Материалы, применяемые для изготовления деталей информационных систем

          5. Материалы, применяемые для изготовления деталей информационных систем

5.1.Черные металлы и сплавы:

- конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества типа Ст.1… Ст.6 (для изготовления корпусных и конструкционных деталей средней ответственности и нагруженности – преимущественно в П и ПК наземного использования);

- конструкционные качественные углеродистые стали типа Сталь10…Сталь 85 и низколегированные углеродистые стали типа Сталь35ХН, 40ХН, 45ХН, 18ХГ и др. (для изготовления корпусных и конструкционных деталей средней и высокой ответственности и нагруженности - преимущественно в П и ПК наземного использования);

- стали и сплавы с особыми физическими свойствами:1– магнитно-мягкие элек-тротехнические стали и сплавы на основе F_e-S_i, F_e-N_i, F_e-C_o типа Сталь 79НМ, 80НХС, 47НК и др. для деталей электрических цепей приборов, устройств автоматики, электрических машин, работающих на переменном токе (транс-форматоры, электродвигатели, частотные генераторы, счетно-решающие уст-ройства и др.); 2 – магнитотвердые сплавы на основе F_e-N_i-C_o-A_л, F_e-М_о-C_o, F_e-N_i-N_b-A_л типа СтальЮН14, СтальЮНДК15, ЮНДК35Т5, ЮНДК40Т8АА и др. для малогабаритных магнитов электрических схем различных приборов; 3 – сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения на основе F_e-N_i-C_o типа Сталь30НДК, 47НХР, 80НМВ и др. для деталей электри-ческих схем приборов, работающих при низких и высоких температурах; 4 –

сплавы с высоким электрическим сопротивлением (на основе F_e-С_r -A_л, F_e-N_i- C_r

типа СтальХ13Ю4, 0Х27Ю5А, Х15Н60Н, Н80ХЮД и др.) для нагревателей

различных приборов, печей, тензо- и терморезисторов и др.;  

- коррозионностойкие стали типа Сталь40Х13, 20Х13Н2, 09Х16Н4Б, 15Х25Т и др., тепло- и жаростойкие стали и сплавы типа Сталь08Х21Н6М2Т, 10Х14Г14Н4Т, 10Х17Н13М2Т и др., тепло- и жаропрочные стали и сплавы типа Сталь15ХМ, 20Х3МВФ, 30Х13Н7С2 15Х12ВМБФР и др., хладостойкие стали и сплавы типа Сталь10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5, 03Х19Г10Н7М2 (для изготов-ления отдельных деталей приборов, работающих в агрессивных средах, при высоких и низких температурах и высокой нагруженности).

5.2. Цветные металлы и сплавы:

- титановые литейные (типа ВТ3-1л, ВТ5л, ВТ6л и др.) и деформируемые сплавы (типа ВТ1-00, ВТ3-1, ВТ5 и др.), обладающие высокой прочностью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью – для изготовления отдельных деталей приборов и летательных апаратов;

- медь (М00, М1 и др.) и медные сплавы (латуни, бронзы) – для изготовления элементов электронных узлов приборов и измерительно-вычислительных комплексов широкого использования;

- алюминиевые (АЛ2, АЛ6, АЛ9 и др.), магниевые (МЛ2, МЛ3, МЛ5 и др.), и алюминий-магниевые (АЛ8, АЛ23,АЛ27 и др.) литейные и деформируемые сплавы (типа Д16, Д20, В93…В96 и др., МА1, МА2 и др., АМг1, АМг2 и др.) –конструкционного, коррозионно- и жаростойкого назначения (как правило, для изготовления корпусных и иных деталей ИС, П и ИВК летательных аппаратов).

5.3. Драгоценные металлы – золото, серебро (для изготовления ответствен-ных элементов электронных узлов – контакты, провода, припои и др.).

5.4.Композиционные материалы (КМ) искусственно созданные неоднород-ные материалы и состоят из армирующей матрицы с определенной структурой для обеспечения эксплуатационных требований (прочности, упругости, эластич-ности и др.) и наполнителей, обеспечивающих форму, размеры и другие пара-метры предметов. При этом свойства изделий из КМ могут быть управляемыми и одинаковыми в разных направлениях или иметь строгую направленность и быть неоднородными.

В ИС широко применяются полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), ке-рамические (ККМ), углерод-углеродные (УУКМ) композиционные материалы

и большое разнообразие наноматериалов.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ).

