Технология каучука и резины

Ассортимент резиновых изделий насчитывает более 40000 наименований. Это резиновые детали, прорезиненные ткани, металл с резиной и т.д. За счет диэлектрических свойств и газо-водонепроницаемости резина применяется в электротехнической промышленности, производстве кабелей, надувных ангаров, лодок и т. д., за счет высокой эластичности – в производстве автошин, приводных ремней, трубопроводов и т.д.

Сырьем является сырой каучук. Макромолекула каучука находится в свернутом состоянии и после снятия нагрузки свертывается снова (этим обусловлена эластичность резины). Для каучуковой резины применяются натуральный и синтетический каучуки. Натуральный каучук (НК) – полиизопрен. Синтетические каучуки состоят из одного мономера. Их называют гомополярными, двух и более – сополимерными.

Натуральный каучук до 1932 года был единственным сырьем для получения резины. Его добывают из латекса, млечного сока тропического дерева гевея. На месте добычи латекса млечный сок обрабатывают кислотами, при этом происходит коагуляция, затем осуществляется промывка смеси водой. Полученный продукт прокатывают через вальцы и получают листы, которые подвергаются сушке. Кислород, озон и другие окислители вызывают деструкцию каучука. Это явление называется старением. Для производства автомобильных шин используют 60% получаемого натурального каучука.

 

Резины общего назначения

К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков –НК, СКБ, СКС, СКИ.

НК - натуральный каучук – является полимером изопрена (С₅Н₈)n. Он растворяется в жирных и ароматических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), образуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве выше 80-100^оС каучук становится пластичным и при 200^оС начинает разлагаться. При температуре –70^оС НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает также при растяжении каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами:

СКБ – синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С.В.Лебедева. Формула полибутадиена (C₄H₆)n. Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Морозостойкость бутадиенового каучука невысокая (от -40 до-45^оС). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС- бутадиенстирольный кучук – получается при совместной полимеризации бутадиена (C₄H₆) и стирола. Это самый распространенный каучук общего назначения.

В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30получают резины с хорошим сопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких температурах (от –74 до – 77^о С). При подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической прочностью.

СКИ- синтетический каучук изопреновый – продукт полимеризации изопрена (С₅Н₈). Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов катализаторов. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к НК. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-3П, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-3Д, предназначенный для получения электроизоляционных резин, СКИ-3В – для вакуумной техники.

Резины общего назначения могут работать в среде воды, воздуха, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от –35 до 130^о С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические изделия.

Резины специального назначения. Специальные резины подразделяются на несколько видов: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям.

 

23. Основы технологических процессов электроники и микроэлектроники

 

23.1. Технология изготовления интегральных микросхем

Интегральной схемой (ИС) называется электронное устройство, которое имеет высокую плотность компоновки элементов электрической схемы и где все или часть элементов сформированы или соединены между собой на одном полупроводниковом кристалле или диэлектрической подложке и обладают миниатюрными размерами (несколько мкм).

Вопросы производства и технологии ИС рассматриваются в разделе микроэлектроники, изучающем технологические, физические, и конструктивные особенности электро- и радиоэлементов с размерами не более 1 мкм хотя бы по одной координате.

Наиболее важной проблемой при создании микросхем является разработка элементов и совместимых друг с другом материалов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками тонких слоев, а также последовательности технологических операций формирования многослойной структуры, при которой последующие операции не оказывают вредного влияния на характеристики ранее сформированных слоев.

В зависимости от способа создания пленочных композиций микросхемы делятся на 2 класса: гибридные интегральные схемы (ГИС) и полупроводниковые интегральные схемы (ПИС).

ГИС – миниатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно, технологически и электрически на поверхности диэлектрической подложки. В технологии ГИС пассивные элементы (резисторы, проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и изоляционные слои) изготавливаются в одном технологическом цикле в виде металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки.

