Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Новые условия требуют сверхвысоких давлений

Высоконагретый водяной пар обладает способностью в значительной степени растворять многие вещества, в том числе и практически нерастворимый в обычной воде оксид алюминия. Способность пара к поглощению солей обычно растет с увеличением температуры и давления. Особенно активен водяной пар, имеющий температуру выше критической точки, то есть 370 °С. Хотя его плотность может превосходить плотность воды, он из-за высокого давления не переходит более в жидкую фазу. Растворы веществ в сверхкритическом паре называют гидротермальными растворами. Они образуются при вулканических процессах, и в течение миллионов лет при осаждении из паров возникают природные кристаллы кварца, слюды и других минералов. В электромашиностроении такая растворяющая способность сверхкритического водяного пара порождает множество трудностей, связанных с растворением в паровой фазе различных продуктов коррозии, которые при осаждении пара после парогенератора частично выделяются на турбинных лопатках и других частях турбины.

В последнее время выращивание больших монокристаллов из гидротермальных растворов, то есть гидротермальный синтез, широко применяется во многих странах, в первую очередь в СССР и Японии. Из гидротермального раствора можно при 400 °С и под давлением 2500 ат в течение нескольких дней вырастить весьма впечатляющий кристалл кварца иногда до нескольких килограммов. В структуре таких кристаллов намного меньше дефектов, чем в природных, а их стоимость намного меньше. Благодаря экономичности производства кварц стали очень широко использовать в электронике и измерительной технике. Основу его быстрорастущего и самого разнообразного применения создает пьезоэлектрический эффект относительно небольшое расширение или сжатие кристалла под действием внешних электрических полей. При наложении переменного напряжения в кристалле возбуждаются механические колебания с явно выраженным максимумом интенсивности, возникающим, когда частоты вынужденных колебаний войдут в резонанс с частотой собственных колебаний кристалла, то есть при совпадающих или кратных им частотах. Аккуратно написанные на шлифовально-резальном станке кварцевые детали применяются сегодня миллионами в качестве нормализаторов частот в передатчиках и электронных фильтрах для измерительной техники, для кварцевых часов. С их помощью могут быть получены ультразвуковые колебания. Имеется и обратный эффект появления электрического поля при деформировании кристалла; он используется в различных датчиках давления.

Несколько лет назад советским ученым с помощью гидротермального синтеза удалось получить синтетическую слюду в виде больших совершенных по структуре кристаллов. Пластины из высокочистой слюды не только превосходная изоляция, но и материал для окон в аппаратах, работающих под вакуумом или высоким давлением, например в космических спутниках и зондах.

С тех пор, как в 1788 г. Лавуазье доказал, что редкий и ценный минерал алмаз по своей структуре не что иное как углерод, не прекращались попытки получить искусственные алмазы из графита или углеродсодержащих соединений. Эти старания не могли в то время принести успеха, так как стабильная структура алмаза образуется из углерода только при очень высоких давлениях. Чтобы достичь достойной внимания скорости образования кристаллов алмаза, необходимы температуры в несколько тысяч градусов и давления порядка 50 000 ат. С помощью новых прессов высокого давления в 1954 г. удалось осуществить синтез алмазов, но они, однако, в основном представляли собой кристаллический порошок для обкладки инструментов. Сравнительно недавно в Советском Союзе были впервые получены большие кристаллы алмаза.

В устройствах для создания сверхвысоких давлений, применяемых как для синтеза алмазов, так и для исследования свойств материалов при экстремальных условиях, всегда используется принцип многоступенчатого сжатия, так как даже самые лучшие материалы, из которых изготовлены стенки, не выдерживают перепада давлений более 20 000 ат. На  45 показан принцип действия разработанного в Швеции пресса высокого давления. С помощью гидравлического пресса на первой ступени создается давление порядка 5000 ат, которое воздействует на внешние поверхности внутренних сферических секторов автоклава. При сжатии этих секторных штампов, пространство между которыми заполнено специальным составом, возникает перепад давлений, пропорциональный отношению внешней сферической поверхности к внутренней поверхности камеры высокого давления. Если это отношение составит 20:1, то внутри камеры создается давление в 100 000 ат.

С помощью подобной аппаратуры из смеси карбида железа и графита при температуре 3000°С . и давлении 70 000ат в 1953 г. были получены первые искусственные алмазы. В современных устройствах в качестве исходного материала применяют парафин, в котором лучше представлены тетраэдрические образования. С помощью подходящих никелевых, хромовых или танталовых катализаторов синтез алмазов протекает довольно "быстро; при температуре около 2000 °С и.давлении свыше 50 000 ат в течение нескольких часов. В зависимости от условий синтеза образуются мелкие или крупные кристаллы в виде бесцветных или окрашенных октаэдров или ромбододэкаэдров.

Из других веществ также можно при сверхвысоких давлениях аналогичным образом получать интересные и подчас новые модификации материалов. Так, при давлениях от 65 до 90 тысяч атмосфер и температурах порядка 1500-2000 °С образуется нитрид бора с кубической кристаллической структурой. Этот названный боразоном материал тверже алмаза и к тому же обладает намного большей термоустойчивостью (до 1900 °С), что очень важно при производстве абразивных материалов, подвергающихся действию больших нагрузок.

Можно смело сказать, что техника высоких давлений представляет несомненный интерес при исследовании свойств веществ и найдет много новых областей применения. Исследовательские работы подобного рода особенно важны для понимания свойств материи в экстремальных условиях, какие имеют место в недрах Земли и других планет. Техника высоких давлений позволяет исследовать новые формы состояния вещества, очень мало известные нам ранее. В ударных волнах, возникающих при взрыве, за очень короткое время достигаются давления порядка миллионов атмосфер. При таких давлениях постепенно разрушаются электронные облака атомов и образуется непривычное нам сверхплотное вещество металлического характера. Для увеличения продолжительности подобных исследований в настоящее время созданы новые гигантские аппараты высоких давлений. В институте имени Лебедева в Москве создан многоступенчатый пресс, размером с высотный дом, внутри которого создаются давления в несколько сотен тысяч атмосфер. Много дискуссий вызывает проблема создания металлической модификации водорода, существующей при комнатной температуре и обладающей сверхпроводимостью, то есть пренебрежимо малым электрическим сопротивлением. Если представить себе, что внутри Юпитера существует давление в 50 миллионов атмосфер, внутри Солнца в 250 миллионов, а внутри сверхплотных звезд типа спутника Сириуса давление достигает 1017 атмосфер, то станет ясно, что быстрое развитие техники высоких давлений для исследования необычных (по отношению к условиям на земной поверхности) форм состояния вещества еще только начинается.