– термореактивные пластмассы формующиеся один раз при повышенной температуре или при комнатной температуре (полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы, текстолиты, стеклотекстолиты, гетинакс и др.) - для изготовления деталей конструкцион-ного, изоляционного назначения, в качестве связующих, герметиков, деталей, работающих в химически агрессивных условиях и др.;

- термопластичные пластмассы формующиеся многократно при повышенной температуре (нейлон, полиэтилен, полибутилентерефтолат, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, полифаниленсульфит, полиариат, и др.)- для изготовления деталей конструкционного, фрикционного, антифрикцион-ного назначения.

Металлические композиционные материалы (МКМ) – преимущественно легкие сплавы (медные, алюминиевые, магниевые, титановые, берилевые) – находят сегодня широкое применение для изготовления деталей приборов, приборных комплексов, радиоэлектроннике (алюминий-магниевые сплавы, титановые сплавы, порошковые сплавы для производства подшипников скольжения, роторов – магнитов, медные сплавы – бронзы, латуни и др., что было рассмотрено выше, медно-никеливые тип МН16, МН19 и др., никель-хро-

мистые типа НХ9, Х20Н80 и иные сплавы электротехнического, термоэлект-рического и иного назначения).

Керамические композиционные материалы (ККМ) – тонкослойные поверх-ностные покрытия (0,1…12 мкм) на основе оксида алюминия (Аl₂O₃), карбида и нитрида титана (Т_iC и TiN), карбонитрида титана (TiCN), градиентное покрытие (TiAlCN), нанокомпозитное покрытие (AlTiN+S₃N₄) и др. Покрытия из ККМ применяются в ИС с целью резкого повышения износостойкости отдельных эле-ментов (деталей конденционирования исистемы охлаждения, компрессорных лопаток газотурбинных двигателей самолетов, повышение абразивного воздей-ствия на внешний контур самолетов и др.), снижения обеспечения эстетических свойств изделий, необходимых оптических характеристик оптики, молниеза-щиты летательных аппаратов и др.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) обладают высо-кой прочностью (до 3500н/мм²), теплостойкостью (до 650ºС), малой плот-ностью (до 1600 кг/м³). Наиболее перспективными в приборо- и самолетостро-ении являются волокнистые полимерные волокнистые композиты –стекло-, угле- и органопластики.

     Армирующие волокна УУКМ изготавливаются в виде зерен и порошков, нитей от 10 мкм до нескольких мм и более и диаметром ≈ 10…20 мкм и в виде лент, фольги, пленки, тканей, сетки и тканей на связующем (препреги). Армирующие волокна изготавливают из силикатного стекла, эластичного высокомодульного Е-стекла, углерода и др.

Достоинством стекловолокна – высокая прочность и теплостойкость, низкая плотность и стоимость, совместимость с полимерными материалами, техноло-гичнсть изготовления тканей, лент и др. Из стеклотканей изготавливают балло-ны пожаротушения вертолетов, винты вертолетов, корпусные детали отдельных приборов и др.

Углеволокно (карбон) обладает комплексом уникальных механических и физико-химических свойств: прочностью на уровне высокопрочной стали (до 3500н/мм² на разрыв), теплостойкостью до 650ºС, стойкостью к химическим ре-агентам, низким коэффициетом трения, малой термической деформацией в ши-роком диапазоне температер, высокой электропроводностью, малой плотностью (до 1600кг/м³). При производстве деталей из углеволокна применяется в виде жгутов, лент и тканей. Из углекомпозитов изготавливают несущие панели, фю-зеляжи самолетов, спортивных машин, телескопические антенны, карданные валы двигателей внутреннего сгорания, мачты парусников и др.

5.5. Наноструктурные покрытия и наноматериалы.

В последние годы в технически передовых странах уделяется пристальный интерес к миниатюризации создаваемых предметов индивидуального и коллективного использования с целью их компактного применения, переноса, передвижения, и одновременно повышения скорости выполняемых функций, меньшей энергоемкости и др.

