# Монокристаллы с идеальной кристаллической решёткой

Валерий Алексеевич Быков

Нечитаемо. Тупое материаловедение.

Часть 1. Монокристаллы с идеальной кристаллической решёткой.

Для начала стоит уточнить, что все современные металлы, которые используются в производстве и военной технике имеют весьма конечную прочность. Наиболее прочным из металлов является хромоникелевая сталь, сплав железа, хрома и никеля. Этот металл в нормальном состоянии имеет прочность около 1,2ГПа, и при специфической термообработке может достигать прочности 1,7ГПа, но при термообработке на прочность свыше 1,2ГПа он становится хрупким и быстро покрывается трещинами, что проистекает из-за большого числа дислокаций. При этом хромоникелевая сталь имеет плотность около 8000кг/м3 и температуру плавления 1750К, при этом при температуре свыше 1500К прочность металла резко снижается. Другие же металлы, такие как титан, имеют прочность порядка 0,9ГПа при плотности около 4500кг/м3 и температуре плавления 1933К. Алюминий при плотности 2600кг/м3 имеет прочность до 0,35ГПа и температуру плавления 960К. Стоит особо подчеркнуть, что все наиболее тугоплавкие металлы, такие как молибден, вольфрам, рений и их сплавы, имеют прочность 0,3-0,4ГПа, температуру плавления 3000-3600К и плотность от 20000кг/м3 и выше. Исключение составляет молибден, он имеет прочность стали и температуру плавления 2980К, однако, обладает некоторой хрупкостью. При этом наиболее типичным современным материалом является обыкновенная сталь, что имеет прочность 0,7-0,9ГПа при плотности 7800-8200кг/м3. Стоит особо подчеркнуть, что титан имеет меньшую прочность, чем сталь, однако, считается наиболее прочным металлом по причине в 1,5 раза меньшей плотности. То есть прочность титана на единицу массы выше, чем у стали. Так вот, на первом абзаце вся человеческая металлургия практически заканчивается.

Стоит особо подчеркнуть, что степень совершенства любое боевой техники напрямую зависит от прочности и температуры плавления металла. За примером далеко ходить не надо. Более прочный, тугоплавкий и износостойкий материал мог бы повысить обороты двигателя внутреннего сгорания, увеличить его удельную мощность, а повышение температуры в камере сгорания означает более высокий перепад давления и более высокий КПД двигателя. Что важно не только для военной техники, но и для гражданской, поскольку повышение КПД двигателей всего автотранспорта на 10%, позволило бы на 10% снизить затраты на топливо, а это огромная статья расходов. Также более прочный и износостойкий металл для двигателя означает меньшие затраты на ремонт, поскольку ремонтировать технику придётся реже. Например, тот же подшипник мог бы служить дольше. Стоит особо подчеркнуть, что повышение твёрдости металла на 10% означает увеличение срока службы подшипника на 200%.

Не стоит забывать и про военную технику, прежде всего про броню танков, бронемашин или просто солдатских касок и бронежилетов. Что значит увеличение прочности металла в два раза? Это значит, что броня той же массы способна выдержать вдвое более сильное воздействие. Сегодня мы делаем танки из многослойной брони, обычно верхняя броня твёрдая и имеет прочность порядка 1,1ГПа, и она ложится на вязкий слой прочностью 0,7ГПа. Причина необходимости создания вязкой брони банальна, слишком твёрдая броня плохо переживает ударные нагрузки и трескается, в связи с чем приходится обрабатывать сталь на низкую прочность и максимальную пластичность. Стоит особо подчеркнуть, что высокая пластичность металла достижима и при более высокой прочности. Таким образом, понятно, что увеличение прочности металла возможно, и это способно радикально повысить ТТХ военной техники, даже без изменения конструкции. Банальная замена бронелиста танка на другой материал той же плотности, и вдвое более высокой прочности, и деталь той же геометрии станет в 2 раза более стойкой к атакам врага. При этом, стоит особо подчеркнуть, что при повышении прочности повышается предел текучести металла, а именно предел текучести это основной параметр стойкости брони при попадании кумулятивных боеприпасов, что создают давление на поверхности брони порядка 25ГПа. Увеличение предела текучести металла вдвое, повышает способность танковой брони выдержать попадание кумулятивным боеприпасом в 3-4 раза. Стоит особо подчеркнуть, что кинетика и поражающие факторы бронебойного боеприпаса и кумулятивной струи различаются. Если обычный боеприпас действует как мгновенный удар на скорости 900-1200м/сек, то кумулятивный боеприпас создаёт давление газа при скорости 9-12км/сек, но на большее время. В связи с чем, броня должна не столько выдержать сам удар, сколько иметь возможность сопротивляться давлению в течение более длительного времени. Таким образом, понятно, что использование более прочных металлов способно повысить защищённость боевой техники во много раз.