Активные компоненты (диоды, транзисторы) монтируются на поверхности подложки и соединяются с другими элементами. ГИС могут быть изготовлены по тонкопленочной и толстопленочной технологии.

Тонкопленочная технология – это последовательное нанесение на общее основание тонких (менее 1-2мкм) пленочных проводников, контактов. Резисторов, изоляторов с формированием микрогеометрии элементов и их соединений при осаждении с помощью специальных трафаретов, а также с помощью локального травления.

Толстопленочная технология – это последовательное нанесение через сетчатые трафареты и вжигание в керамические подложки паст проводящего и диэлектрического назначения.

Проводящие пасты состоят из металлических порошков (серебро, золото, платина) и стекла (связующее) и обеспечивают изготовление проводящих дорожек.

Пасты для изоляционных слоев состоят из стекла и органических жидкостей.

Проводящая паста наносится и вжигается при температуре 750-95^оС. Резистивная и диэлектрическая пасты вжигаются при более низких температурах.

 

23.2. Полупроводниковые интегральные схемы

Полупроводниковые интегральные схемы получаются путем целенаправленного изменения свойств материала полупроводниковой подложки, легированной примесью. В качестве подложки может быть использован полупроводниковый кристалл. Добавление примесей, например, из германия и кремния, осуществляется в строго определенных местах подложки и в строго определенных количествах. Это позволит широко варьировать характеристики полупроводникового кристалла от изолятора до проводника. Изменение свойств происходит в слое, равном нескольким мкм и называемом p-n переходом. Этот слой характеризуется дырочной и электронной проводимостью. Рассмотрим эти процессы.

При низких температурах в кристаллах полупроводника все электроны связаны с атомами (свободных электронов нет) и кристалл представляет собой изолятор.

При повышении температуры отдельные электроны отрываются от атомов и могут создать в кристалле электрический ток при приложении напряжения. При удалении электрона из атома в оболочке образуется дырка. Свободные электроны и дырки беспорядочно перемещаются по кристаллу. При включении полупроводника в цепь, электроны перемещаются и при встрече дырки рекомбинируют, занимая вакансию. Такая проводимость называется собственной.

Если в кристалл ввести небольшое количество алюминия, то проводимость легированного кристалла будет дырочного типа, т.е. р-типа.

При введении мышьяка получаем полупроводник с электронной проводимостью n-типа. Если в кристалле имеются 2 зоны р-типа и n-типа, то граница называется р-n переходом и выполняет функцию диода. Создавая различные комбинации р-n переходов, можно получать элементы диоды, транзисторы, резисторы и т.д.

Полупроводниковые ИС получают по эпитаксиально-планарной технологии:

1) окисляется поверхность полупроводника кристалла;

2) травлением вскрывают окна на поверхности;

3) легируют полупроводник в зоне окон из газовой фазы;

4) закрывают окна окислением;

5) вскрывают окна и легируют поверхность в других местах;

6) напыляют мостики из проводников.

На поверхности кристалла 100 100 мм можно сформировать несколько тысяч ИС.

Толсто- и тонкопленочные технологии применяются для мелкосерийного производства, т.к. требуют низких затрат на подготовку производства.

Технология полупроводниковых ИС применяется в массовом и крупносерийном производстве.

 

23.3. Фотолитография в микроэлектронике

Фотолитография – это совокупность фотохимических процессов, основанных на использовании светочувствительных полимеров (фоторезисторов), изменяющих свои свойства под действием излучений различного характера. В слое фоторезистора создаются «окна» для доступа травителя к расположенному под фоторезистором полупроводнику.

Фоторезисторы бывают позитивные и негативные. Позитивные стойки к воздействию растворителей в обычном состоянии, но разрушаются при излучении и смываются растворителями. Негативные в обычном состоянии легко растворяются, но под действием излучения становятся стойкими. Фотошаблоны, выполненные на фотопластинке, - жесткие, а выполненные на фотопленке – гибкие.

Геометрический рисунок фотошаблона должен иметь допуск 1 до 5 мкм для ГИС и долей мкм для полупроводниковых ИС.