В настоящее время широко применяются субмикронные (0,3…0,004 мкм) и нанокристаллические (≤ 0,1мкм) металлические, керамические и полимерные материалы в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в микроэлектронных устройствах, деталях авиакосмической техники, износостой-ких покрытий металлорежущего инструмента, покрытий оптических линз и др. При этом выявлено, что с уменьшением размеров структурных элементов – кристалитов, зерен, волокон, слоев, пор – многих материалов до нанометрового диапазона происходит усиление существующих или проявление новых физико-механических и иных свойств этих элементов. Наноматериалы можно рассмат-ривать как особое состояние вещества, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами и свойствами не идентичными свойствам этих мате-риалов, полученных традиционными методами.  В связи с этим разработка и изучение свойств получаемых наноструктур в различных условиях их приме-нения является из важнешим направлением развития многих технологических областей.

Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанопо-лимерными и др.) понимают структурные элементы, размер которых хотя бы в одном направлении не превышает 100 нм (1 нм = 10^-9 м =10^-6 мм = 10^-3 мкм).

Наноматериалы по размерам структурных элементов и числу атомов в них подразделяются на нанокластеры и нанокристаллы.

Нанокластеры подразделяются на малые – с числом атомов z_aм =3…12 и все 100% атомов расположены на поверхости кластера, большие - z_aм =13…150 и 92…63% атомов расположены на поверхости кластера и гиганские - z_aм = 151…22000 и 63…15%  атомов расположены на поверхости кластера с 4 ^мя …18 ^ю внутренними слоями.

К нанокристаллам относят структурные элементы с числом атомов более 22000 и диаметром элемента d ≈ 3…40нм. Нанокристаллы могут иметь разную форму и обладают уникальными физико-механическими, химическими и, иногда, электрическими и магнитными свойствами.

В настоящее время получено большое разнообразие металлических, поли-мерных и иных наноструктур разработанными технологическими методами (рис.5.1).

 

 

Рис.5.1. Основные структурные разновидности наноматериалов

 

Композиционные наноматериалы (КНМ) – нанаструктуры материалов, состоящих из нитридов, карбонитридов титана, композиций TiAlN, TiAlZrN, TiAlN/Si₃N₄ и  др., обладающих высокой термостойкостью, химической и абразивной стойкостью, твердостью. КНМ получают широкое применение в микроэлектронике, приборостроении, авиакосмической технике, в металлообра-ботке и других отраслях в качестве конструкционных элементов и функцио-нальных покрытий. субмикронные, нанокристаллические, нанокомпозитные и другие разновидности наноматериалов в виде зерен, кристаллитов, волокон.

Созданы проволочные нанокомпозиты типа Cu-Nb, токопроводные нанострук-турные пленки типа TiN, TiB₂ и др. с высокой электропроводностю и проч-ностью.

Консолидированные (смешанные) наноматериалы – пленки и тонко-пленочные нанокристаллические покрытия из карбидов, нитридов, оксидов металлов, сплавов и иных соединений толщиной 3…12 мкм, полученные преимущественно методами порошковой технологии, позволяют повысить износостойкость поверхностей ≈ в 2…5 раз.

Нанополимеры и нанополупроводники получают как в смешанном, так и в изолированном состоянии. Обладая малыми размерами элементов их примене-ние позволяет в десятки и сотни раз миниатюризировать электронные и иные устройства. Созданы чувствительные элементы (площадью около 2 мм²) на основе большой совокупности углеродных нанотрубок для индефикации моле-кулярного состава воздушной среды. Нанопроводники и полупроводники поз-волят создать наноэлектромеханические системы, связывающие макро- и наноэлектрическиеустройства электронных приборов.

Фуллерены – молекулярные кристаллы твердой фазы углерода С₆₀ являются основой для получения композитных пленок, сверхтвердых слоев, низкотемпературных сверхпроводников.

Углеродные и металлические нанотрубки – одно- или многостенные концент-рические цилиндры, расположенные вокруг центрального отверстия с межслой-ным расстоянием ≈ 0,34 нм, внешним диаметром ≈ 2…4 нм и длиной от 1 мкм до нескольких мм. Подобная структура материала многократно увеличивает прочность и электропроводность электронных элементов, а нанотрубчатая структура металлов и сплавов (например, из дисульфида вольфрама WS₂) су-щественно повышает прочность и износостойкость так называемой жидкой «наноброни» (затвердевание гелиевой составляющей при ударном воздествии происходит ≈ за 1мс).

Наночастицы, нанопорошки – структуры из металлов, их сплавов, пластиков, керамики с размерами элементов и нанопор менее 100 нм. Наночастицы Со и Ni, нанокристаллические металлические нитридные пленки АlN и ZrN, сверхрешетки Ni/Fe и Nb/Ge, ультрадисперсные порошки сушественно усилили магнитные свойства малогабаритных магнитов.

