Materia fina para casos extremos.
El Instituto de Investigación JSC "Elpa" es una empresa rusa que produce productos de piezocerámica, cuarzo, niobato y tantalato de litio, que no tienen análogos. Sergey Nersesov, Director General del Instituto de Investigación y Desarrollo "Elpa", le dijo al revisor del Mensajero Militar-Industrial sobre los mejores giroscopios rusos sobre el efecto piezoeléctrico y cómo miden el nivel de aceite en los tanques.- Sergey Surenovich, este año su empresa celebra su aniversario. Vamos a empezar con historias "Elpy". ¿Qué tareas tenía su empresa entonces?
- La idea de crear un instituto que investigara los problemas de la piezotécnica apareció hace mucho tiempo. Al final de 50-x, el comienzo de 60-s, cuando en la Unión Soviética había una necesidad urgente de producción doméstica de piezocerámica y dispositivos basados en ellos, el Consejo de Ministros tenía la tarea de comenzar la producción de este material. En ese momento, la tarea principal era proporcionar a nuestra flota submarina, por así decirlo, "ojos y oídos": complejos hidroacústicos. Incluso entonces se hizo evidente que sin un dispositivo piezocerámico la tarea no podría resolverse.
Como parte de la NPO "Phonon" (ahora esta asociación científica, desafortunadamente, ya no existe), a un grupo de especialistas se les asignó un laboratorio, así como varias instalaciones de producción para llevar a cabo la investigación y la producción piloto de los primeros piezocerámicos domésticos. A pesar de la complejidad de la tarea, los científicos hicieron frente con bastante rapidez y en poco tiempo pudieron comenzar la síntesis de nuevos materiales. Pero teniendo en cuenta los volúmenes requeridos para la producción de productos piezocerámicos, se decidió crear una producción completa. A partir de este momento, el instituto de investigación científica "Elpa" lidera su historia. Inicialmente, éramos una sucursal de la NPO "Phonon" con la planta "Piezoelement", pero luego nos convertimos en una empresa completamente independiente.
Por primera vez, la producción se ajustó en la sala de calderas inactiva del pueblo de Kryukovo. Más tarde, el primero y luego el segundo cuerpo fueron construidos. Actualmente nuestro sitio de producción es 25 mil metros cuadrados. Pero salvamos el primer edificio de producción en la sala de calderas. Además, ahora hay líneas modernas de alta tecnología para producir piezocerámica.
- Es hora de decirles a nuestros lectores qué es la piezocerámica y dónde se usa además de la acústica submarina.
- Piezocerámica se refiere a materiales ferroeléctricos que tienen propiedades piezoeléctricas. La mayoría de los materiales piezocerámicos modernos se basan en circonio, titanio y óxidos de plomo - PZT. Durante la síntesis de las cerámicas piezoeléctricas, una estructura policristalina se forma a partir de numerosos bloques de cristal (dominios), cada uno de los cuales consta de un conjunto de células unitarias (dipolos) y tiene una estructura cristalina de tipo perovskita. En el proceso de polarización (los efectos del campo eléctrico de la corriente continua), los dipolos están orientados en la dirección del campo y conservan su orientación después del cese de la exposición. Si puedes ponerlo así, recuerda la orientación. En el proceso de polarización, la cerámica adquiere propiedades piezoeléctricas. El efecto piezoeléctrico directo consiste en el hecho de que durante la deformación mecánica de la muestra piezoeléctrica, aparecen cargas eléctricas cargadas de manera opuesta en las caras opuestas. Efecto piezoeléctrico inverso: cuando se aplica un voltaje a una muestra piezoeléctrica, sus dimensiones lineales cambian.
Materia fina para casos extremos.
Andrei Sedykh collage
Si hablamos del lado práctico de las cosas, hoy en día los productos piezocerámicos están en demanda en diversas áreas de la economía nacional, incluida la industria nuclear, los sistemas de defensa, incluso para los problemas del sonar ya mencionados en el medio ambiente acuático. Utilizado en la industria petrolera. En particular, los productos piezo-cerámicos se utilizan para registrar pozos de petróleo, en sistemas para el diagnóstico por ultrasonido y el monitoreo de tuberías y almacenamientos de aceite.
Me gustaría señalar que la producción de piezocerámica, así como sensores y elementos sensibles basados en ella, existe en unos pocos países. En los Estados Unidos, una buena escuela científica, los científicos tienen cierto peso en el mundo. Las compañías estadounidenses que producen piezocerámica y productos basados en ella, conducen una política comercial agresiva.
