějakou matkou!
    1. Dali
      Dali 20. května 2015 23:28
      0
      Co záviděníhodné... smavý

      Není na tobě krást benzín, tady musíš přemýšlet...
  5. prostofily
    prostofily 20. května 2015 20:52
    +1
    Závidím poctivost.
  6. st25310
    20. května 2015 21:58
    0
    Chci předvést vtip, podmanit si výmluvnost. Ale… nedáno.
    1. Dali
      Dali 20. května 2015 23:31
      0
      Citace: st25310
      Chci předvést vtip, podmanit si výmluvnost. Ale… nedáno.


      A ne ... jsi lepší jako Maestro z "Jen starci jdou do bitvy" ... lepší než čin !!!
  7. tolancop
    tolancop 20. května 2015 22:07
    0
    Vzpomínám si, jak jsem koncem 70. let četl malý populární článek o piezokeramických motorech (malé velikosti). Prototypy s menšími rozměry ve srovnání s navíjecími elektromotory měly mnohem větší točivý moment a rotační stabilitu. Pravda, zdá se, že nemohli zvrátit. O těchto motorech jsem nikdy neslyšel...