Помимо брони более прочные металлы могут быть использованы как рёбра жёсткости боевых самолётов, увеличение прочности металла вдвое позволяет увеличить прочность фюзеляжа самолёта вдвое, либо вдвое снизить его вес. Снижение веса самолёта означает большую манёвренность, большую дальность полёта, и более высокий практический потолок. Т.е. высота полёта современных боевых самолётов составляет 18-21км, причём у самолётов поля боя она составляет около 18км, а у высотных перехватчиков и разведчиков до 21км. В связи с чем увеличение высоты полёта самолёта всего на 1км, весьма ощутимо с точки зрения его возможности достать противника, или убежать от него.

Стоит особо подчеркнуть, что современная авиация имеет примерно одинаковые максимальные скорости полёта 2500-3000км/час, причём многие самолёты 5го поколения имеют скорости полёта 2100-2400км/час, поскольку режимы до 3000км/час достигаются на форсаже большим перерасходом топлива, от чего было решено отказаться. Скорость самолёта на обычном режиме составляет 900-1100км/час. Стоит особо подчеркнуть, что в современной авиации температура в камере сгорания колеблется от 1600К до 2100К, и в зависимости от той температуры изменяется и скорость полёта самолёта. Увеличение температуры в камере сгорания хотя бы на 500 градусов, повысило бы максимальную скорость полёта самолёта с газотурбинным двигателем до 4000км/час, а КПД в два раза. Стоит особо подчеркнуть, что КПД современных самолётных газотурбинных двигателей очень невелико и составляет 22-32% даже на оптимальной крейсерской скорости, которая весьма невелика. На взлётном режиме или при работе форсажной камеры КПД двигателя самолёта много меньше 20%. Улучшение этого параметра возможно, но сегодня упирается в обороты ротора турбины и температуру плавления лопаток. При этом применение в бою авиации способной разгоняться до 4000км/час при современных средствах ПВО дало бы решительное преимущество над врагом. (хотя другие направления, такие как микроэлектроника и системы наведения также очень важны)

На сегодняшний самый совершенный металл людей, используется в боевой авиации в качестве лопаток турбины, это монокристалл хромоникилевого сплава. Этот материал имеет температуру плавления 1800К, сохраняет свои свойства до температур 1600-1650К и имеет прочность на разрыв 2,5ГПа, то есть он в два раза прочнее стали. Также в авиации пятого поколения часто используют в качестве секретной легирующей добавки такой металл как рений. Рений имеет свои недостатки, такие как высокая плотность 21000кг/м3, однако он имеет температуру плавления 3460К, и в отличие от многих других металлов вольфрамовой группы не горит и обладает высокой жаростойкостью. Что позволяет создавать на основе рения сплавы, где самого рения немного, не более 5% по массе, но с температурой плавления 2200К, что нередко используется в самолётах пятого поколения.

Тем не менее, потолок материаловедения очевиден, прочность металлов составляет 2,5ГПа и температура плавления 1800-2200К, и это во всём мире. А тугоплавкие металлы позволяющие достигать температур плавления 3000-3600К имеют высокую плотность, и низкую прочность. Грубо говоря, металл, имеющий прочность 0,4ГПа (сталь 1,2ГПа) при плотности 20тонн/м3 (сталь 8тонн/м3) имеет в 7,5 раз худшие параметры удельной прочности, чем сталь. Однако, всё же в самолёты 5го поколения рений впихнули, и видимо повышение прочности монокристалла позволило бы... Только вот на деле, последние 50 лет в авиационной отрасли дикий застой, и самолёты создающиеся сегодня по степени совершенства двигателя почти ничем не превосходят самолёты начала 1960ых годов. Если взять самолёт миг-23 (2300км/час) изготовленный в начале 1960ых годов и сравнить его с Т-50 (2200км/час), можно заметить, что Т-50 по скорости полёта недалеко ушёл вперёд. Несмотря на корпус нового самолёта покрытый стильной чёрной краской (якобы стеллз) и большую дальность полёта, что обусловлено тем, что более 50% массы заправленного Т-50 составляет топливо, реальные параметры Т-50 как летательного аппарата немногим опережают миг-23, а если сравнить с миг-25, что летал со скоростью 3000км/час, можно понять, что наша авиация не так сильно ушла вперёд от самолётов 1960-1970ых годов. Это объясняется тем, что в целом, параметры материалов за последние 50 лет изменились очень слабо.