Для нанесения фоторезиста на пластинку существуют следующие способы: центрифугирование. Пульверизация, вытягивание из раствора, напыление в электростатическом поле, накатка валиком, полив.

Центрифугирование обеспечивает в течение 20-3- с нанесение тонких пленок до 1 мкм. При методе пульверизации можно проводить контроль в пределах 0,35-20мкм.

Для толстых слоев (10-20 мкм) применяют полив и сушку при температуре 80-100^оС. экспонирование фоторезиста осуществляют контактным и проекционным способами. Травление может быть химическим и ионным. Метод ионного травления основан на использовании пучка положительных ионов с высокой кинетической энергией.

 

23.4. Нанесение тонких пленок в вакууме

Температурой испарения считается температура, при которой давление собственных паров становится равным 1,33 Па (10^-2мм рт.ст.).

Методы испарения различных материалов различают по способам нагрева. Наиболее простым является термическое испарение, когда испаряемый материал помещают на ленту из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена) и через нее пропускают ток в сотни ампер. Такой метод применяют для материалов, имеющих температуру испарения не выше 2000-2200^оС.

Нагрев пучком электронов, получаемых в электронной пушке, используют для испарения тугоплавких материалов: вольфрама, ниобия и других. Катодное распыление материалов заключается в том, что положительные ионы бомбардируют катод.

Метод ионо-плазменного напыления заключается в получении резистивных, проводящих и диэлектрических пленок, при этом распыление осуществляется бомбардировкой материала мишени ионами из газового разряда. Разряд формируется между катодом и независимым анодом.

 

23.5. Технология изготовления печатных плат (ПП)

ПП представляет собой полоски проводника, нанесенные на жесткое или гибкое основание изолятора. Печатный монтаж, в сравнении с объемным, имеет следующие преимущества:

- объединение электро- и радиоэлектронов и электромонтажа в единую конструктивную единицу;

- возможность автоматизации процессов монтажа;

- времени изготовления и экономия материалов;

- повышение надежности.

Техпроцессы изготовления печатных плат можно разбить на 2 группы: субстрактивные и аддитивные.

К субстрактивным относятся все технические процессы, с помощью которых структура монтажа ПП изготавливается на предварительно металлизованных диэлектрических основаниях путем стравливания ненужных участков металлического покрытия.

Аддитивные процессы основаны на наращивании на диэлектрическом основании металлических дорожек.

 

24. Технология применения лазера в промышленности

 

24.1 Физические основы работы лазера

В начале двадцатого века А.Эйнштейн показал, что существуют два различных процесса испускания энергии: спонтанное и вынужденное излучение. В 1916 году он опубликовал две работы, посвященные этому вопросу: «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», «К квантовой теории излучения».

Вынужденное излучение лежит в основе работы лазера. Слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «усиление света вынужденным излучением».

Рассмотрим, в чем проявляются особенности вынужденного испускания света. Энергия атома квантуется. Это значит, что атомы находятся на определенном энергетическом уровне. При переходе на более низкий энергетический уровень испускается некоторое количество энергии – квант или фотон. Энергия кванта равна:

,

где -частота излучения, -постоянная планка, =6,6 10^-34Дж/с.

, это энергия фотона при переходе с уровня Е₂ на Е_1.

Эйнштейн показал, что при пропускании света через вещество он, как правило, поглощается. Это значит. Что в веществе больше электронов, находящихся на уровне Е_1., чем на Е_2.

В 1939 году советский физик В.А.Фабрикант предложил обращенную (инверсную) наследственность энергетических уровней в веществе. Предполагалось, что существуют вещества, способные усиливать излучение. При этом за счет вспомогательного излучения осуществляется перевод атомов с энергетического уровня Е₁ на более высокий энергетический уровень Е_2. При этом атомы могут накапливаться на промежуточном энергетическом уровне. В результате может быть создана инверсная наследственность.