Las obras piezo-cerámicas también se están llevando a cabo en Europa, principalmente en la República Federal de Alemania. La empresa alemana "Physic Instruments" ocupa una de las posiciones líderes en este campo. Los japoneses trabajan con piezo cerámicas en el mercado asiático, y recientemente los chinos han recibido buenos resultados.
El año pasado nuestros especialistas estuvieron en la exposición en Hannover. Para ser honestos, viajamos, como digo "a la inteligencia": para comprender si vamos en la dirección correcta y qué podemos aprender de nuestros colegas extranjeros. Diré sin falsa modestia: nuestros productos no solo son inferiores a los americanos, sino incluso más europeos, pero en ciertos aspectos son mejores. Así que vamos en la dirección correcta.
Hay que entender: todo lo que concierne a la piezocerámica está bastante cerrado. Las empresas de fabricación no publicitan sus productos, sus parámetros y aún más tecnología.
- Pero aún así, ¿qué puedes decir sobre tus productos?
- Nuestro material trabaja en el rango de temperatura 360 grados. Pero los expertos de "Elpy" llamaron la atención sobre el hecho de que nuestros competidores extranjeros tienen algún progreso en avanzar a tasas más altas. Para que En primer lugar, es necesario para los motores y los planificadores de cohetes. Los productos con tales elementos piezocerámicos se pueden utilizar en un sistema de control de boquillas, como sensores de vibración y presión.
Al evaluar la tendencia, decidimos no limitarnos al zirconio, titanio y dióxido de plomo tradicionales, sino a experimentar con nuevos materiales. En particular, hace tres años comenzó a experimentar con dióxido de escandio. Usándolo, obtuvimos elementos piezoeléctricos capaces de operar en el rango de hasta 450 - grados 500. Pero esto es solo el comienzo, quizás vayamos a los grados 700. Lo compararon con los productos europeos y estadounidenses y se dieron cuenta de que íbamos con cierta ventaja.
Quiero señalar que los elementos piezoeléctricos de alta temperatura se hicieron por orden de Rosatom. Los especialistas de Sarov necesitaban sensores para los núcleos de los reactores, y en este asunto los ayudamos.
Pero el orgullo de nuestra empresa es la piezo-cerámica de capa fina. Una capa está hecha de 10 a 100 micras de espesor, y a partir de esas capas se crea un piezopack, que alcanza el espesor de 2 a 100 milímetros. Cuando se aplica un cierto potencial a su estructura, Piezopaket puede realizar movimientos bastante grandes, en algunos casos hasta 100 micras.
Cabe destacar que si el control de la cerámica sólida requiere la aplicación de un potencial de hasta un kilovoltio, entonces para los de capa delgada, de 90 a 150 voltios. De hecho, somos "priboristam" administrar procesos de menor voltaje. Y esto es menos pérdida y mejor seguridad.
De vuelta en 2006, nos dimos cuenta de que había un trabajo activo de físicos en el mundo en la dirección de la creación de piezocerámicos de capa delgada. Con 2007, ellos mismos comenzaron a trabajar en esta dirección. Es cierto, tuvimos que comprar equipos en el extranjero. Luego en Rusia no había nada como esto.
¿Y qué piensas? Nadie nos vendió el equipo necesario. Ni los norteamericanos, ni los alemanes, ni los israelíes. Todo, entendiendo por lo que era esta técnica para nosotros, representaba un completo desconcierto. Es decir, han impuesto un veto tácito.
Pero encontramos opciones. Nos recibieron nuestros compañeros eslavos de la empresa eslovena KEKO. Los eslovenos ya han fabricado lo que necesitamos para los alemanes Bosch y Siemens. Aunque se nos advirtió de inmediato: daremos el equipo, pero no la tecnología. Pero habiendo comprado el equipo, literalmente en tres años, comenzando en la crisis 2008 - 2009, casi desde cero, nosotros mismos hemos desarrollado y dominado la tecnología de producción de piezocerámica de capa fina. En la actualidad, "Elpa" es el único fabricante en la Federación Rusa de piezocerámica de película delgada y los llamados actuadores creados sobre esta base, que hemos estado ofreciendo en el mercado desde 2011.
- ¿Para qué se utiliza la cerámica piezoeléctrica de película delgada?
- En primer lugar, por los actores que ya he mencionado. Es decir, dispositivos de precisión para movimientos extremadamente precisos. Sobre su base se crean manipuladores para sistemas de óptica de precisión, óptica adaptativa y, por supuesto, para aviónica.