То есть скажу более. Результат развития аэрокосмической отрасли за последние 50 лет: Теплотворная способность топлива керосин осталась неизменна, и как была 40-43МДж так 40-43МДж и осталась. Тоже самое касается металла, прочность современных авиационных сплавов не сильно изменилась, и даже не изменилась вовсе. Это и обусловило застой в области авиации.


Логично, что улучшение топлива или металла способно радикально повысить все ТТХ боевой техники, будь то вертолёты, танки, самолёты или артиллерия. Поскольку даже в артиллерии давление в стволе орудия играет большую роль, и увеличивая давление в стволе орудия можно уменьшить длину орудия и при этом повысить скорость полёта снаряда. Кстати, скорость полёта снарядов артиллерии тоже мало изменилась со времён второй мировой войны.


Вопрос, может металлов с более высокой прочностью просто не существует в природе?


Ответ: нет, такие металлы существуют. Более правильная обработка структуры металла позволяет не меняя химического состава металла изменить его структуру таким образом, чтобы прочность металла в разы возросла.

Начнём с того, что все металлы, отлитые обычным способом, состоят из зерна. Зерно представляет из себя множество мелких монокристалликов диаметром 15-30 микро метров каждый. Монокристаллики зерна соединены между собой межзёренным аморфным веществом. То есть тем же самым металлом, но не кристаллической структуры. При этом, это аморфное вещество имеет меньшую прочность, чем сам кристалл и по консистенции представляет из себя клей. Так устроен любой современный металл.

При правильной и хитрой термообработке размер зерна можно изменить, уменьшить его ли увеличить. С ростом размера зерна растёт жаростойкость и жаропрочность металла. А при уменьшении зерна растёт прочность металла. Однако, изменение размера зерна, меняет эти параметры на 20-25%, и люди про это знают. И на этом вся металлургия людей почти заканчивается. И только лопатки самолётов делают из простых монокристаллов, очень дорогим методом, и размеры лопаток турбины очень ограничены. При этом, прочность металла в монокристаллической лопатке турбины самолёта всего в 2 раза выше, чем его обычная прочность, что делает экономически невыгодным применение монокристаллов как брони военной техники.

Стоит уточнить, что современные монокристаллы, которые выращивают сегодня методом создания одного центра кристаллизации и очень медленного застывания металла, имеют так называемую неидеальную кристаллическую решётку. Что значит не идеальная решётка? Это значит, что структура решётки нарушена огромным количеством дефектов, когда какие-то атомы занимают в решётке не правильное не своё место, либо на месте узлов решётки примеси других элементов, имеющих иную валентность.

Фактически, чтобы понять лучше, что такое неидеальная решётка, представьте себе плетёную ткань, а потом возьмите нож и перережьте в этой ткани сотни ниток в разных местах. Ткань распустится, она всё ещё останется тканью, но если кто-то решит её порвать, то её прочность сократится в несколько раз.

Весь кристалл любого современного металла, в том числе самых лучших металлов, что используются в авиации, покрыт огромным количество дефектов. Обычно количество дефектов считают на один квадратный метр кристаллической решётки толщиной в один атом. Так вот, на один квадратный метр решётки приходится 10^12 (десять в двенадцатой степени) дефектов. При этом, такое число дефектов образуется каждый раз, когда решётка застывает из расплава, совершенно обязательно вследствие процессов рандома. При этом, при 10^12 дефектов решётка кристалла имеет наименьшую прочность из возможных. Увеличение числа дефектов в 10 или 100 раз, увеличивает прочность металла в 1,5-2 раза. Однако, увеличение числа дефектов решётки резко увеличивает процессы образования трещин в кристалле, и при 10^14 металл буквально рассыпается на глазах. В связи с чем, число дефектов (дислокаций) повышают, но незначительно.

Уменьшение числа дефектов до отметки 10^11 повышает прочность металла вдвое. Но самое интересное начинается, если уменьшить число дефектов до 10^3 и менее. В этом случае прочность металла возрастает в 40-60 раз, а температура плавления возрастает в 1,5 раза. При дальнейшем уменьшении числа дефектов и доведения их числа до 0 на квадратный метр, прочность металла возрастает в 100-200 раз. Для некоторых металлов, прежде всего для вольфрамовой и молибденовой групп, прочность возрастает в 400-600раз. При этом, при нуле дислокаций, температура плавления делает резкий скачок вверх, и возрастает в 2,5 раза по сравнению с обычной. Что объясняется тем фактом, что центром начала плавления любого кристалла является пучок дислокаций, и когда дислокаций нет, металлу не с чего плавиться. Стоит особо подчеркнуть что металлы умеют сохранять малое число дефектов, и не приобретать новые без серьёзных механических воздействий.