Для лавинообразного излучения фотонов необходимо накопление достаточно большого их количества на указанном энергетическом уровне. При переходе многих атомов с уровня Е₂ на Е₁ появляется лавина вторичных фотонов, которые будут иметь одинаковую энергию и двигаться в одном направлении. Поскольку энергия у излученных фотонов одинаковая, то и частота излучения тоже одинаковая.

Установлено, что излучается одна электромагнитная волна. Вынужденное излучение – процесс управляемый. Его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атомов с уровня Е₂ на Е_1,но и определяет направление движения.

 

24.2. Принцип работы лазера

Основой лазера является активный элемент. В лазерах начинали с активного элемента в виде граната с неодимом. В кристалле активными центрами являются ионы неодима. Поглощая излучение специальной лампы – осветителя ионы неодима возбуждаются, переходя на более высокий энергетический уровень. Аналогичные процессы происходят в кристалле рубина. При этом атомы накапливаются на долгоживущем промежуточном уровне. Для усиления воздействия лампы-вспышки (накачка) устанавливается специальный отражатель. Излучение из активного элемента не будет направленным. Чтобы это обеспечить, устанавливается резонатор, например, в виде двух зеркал, расположенных перпендикулярно оси основного элемента. При этом одно зеркало является отражающим, другое – полупрозрачным. При этом генерируются только фотоны, которые движутся вдоль оси кристалла. Рассмотренная схема обеспечивает импульсное излучение. В настоящее время имеется большое разнообразие лазеров. В качестве активных сред используются диэлектрические кристаллы, полупроводники, газовые смеси и т.д. С оптической накачкой в виде лампы-вспышки созданы лазеры с активным элементом в виде граната с неодимом, стекла с неодимом, рубина и т.д. Для накачки лазеров на газовых смесях используют газовый разряд. Широко используется гелий – неоновый лазер и углекислотный лазер. В первом роль активных центров выполняют атомы неона. Их возбуждают электроны, образующиеся в газовом разряде.

 

24.3. Когерентный свет

Лампы накаливания и дневного света испускают несогласованный по частоте и направлению свет, который в оптике называется некогерентным. Это обусловлено спонтанным излучением.

Лазерный луч – когерентный. Это обусловлено вынужденным излучением. При когерентном излучении (монохроматическом)

10^-6 - 10^–7,

где - длина волны.

Некогерентный свет нельзя хорошо сфокусировать. Когерентный можно, т.е. можно обеспечить световое пятно диаметром около 1 мкм. Это позволяет создать тонкий луч с большими энергиями. Например, луч СО₂ – лазера диаметром 1 мм имеет интенсивность луча 10⁵Вт\см². Солнечный свет имеет мощность 0,1 Вт\см². Поэтому энергии СО₂ – лазера достаточно, чтобы резать металл.

 

24.4. Обработка материалов лазерным лучом

При возрастании интенсивности излучения энергия воздействия лазера возрастает. При Е=10⁵Вт\см² начинается плавление металла. При Е=10 ⁶- 10⁷ Вт\см² начинается процесс испарения металла и формирования отверстия или разреза. При Е=10⁹Вт\см² свет начинает ионизировать пары, превращая их в плазму. Плазма препятствует доступу света, поэтому Е не должно превышать 10⁸Вт\см².

Необходимо также учитывать время действия импульса излучения. Можно регулировать частоту и продолжительность воздействия импульса излучения. Для плавления металла продолжительность импульса дается

10^-7с. В этом случае металл испаряется.

Для сварки используют импульсы продолжительностью 10^-2- 10^-3с. Для пробивания отверстия используют импульсы продолжительностью 10^-5с.

Сверление отверстий. В часах используют опоры осей часового механизма из рубинов. В них требуется высверливать отверстия диаметром 0,1-0,5 мм. При механическом сверлении на эту операцию требуется 15 минут. Производительность лазера с гранатом и неодимом составляет 1сек на 1 отверстие.