En los sistemas ópticos de precisión, existen los llamados "steppers", que proyectan la imagen a través de fotomáscaras en obleas de silicona. Pero para mantener la alineación y combinar capas, se requiere un movimiento particularmente preciso del escritorio. Por lo tanto, el enfoque del haz alimentado a la fotomáscara y su movimiento proporcionan solo los actuadores.
En los sistemas de óptica adaptativa de los sistemas láser de alta potencia con la ayuda de actuadores, corrigen las distorsiones y divergencias de amplitud-fase de la radiación láser cuando se propaga en el espacio con la ayuda de espejos adaptativos, estructuralmente en forma de mosaico que consiste en fragmentos con geometría de superficie variable. Su movimiento se lleva a cabo mediante unidades de alta velocidad precisas - actuadores piezoeléctricos. Proporcionan desplazamientos lineales en el rango de micrómetros 20 - 100 con una precisión de 0,01 - porcentaje de 0,1.
Tales sistemas de láser se crean en interés de Rosatom para controlar el proceso de fusión termonuclear. Desde los tres puntos, se genera un haz en la zona activa de las simulaciones de una explosión nuclear, creando una temperatura de millones de grados, que es necesaria para llevar a cabo la síntesis.
También hemos encontrado aplicación para actuadores en la esfera civil, para sistemas de inyección de combustible diesel. Hoy en día, estos dispositivos utilizan un efecto de restricción magnética. Este es un proceso difícil, agudizado en ciertas frecuencias. Gestionarlo es bastante difícil.
Ofrecemos una llamada jeringa con un pistón instalado en ella. Con una frecuencia de hercios 100 - 150, inyecta un chorro fino de combustible directamente en la boquilla. Quiero señalar que, además de nuestra empresa, solo Bosch fabrica dichos productos. Los alemanes ya están suministrando sus boquillas para autos Ford y Citroen.
Cuando fabricamos nuestra jeringa y la probamos, tratamos de comprar una boquilla de fabricantes alemanes, ver, desmontar y, lo que es más importante, comparar. Nada de eso. No lo vendas a los alemanes vivos. Y los jets "Boshevsky" se ensamblan de tal manera que no es tan fácil de desmontar, y nuestros especialistas literalmente con una sierra para metales, utilizando métodos especiales, por así decirlo, llegaron allí y observaron cómo están dispuestos los accionadores alemanes. Comparado Quiero decir que a pesar de que comenzamos desde cero, y los sistemas similares, a diferencia de Bosch, no lo hacían antes, nuestros productos, por decirlo suavemente, resultaron ser tan buenos como los alemanes.
Fueron a los constructores de motores de Moscú y Yaroslavl. Inicialmente, nos trataron con sospecha, incluso dijeron que esto era imposible, pero con el tiempo se dieron cuenta. Ahora los automovilistas en Barnaul ya han comenzado los intentos de prueba de producción en masa con nuestros productos.
Pero por ahora nuestros principales clientes son las empresas Rosatom. Aunque Roscosmos se interesó por nuestro trabajo. Debemos entender que todos nuestros productos son resistentes a la radiación.
Observo que nuestros actuadores ahora se usan en aviación, en estaciones de ubicación óptica y contenedores de avistamiento colgantes.
No hace mucho tiempo, los actuadores para tales productos se adquirieron en el extranjero, en particular de los "Instrumentos físicos" alemanes. Pero el año pasado, los alemanes detuvieron estas entregas, entendiendo con qué propósito se utilizan sus productos. Los fabricantes inmediatamente vinieron a nosotros. Bueno, ¡no podemos dejar a su Su y MiG nativos sin sistemas tan importantes!
Literalmente en medio año, hicimos piezodrives con los parámetros necesarios, y desde 2016 - 2017 comenzamos a suministrarlos. Hoy, nuestros especialistas, junto con los desarrolladores de KB-1, crean el llamado servo controlador piezoeléctrico, que controlará los actuadores, y todos juntos, esto ya es una plataforma circular.
Otra área importante es el desarrollo de varios sensores y transductores. Por ejemplo, se crearon varios sensores de velocidad angular únicos o giroscopios. Las características de estos sensores son pequeñas dimensiones generales, resistencia a la radiación y resistencia a sobrecargas mecánicas. Los sensores desarrollados se utilizan actualmente en sistemas de guía óptica para misiles de aviones, en un torpedo. armasSistemas de posicionamiento de antena parabólica. Debido a sus propiedades únicas y características de alta calidad, nuestros sensores se interesaron en el Centro de Investigación y Producción MV Khrunichev, que es parte de la Agencia Espacial Rusa. Planeamos completar el trabajo sobre el desarrollo de sensores para vehículos de lanzamiento en tres años y medio o cuatro.