Такие металлы называют монокристаллами с идеальной кристаллической решёткой.


Их применение способно повысить ТТХ любой военной техники в огромное число раз. В частности построить самолёты способные летать быстрее всех, выше всех, совершать манёвры на огромных ускорениях, иметь броню, что по прочности превышает современную танковую. Стоит особо подчеркнуть, что металл в состоянии идеальной кристаллической решётки имеет почти такую же плотность, как и обычный металл. (плотность возрастает на 0,5% но это не существенно) И при этом, такой металл в сотни раз прочнее и имеет более высокую температуру плавления. При этом, разные металлы повышают свою прочность по-разному. Таковы параметры следующих металлов в состоянии идеальной кристаллической решётки:

металл......обычная прочность....Т плавления,....идеальный монокристалл....Т плавления

Железо........0,3ГПа(1,2ГПа сталь)....1860К...........18ГПа.........................2500К.

Медь...........0,3ГПа......................1350К...........30ГПа.........................2600К.

Алюминий...0,3ГПа.......................960К............20ГПа........................2000К.

Титан..........0,9ГПа........................1933К.......~50ГПа........................3000К.

Молибден.....1ГПа.........................2890К........~70ГПа........................5000К.

Вольфрам.....0,3ГПа.......................3720К.......~100ГПа........................7000К.

Осмий.........0,25ГПа......................3300К.......~200ГПа........................6000К.

Стоит особо подчеркнуть, что все металлы имеют разный изотопный состав, и разные изотопы разных металлов имеют разные параметры. Также, когда заходит речь о монокристаллах с идеальной кристаллической решёткой не всегда идёт речь о количестве дислокаций ноль, и очень часто идеальными монокристаллами называют кристаллы с количеством дислокаций 10^4 или даже 10^6, даже такие материалы имеют экстремально высокую порочность в сравнении с обычными.

Также монокристаллы с идеальной кристаллической решёткой обладают сверхвысокой химической инертностью, то есть даже вольфрам даже при сверхвысоких температурах и давлениях способен выдержать натиск чистого фтора, самого сильного из естественных окислителей таблицы Менделеева. Монокристаллы хорошо сохраняют свои механические свойства до температур близких к своей температуре плавления, обладают исключительно высокой криогенной стойкостью. И самое главное, идеальные монокристаллы не подлежат усталостному разрушению в принципе, никогда, за любое количество нагружений. Это объясняется тем, что появление микротрещин всегда происходит в районах скопления дислокаций, в результате циклических нагружений металла дислокации выстраиваются в ряд формируя микро трещину, которая потом растёт. Если дислокаций нет, нечему формировать трещину, и металл сохраняет свою структуру вплоть до момента, пока не будет превышен предел его прочности.


Существуют разные способы производства монокристаллов с идеальной кристаллической решёткой. Наиболее известен и распиарен способ получения таких структур в невесомости. Застывание обычного металла в невесомости, если оно протекает особенно медленно, способно уменьшить число дислокаций до 10^11 степени. Конечно, уменьшение числа дислокаций в 10 раз даёт некоторый положительный эффект, но это не слишком уж оправдано, учитывая стоимость космических полётов, и незначительный прирост мех свойств. Тем не менее, безмозглые академики России широко пиарят данный метод, но видимо это от недостатка мозга и излишней бюрократизации образования, и менталитета старого безмозглого пердуна советского типа, слишком далёкого от реальной науки. Когда главное это бумажка, собственный высер, эго и авторитет, а не результат труда. Поскольку производство металла в космосе это круто, с понтами, и на это некомпетентный в науке президент всегда денег выделит. Почему я так об этом отзываюсь, поскольку имел опыт, когда огромные деньги в РФ были пущены на безумный проект по литью металла в космосе. В то время, как более рациональные направления даже не начинались, только потому что космос это с понтами, а без космоса не интересно.

Более рациональные методы производства монокристаллов тоже существуют, и их известно минимум два. Первый метод это литьё металла под сверхвысоким давлением. Лёгкие металлы, такие как литий, бор и алюминий, застывают под давлением 1-2ГПа в монокристаллы, даже если центров кристаллизации несколько, по мере роста давления идеальность кристаллической решётки растёт. Таким образом, при литье под давлением свыше 10ГПа (100тыс атм), можно получить монокристалл алюминия с идеальной кристаллической решёткой с количеством дислокаций порядка 10^3, и это куда более просто и сердито, чем посылать за этим космонавтов в космос. При дальнейшем повышении давления, при давлении 20ГПа, при идеальной чистоте металла, и при одинаковом изотопном составе, можно получить монокристалл с идеальной кристаллической решёткой. Однако, при дальнейшем росте давления начнёт меняться кристаллическая решётка металла, что приведёт к повышению прочности, и изменению механизмов кристаллизации металла, что создаст новый алюминий, с иной кристаллической решёткой чем обычно, более прочный и тугоплавкий.