Для производства тончайшей проволоки из меди, бронзы, вольфрама диаметром около 10 мкм используют алмазные фильеры. Для сверления одного отверстия в алмазном фильере механическим путем требуется 10 часов. Лазерным лучом пробивают черновой канал за 1 сек, который затем обрабатывают механическим путем (ультразвуком).

Широко используется лазерное сверление при производстве интегральных микросхем (ИС). При толстопленочной технологии изготовления ИС отверстия в подложке (глинозем) для активных элементов изготавливают механическим путем в сырой подложке. При это она деформируется. При пробивке лучом лазера готовой подложки эти недостатки отсутствуют. Глубина пробиваемого отверстия может превышать диаметр в 10-15 раз.

При использовании лазера возможно сверление или сварка через оптически прозрачную преграду, при этом такая технология позволяет получать высокое качество шва, в частности, для ремонта или изготовления сложных электронных приборов, например, электронных трубок. Лазерный луч позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах конструкций.

 

24.5 Лазерная сварка

Первоначально была отработана точечная сварка на основе импульсных твердотельных лазеров на стекле с неодимом и рубином. С появлением мощных СО₂ лазеров и лазеров на гранате с неодимом стала развиваться шовная сварка. Скорость такой сварки несколько метров в минуту, ширина шва 0,5 мм. На ЗИЛе имеется лазерная сварка карданных валов, при этом срок службы валов повысился в 3 раза.

Развивается сварка неметаллических материалов – стекла, кварца и т.д. Следует отметить, что скорость электродуговой сварки – 15м\час, лазерной в несколько раз больше. Лазерная сварка по сравнению с электродуговой более экономичная, производительная, качественная и благополучная в экологическом плане.

 

24.6 Термообработка лазерным лучом

Лазерный луч нагревает локальную область на поверхности металла, затем при его перемещении поверхность быстро остывает, образуя мелкокристаллическую структуру, т.е. происходит закалка. Например, на АЗЛК осуществляют лазерную закалку корпуса заднего моста СО₂ лазером. В последние годы появился новый процесс - лазерное остекловывание металла. При очень быстром охлаждении образуется аморфный слой металла. Скорость охлаждения должна быть 10⁸ град\сек. Полученный слой обладает рядом свойств: повышенной прочностью, износостойкостью, проводимостью и и.д.

 

24.7 Преимущества лазерной обработки материалов

Лазерная обработка обладает рядом преимуществ:

1) разнообразие материалов обработки, в т.ч. таких, которые вообще не обрабатываются механическим способом;

2) высокая скорость операций;

3) возможность автоматизации операций;

4) высокое качество обработки без загрязнения поверхностей;

5) возможность прецизионной обработки;

6) селективность обработки поверхностей. (Обработка части поверхности и целостность других);

7) возможность дистанционной обработки;

8) возможность выполнения уникальных операций.

 

24.8 Получение и восстановление голограмм

Голограммы бывают плоские и изобразительные. Плоской является голограмма, полученная в свете одного лазера, т.е. когерентном и монохроматическом, и восстанавливаемая с помощью того же лазера, который был использован при ее записи. Изобразительной называется голограмма, получаемая с использованием нескольких лазеров и восстанавливаемая в дневном свете.

Плоские голограммы чаще всего используются в исследовательских целях или для записи и хранения информации. Изобразительные голограммы чаще используются для демонстрации произведений искусства или других объектов.

Для получения плоской голограммы чаще используется лазер, свет которого разделяется на два пучка: одним освещается объект, второй направляется на голографическую пластинку. Отраженный от объекта свет падает на голографическую пластинку, интерферирует с расширенным пучком света от лазера. Первая световая волна называется сферической объектной, вторая – опорной. Голографическая пластинка используется для воспроизведения потока световых волн, записанных ранее.