Многофазные самосмазывающиеся наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ в устройствах летательных аппаратов снизили коэффициент трения скольжения в подшипниковых узлах до ≈ 0,05. Добавка в моторные масла двигателей внутреннего сгорания, в масла редукторов зубчатых передач метал-лических нанопорошков МоS₂ увеличивает их моторесурс на 20…30%.

   Нанопористые материалы – нанокомпозитные структуры, имеющие случайно или упорядочно распределенные поры: внутренние изолированные (полностью замкнутые) и открытые. Практический интерес представляют открытые поры – сквозные и тупиковые (т.е. капилляры произвольной формы). Поперечный размер пор d = 0,3…2,0 мкм: ультрапористые с d ≤ 0,7 нм, суперпористые с d = 0,7…2,0 нм, микропористые с d = 2,0…4,0 нм, мезопористые с d = 4,0…100,0 нм и макропористые с d ≥ 100 нм. Пористые проницаемые наноматериалы ши-роко применяются для механической очистки жидкостей и газов, их сушки и подогрева, для избирательной фильтрации, аэрации и обагащения жидкостей, тонкого дозирования и др.

Аморфные твердые  наноструктуры  – наноматериалы, обладающие кристал-лической структурой близкорасполонных друг к другу атомов и отсутствием кристаллической структуры в микрообьеме, создаваемые с заранее заданными свойствами – специальные оптические стекла для оптоволоконной связи, амор-фные металлические сплавы для сердечников магнитных головок, для магнито-механических датчиков, аморфные полупроводники для фотоприемников, дешевых солнечных батарей и др.     

   Велика роль наноструктур в развитии приборостроения и других информаци-онных систем. Можно отметить несколько основных направлений:

- повышение прочностных характеристик корпусных и несущих элементов приборов и ИС;

- миниатюризация механических и электронных узлов приборов и ИС;

- повышение теплостойкостных характеристик приборов и ИС;

- совершенствование функциональных свойств приборов и ИС.

 Наноматериалы с высокой электрической проницаемостью уже применяются в качестве многослойных конденсаторов, элементов памяти, чувствительных датчиков. Разрабатываются сенсоры, светодиоды на основе монокристал-лических наночастиц. Ведутся работы по созданию сверхминиатюрных сенсо-ров, электромоторов, преобразователей электрического тока, клапанов, конден-саторов, резонаторов, измерительных линеек с дискретой ≈ 0,01 нм, молеку-лярной обьемной и планарной электроники, систем приема, кодирования, пере-дачи и обработки инфомации и др.

5.6. Керамика (на основе оксидов – Ал₂О₃, МgO, ZrO₂, SiO, обладающих высокой микротвердостью ≈ (2,5…3,3)10⁴ н/мм²), износостойкостью, тепло-стойкостью (до 1400ºС), коррозионной стойкостью) - для изготовления деталей измерительных устройств и элементов приборов, работающих условиях высо-ких температур, направляющих элементов намоточных устройств, записываю-щих приборов, деталей конструкционного назначения, работающих в абразив-ной, химически агрессивной среде).

5.7. Легированные технические стекла – ситаллы (для изготовления оптич-еских деталей лазерных гироскопов, температуростойких подложек и др.), силикатное стекло (технологического и конструкционного назначения), стекла оптоволоконного применения и др.

5.8. Смазочные материалы

а. Консистентные смазки (наносимые на внутреннюю поверхность подшипников скольжения):

- общего применения типа ЦИАТИМ 221 (-30… +100ºC), Suprotec 121885

(- 30…+100ºC), Suprotec УНИВЕРСАЛ – М 121892 (- 30…+120ºС), LIQUI

MOLY LM47 (c дисульфитом молибдена МоS₂);

- высокотемпературные типа Molykote 41 (-18… +288ºC), Molykote 1292 (-40…+200ºC), Molykote 3452 (-31…+232ºC);

- низкотемпературные типа Molykote 33 (-73…+204ºC), Molykote НР300 (-65…+250ºC);

б.  Масла:

- индустриальные типа И 20, 30, 40 и 45;

- эфирные типа ISOFLEXPDP 38 (-65…+100ºC), ISOFLEXPDP 40 (-50… +100ºC), ISOFLEXPDP65 (-50…+100ºC);

-трансмиссионные типа 22 и др.