Для металлов уровня железо, титан, медь и никель, давление при котором складывается идеальная решётка должно превышать 25ГПа, при этом кристалл должен быть нагрет до температуры 1,5 температуры плавления, и металл должен быть идеально чистым. Литье в металлы близкие по своей структуре к идеальной кристаллической решётке под большим давлением, возможны даже с примесями, но инородные вещества всегда зло и имеют негативное влияние на результат.

Для тяжёлых металлов литьё в идеальную кристаллическую решётку сопровождается проблемами, особенно это касается наиболее плотных металлов, вольфрам, рений, и особенно осмий и иридий. Для них потолок литья давления весьма высок. И в принципе в какой-то момент, ещё не достигнув идеальной решётки, эти металлы начнут менять свою структуру не достигнув полной идеальности, но формируя новую решётку, более прочную и тугоплавкую.

Третий способ производства монокристаллов с идеальной кристаллической решёткой основан на криогенном литье. Скажу сразу, существует два криогенных литья, первый это литьё из свободных радикалов, что протекает при температуре порядка от 10К до 90К. Литьё при не очень низких температурах приводит к формированию аморфной не кристаллической структуры металла. Эта аморфная структура тем не менее прочнее обычных металлов и сегодня уже используется например для создания корпусов сотовых телефонов, поскольку обладает высокой прочностью и ещё более высокой пластичностью. Высоко пластичный сверхпрочный металл это хороший способ защитить предмет от любых ударов, в том числе это касается и танка.

В основе криогенного литья лежит технология получения криогенных жидкостей, её суть сводится к тому, что сверхмощное магнитное поле препятствует кристаллизации вещества. Таким образом, резкое очень быстрое охлаждение расплавленного металла в мощном ЭМ поле позволяет охладить его до температур менее 10К. При температуре менее 10К атомы металла находятся в состоянии свободных радикалов и не вступают в реакцию друг с другом, до того момента пока не будут нагреты, или пока не повысится давление. Такую криогенную жидкость-газ можно закачать в любую форму, и потом нагреть, заставив превратиться в аморфное вещество. При этом, после нагрева свыше 15-20К металл почти мгновенно затвердеет. В результате получится аморфное не кристаллическое вещество высокой пластичности, обладающее некоторыми свойствами металла и пластмассы, и оно очень эффективно для защиты смартфонов от падений и ударов. Тем более, что это вещество, имея очень высокую пластичность, которой позавидует и свинец с золотом, обладает при этом высокой прочностью и твёрдостью. (т.е. материал способен значительно изменять свою форму не разрушаясь, но при этом для изменения формы нужно приложить большую силу)

И последний способ литья монокристаллов с идеальной кристаллической решёткой это криогенное литьё. Поскольку, при температурах близких к трём градусам по кельвину и ниже, а для некоторых металлов эта температура меньше одного градуса по кельвину. Металл в силу усадки атомов и потери верхними электронами способности отталкиваться друг от друга, способен застывать в полукристаллическую форму, которая может быть сформирована как окончательный монокристалл мощным и очень коротким электроразрядом. Этот способ производства монокристаллов выглядит сложным, но не требует высоких давлений, а главное, его можно осуществить в условиях 3Д принтера. В его основе лежит самопроизвольное упорядочение положение криогенных веществ в пространстве, когда атомы при сверхнизкой температуре сами собираются в жидкий кристалл, и дальше электроразряд его активизирует, возбуждая верхние электроны атомов, заставляя их формировать между собой связи. При этом в криогенной переохлаждённой среде накануне обработки разрядом атомы находятся в идеальной структуре, и как следствие формируют идеальный монокристалл, но иной структуры, чем обычные. При этом формирующийся тип связи зависит от структуры металла, температуры, а также его изначального состояния, так если металл находился в состоянии криогенного изомера, и его сильно обработали зарядом, то вещество более высокой плотности может застыть в состояние вынужденной валентности высокого уровня. Это особенно важно и актуально для тяжёлых жидкостей, если застывание происходит внутри тяжёлой жидкости тяжёлого металла (ртуть, иридий). При этом, данная технология позволяет использовать этот принцип в 3Д принтере, поскольку не требуется большого давления и криогенная жидкость может отвердеть по факту обработки электроразрядом. На этом всё.