Для восстановления потока света от объекта в его отсутствие достаточно восстановить частоту отраженной от объекта волны, ее длину и углы отражения. При попадании на голографическую пластинку объектной и опорной волн происходит их интерференция, в результате голограмма имеет систему полос. Процесс получения интерференционной картины называется процессом записи голограмм. При освещении голограммы расширенным лазерным лучом (опорным пучком) можно получить за голограммой реалистической изображение объекта. Это произошло в результате формирования световых волн, являющихся копиями отраженных волн. Поскольку голограмма освещена тем же светом, что и при ее регистрации, то длина и частота световой волны при восстановления изображения совпадают с параметрами волны при регистрации. При прохождении опорного пучка света через голографическую пластинку происходит дифракция света за счет интерференционных полос. При этом углы дифракции равны углам интерференции. Таким образом, удается полностью восстановить световой поток от объекта.

Поскольку наблюдатель восстанавливает точно такую же волну, как и объект, то это не просто объемное изображение, оно выглядит так же, как и основной объект. Меняя точки обзора, можно видеть, как появляются новые детали.

В процессе восстановления голограммы на нее направляют считывающую волну, точную копию опорной волны. Частично считывающая волна пройдет через голограмму, испытав дифракцию, а частично отразится. Таким образом сформируются два изображения: мнимое и действительное. Натурально выглядит только мнимое изображение (сформированное от отраженного света). Действительное изображение будет представлять собой зеркальное отображение объекта (такое изображение называется псевдоскопичным). Если голографическую пластинку освещать с обратной стороны, то псевдоскопичным будет мнимое изображение.

 

 

24.9 Объемные голограммы

 

Для объемной голограммы характерно, что толщина светочувствительного слоя существенно больше длины световой волны и может составлять более 20 мкм, что в 30 раз больше длины волны неоново-гелиевого лазера. В объемной голограмме имеется структура, состоящая из интерференционных слоев.

Восстановление светового потока с помощью изобразительной голограммы основано на отражении световых волн от интерференционных слоев, которые были получены при регистрации объекта в свете различных лазеров. Дневной свет, в котором восстанавливается голограмма, состоит из большого количества различных световых волн. Отражение, например, красного света, происходит за счет отражения от интерференционного слоя, полученного при использовании лазера красного цвета. Из всей гаммы световых волн белого цвета голограмма отражает только те, которые были зарегистрированы при использовании лазеров с соответствующей длиной волны. Отражение света от изобразительной голограммы получило название Брэгговского.

Объемные голограммы получают, прежде всего, для изобразительных голограмм. Они были предложены Денисюком.

 

24.10 Материалы, используемые для записи голограмм

Интерференционная картина имеет очень тонкую структуру. Расстояния между полосами могут быть около 1 мкм. Поэтому материалы должны быть с очень высокими разрешающими свойствами. Фотоэмульсия – это зерна бромистого серебра в желатиновой массе. Размер зерна должен быть менее 1 мкм.

Однако, фотоматериалы обладают тем свойством, что при повышении зернистости снижается их светочувствительность. Светочувствительность должна быть не ниже 10^-2Дж\см². Современные светорезисторы (органические фотоматериалы) при светочувствительности от10^-2Дж\см² имеют разрешающую способность 1-3 мкм. Все фотоматериалы имеют недостаток – они являются одноразовыми (необратимыми).

В настоящее время имеются обратимые регистрирующие среды, допускающие стирание и повторную запись голограмм. К ним относятся жидкие кристаллы, меняющие прозрачность под действием света, пленки из термопластика и др.

Рассмотрим применение термопластика. Это прозрачный диэлектрик, размягчающийся при температуре около 50^оС. Термопластик наносят на слоистую конструкцию, состоящую из полупроводника и проводника. Ее заряжают в темноте коронным разрядом, затем освещают объектовой и опорной волной. При этом происходит перераспределение положительных и отрицательных зарядов на участке, который был освещен. Затем заряжают повторно поверхность термопластика. При этом потенциал внутри конденсатора выравнивается, но появляется избыточный заряд на поверхности термопластика, на участке, который был освещен. В последующем термопластик нагревают до размягчения, и под действием кулоновских сил толщина слоя термопластика меняется.