Quiero señalar que la creación de giroscopios en el efecto piezoeléctrico es una de las tendencias científicas globales más modernas, por así decirlo. Muchas compañías serias, principalmente de los Estados Unidos y Alemania, están trabajando actualmente en esta dirección.
¡Nuestra experiencia de los últimos años muestra que a menudo los desarrolladores nacionales ni siquiera saben qué productos, tecnologías y soluciones técnicas aparecen en nuestro país! Por eso vamos un paso adelante. Desarrollamos productos y, al darnos cuenta de que los diseñadores lo necesitarán pronto, acudimos a ellos mismos. Te decimos, damos muestras por experiencia. Deje que los prueben necesariamente, desplácese por sus cabezas donde puedan aplicarlas, cree al menos un determinado conjunto de herramientas como primera aproximación y luego intente incorporarlas en sus estructuras. Sí, el proceso no es fácil, pero ese trabajo está en marcha y, a menudo, lo iniciamos.
- Y, sin embargo, como lo entiendo, la producción de elementos para complejos hidroacústicos sigue siendo una de las áreas más importantes en el trabajo de los institutos de investigación científica.
- Desde los años 60, hemos estado cooperando con empresas como Okeanpribor Concern OJSC y Marine Underwater Weapons - Hydropribor Concern OJSC, Aquamarine CJSC, Atoll Scientific Research Institute, así como Engine Plant . Estos son nuestros clientes habituales. Sin revelar secretos militares, solo puedo decir una cosa: muchas muestras de armas rusas de torpedos de minas están equipadas con sistemas de guía que utilizan nuestros productos piezocerámicos. Los módulos piezoeléctricos de alta profundidad y alta sensibilidad se utilizan en sistemas de sonar autónomos para la detección de largo alcance de barcos submarinos y de superficie.
Las antenas piezoeléctricas de fase hidroacústica para recibir y transmitir una señal acústica están instaladas en las estaciones de sonar del barco.
Se ha completado un prometedor desarrollo de una nueva clase de materiales piezocerámicos, compuestos para tecnología de submarino submarino. Con tales materiales, es posible desarrollar las llamadas antenas de cobertura capaces de distorsionar la información que el enemigo HA recibido, irradiando nuestro submarino. Podemos tomar su señal, convertirla y luego liberarla. De hecho, el barco se vuelve invisible para el enemigo. Y esto no es una fantasía, sino una realidad.
La Advanced Research Foundation tomó nuestras propuestas para crear antenas de cobertura bajo nuestro control. Abriré el secreto: junto con Oceanpribor y el Instituto Central de Investigación de ellos. Académico Krylov, ya hemos comenzado el trabajo de investigación, y pronto pasaremos al diseño experimental. Sobre el tema "Corsair", este es el nombre de la investigación, hacemos el emisor basado en los nuevos materiales piezocerámicos para Ocean Pribor, y un poco más tarde, el Instituto Krylov debería conectarse; ellos pensarán cómo encajar las antenas de cobertura en las líneas submarinas. La asignación técnica para el Corsair ya ha sido preparada y aprobada por el Ministerio de Defensa, y planeamos completar la I + D para el año 2017.
- Usted mencionó que sus productos se utilizan en la industria petrolera.
- Una actividad importante del Instituto de Investigación Elpa es la producción de elementos piezocerámicos utilizados en los equipos de extracción de pozos petroleros. Debido a la onda piezoacústica emitida por el transductor, se crea un campo poderoso que rompe los tapones de parafina del pozo. Se colapsan, y el aceite comienza a fluir más activamente.
Ahora estamos trabajando activamente con Transneft. Antes de la introducción de sanciones el año pasado, nuestros trabajadores de la industria petrolera estaban acostumbrados a comprar todos los dispositivos en el extranjero. No es ningún secreto que fue rentable y conveniente: alta calidad, buenos parámetros de equipos eléctricos. Y ahora Transneft se ha dirigido a las empresas rusas.
Los tanques de almacenamiento de aceite son tanques enormes con un diámetro de hasta 100, y deben ser monitoreados constantemente detrás de ellos, para determinar el nivel del líquido. Para esta tarea, se ha desarrollado un sensor especial, que se coloca en la tapa de registro superior.