Считывающий световой пучок, проходя через тонкую поверхность, чувствует неровности. Меняется длина пути прохождения света и, следовательно, меняется фаза световой волны. Такие голограммы называют фазовыми. Голограммы же на фотоматериалах называют амплитудными. Пространственное разрешение фазовых голограмм достигает 1 мкм. Для подготовки голограммы к повторному использованию, достаточно ее нагреть.

 

24.11 Голографическая интерферометрия – метод неразрушающего контроля

Голографическая интерферометрия – это метод неразрушающего контроля изделий с использованием лазера.

Лазер позволяет регистрировать крайне малые перемещения поверхности объекта или ее отдельных точек – менее 1 мкм. Выполняются две экспозиции объекта: первая экспозиция – объект в исходном состоянии; вторая экспозиция – на объект воздействует нагрузка. Нагрузка принимается по величине, равной 5-7% от эксплуатационной. Выполненные экспозиции дают на голограмме интерференционную картину, которая является предметом изучения. При наличии дефектов, в том числе внутренних, прочность изделия в этой зоне будет пониженной. Вследствие этого деформация участка поверхности с дефектом будет отличаться от деформации остальной поверхности. При восстановлении голограммы это будет зафиксировано, как отклонение интерференционных полос от регулярной траектории. При этом, чем больше величина отклонения, тем больше деформация поверхности и больше величина дефекта. При наличии соответствующего программного продукта осуществляется количественная оценка дефекта. В отличие от других методов неразрушающего контроля, в частности рентгеновского, изложенный метод отличается четкостью определения дефектов и их размеров.

 

25.Технология переработки топлив

 

25.1 Основные виды и методы переработки топлив

Топливом называются твердые, жидкие и газообразные вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности.

В результате химической переработки различных топлив получается огромное количество углеводородного сырья для производства пластмасс,, химических волокон, синтетического каучука, лаков, растворителей и т.д. Например, при коксовании углей получают: бензол, толуол, фенол, нафталин, водород, метан и т.д.

Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ, содержащий до 98% метана. Древесина и древесные отходы являются источником получения целлюлозы, этилового спирта, уксусной кислоты и т.д. из сланцев и торфа получают горючие газы, сырье для производства масел, моторных топлив, высокомолекулярных соединений и т.д.

В настоящее время в мировом топливном балансе возрастает роль твердого топлива. Из угля и сланцев по современным технологиям получают дешевое жидкое и газообразное топливо.

Топливо бывает естественное и искусственное (после переработки).

Естественное топливо:

-древесина, торф, уголь, сланцы;

-нефть;

-природный газ, попутные газы.

Искусственное топливо:

-кокс, полукокс, древесный уголь;

-бензин, керосин, мазут и т.д.;

-коксовый газ, генераторные газы, газы нефтепереработки.

Твердые топлива состоят из горючей органической массы и негорючей части (минеральных примесей и балласта).

Жидкие топлива – это нефть. Она содержит 80-85% углерода, 10-14% водорода, остальное – минеральные и механические примеси. Углеводородная часть состоит из углеводородов трех рядов: парафинового, нафтенового и ароматического. Минеральные примеси – это минеральные соли, зола. Механические примеси – это песок и глина.

Твердые топлива перерабатываются следующими методами: пиролиз или сухая перегонка, газификация и гидрирование.

Пиролиз осуществляется при нагревании топлива без доступа воздуха. Нагрев реакционных аппаратов могут производить горячими дымовыми газами, которые передают тепло топливу через стенку аппарата.

Газификация – это процесс переработки топлива, при котором его органическая часть превращается в горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и других газов. Этот процесс экзотермический: температура газификации равна 900-1100^оС.

Гидрирование – переработка твердого топлива, при котором при влиянии высокой температуры при действии водорода и в присутствии катализаторов происходят химические реакции, приводящие к образованию продуктов, более богатых водородом, чем исходное сырье.