Debe entenderse que además del nivel del líquido, también es necesario determinar el volumen de sedimento. A partir del petróleo, se liberan ingredientes pesados, que se depositan en el fondo, formando los denominados lodos que contienen arena y fracciones de asfalto. Todo esto necesita ser monitoreado.
El monitoreo de la superficie del reservorio también es importante. Después de todo, las enormes capacitancias durante un terremoto, bajo efectos térmicos y bajo una carga de viento comienzan a sufrir una deformación, que puede llevar a un resultado catastrófico. Las consecuencias ecológicas son claras para todos.
Para el monitoreo de sensores ofrecemos nuestros elementos piezocerámicos. Trabajamos en conjunto con KB-1, que desarrolla un paquete de software que utiliza una señal de sonar.
- OJSC “Elpa” produce productos importantes para los sistemas de defensa aérea rusos, en particular C-300, C-400 e incluso C-500. ¿Podrías contarnos más sobre esta área de trabajo?
- Fabricamos los llamados resonadores, a partir de los cuales se crean los módulos selectivos de frecuencia, así como generadores con un nivel extremadamente bajo de ruido de fase. Es cierto que todos estos productos no son de piezocerámica, sino de cuarzo, niobato y tantalato de litio. Esta es la llamada acústicoelectrónica. Además, hasta el día de hoy no solo somos los líderes, sino que, de hecho, somos la única empresa en Rusia que trabaja con acústicoelectrónica con un ruido de fase extremadamente bajo.
A diferencia de la cerámica piezoeléctrica, se crea sobre la base de un elemento ya terminado: cuarzo artificial o niobato y tantalato de litio. Tales cristales tienen todas las propiedades deseadas, solo necesitan cortar en cierta dirección y la placa funcionará.
Una onda acústica puede propagarse en la superficie y las capas superficiales de los elementos de cuarzo. Se crea una estructura interdigital, se pulveriza una rejilla metálica sobre el sustrato, por una parte, la radiación y, por otra parte, la recepción. Y directamente en la capa superficial está la selección de la frecuencia que necesitamos.
Por ahora, ya hemos fabricado productos para el complejo C-500, y el trabajo comenzó en 2008. Durante tres años, hemos realizado todo el trabajo para el complejo Vityaz, y el año pasado proporcionamos los conjuntos completos de nuestros productos para Morfeya.
Otro de nuestros clientes habituales es NPO Strela. Fabricamos radares de inteligencia de artillería. Especialmente para estos productos, llevamos a cabo actividades de I + D para crear un generador con una amplia gama de ajustes y reestructuraciones teniendo en cuenta las características específicas de los radares de reconocimiento de artillería (sus rangos deberían ser mucho más amplios que para los sistemas de defensa aérea). El trabajo ya se ha completado, este año estaremos listos para transferir las primeras muestras al cliente.
Si comparamos nuestros productos acústicoelectrónicos con productos extranjeros, nuevamente no solo no concedemos, sino que nos dirigimos en ciertas direcciones. Los parámetros que se establecen en nuestros productos, casi nadie puede reproducir.
Por ejemplo, nuestros generadores tienen una estabilidad de alta frecuencia de hasta ± 2,5х10-8, un pequeño valor de desviación de frecuencia para los años 10 a ± 3х10-7 con un nivel bajo de ruido de fase de hasta 135 dB / Hz en una frecuencia de hasta 2 GHz. Gracias a esto, los diseñadores rusos pueden diseñar excelentes radares.
- En la actualidad, la formación de jóvenes profesionales es de gran importancia. ¿Cómo se organiza este trabajo en su empresa?
- Abrimos el departamento, así como el centro científico y educativo junto con Tver State University, desde allí reclutamos a jóvenes especialistas. El departamento ya tiene tres años, y durante este tiempo cinco personas vinieron a nosotros. Por supuesto, es necesario seleccionar estrictamente, porque el nivel de nuestra empresa requiere un nivel muy alto. Los graduados de MEPI, MSU, MGIET vienen a nosotros.
Además, hemos organizado el trabajo del consejo de jóvenes especialistas, con la ayuda de los cuales los ingenieros novatos se adaptan más rápidamente en un equipo y dominan su profesión.
- Sergey Surenovich, "Mensajero militar-industrial" lo felicita a usted y a su empresa por su aniversario. ¡Deseamos que Elpa OJSC continúe ocupando una posición de liderazgo en su campo, así como que produzca productos únicos y sin paralelo en el mundo!
Gracias
información