 

25.2. Методы переработки нефти

Методы переработки нефти можно разделить на физические и химические. Физические методы основаны на ее физических свойствах. Наиболее распространен процесс перегонки, при котором нефть разделяют на фракции, имеющие разную температуру испарения. Этот метод можно отнести к физическим.

Термический крекинг – экономический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул углеводородов на более короткие молекулы низкокипящих продуктов. Термический крекинг протекает при температуре 450-500^оС и повышенном давлении. Термический крекинг, проводимый при температуре 670-1200^оС и при атмосферном давлении называется пиролизом. Продуктами крекинга являются крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток.

Каталитическим называется крекинг с применением катализатора. Применение катализатора позволяет не только повысить выход, но и улучшить качество продуктов. Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмо-силикаты, содержащие 10-25% окиси алюминия и кремния.

Разновидностью каталитического крекинга является риформинг. Катализатором в этом случае служит платина, нанесенная на окись алюминия.

Продукты прямой перегонки нефти можно разделить на 3 группы:

-топливные фракции;

-масляные дистилляты;

-гудрон.

Топливные фракции подразделяются на бензины (t_кип=180-200^оС), лигроины (t_кип=105-220^оС), керосины (t_кип=140-330^оС). Они применяются для двигательных топлив, осветительных материалов и т.д. Газойль относится к фракции с t_кип=400^оС. Легкий газойль (скляр) – это дизельное топливо. Тяжелый газойль используется для дальнейшей переработки. Мазут – это фракция, включающая углеводороды, парафины, маслянистые и смолистые вещества с температурой кипения выше 300^оС. легкие мазуты применяются в качестве котельного топлива и для газовых турбин, тяжелые – для дальнейшей переработки.

Масляные дистилляты – это фракции, состоящие из углеводородов (t_кип=350-550^оС). Они применяются для получения масел.

Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и тяжелых углеводородов. Применяется для получения битумов и кокса в резинотехнической промышленности.

К технико-экономическим показателям нефтеперерабатывающей промышленности относятся: производительность и мощность оборудования; интенсивность процесса; производительность труда; себестоимость продукции; капитальные затраты. Коксоперерабатывающие и нефтехимические отрасли промышленности характеризуются высокой материало- и энергоемкостью. Затраты на сырье составляют 50-75%. Основными путями снижения затрат является совершенствование процессов переработки нефти и кокса, применение каталитических процессов, внедрение комплексной автоматизации.

Коксохимическая промышленность обеспечивает коксование углей. В результате коксования углей получают следующие продукты.

1. Кокс- продукт темно-серого цвета, пористость которого составляет 45-55%, содержит 97-98% углерода. В зависимости от назначения кокс делится на следующие виды.

- Доменный кокс. Представляет собой крупные, более 40 мм в диаметре прочные и пористые куски. По содержанию серы подразделяется на марки КД1, КД2, КД3. Содержание серы не должно превышать 1,3-1,9%.

- Литейный кокс (марки КЛ). Частицы имеют диаметр 25 мм. Содержание серы 1,2-1,3%.

- Коксовый орешек (КО). Применяется для производства ферросплавов, имеет диаметр 10-25 мм.

- Коксовая мелочь. Имеет диаметр менее 10 мм. Применяется для агломерации

2. Обратный коксовый газ содержит 60% водорода и 25% метана, остальные – азот, окись углерода, углекислый газ, кислород. Применяется для подогрева воздушного дутья в доменных печах, для обогрева сталеплавильных, коксовых и других печей, является сырьем для производства водорода, аммиака.

3. Сырой бензол состоит из бензола, толуола, ксилола, фенолов и т.д. применяется для производства полимеров, красителей, лекарственных препаратов, ядохимикатов и др.

4. Каменноугольная смола является смесью ароматических углеводородов. Ее используют для производства красителей, химических волокон, пластмасс, в фармацевтической промышленности, для производства технических масел.