Прецизійні проводи й дріт: досконалість космічної і медичної техніки

2020 запам'ятається людству відразу декількома значущими подіями, які однозначно вплинуть на хід розвитку нашого суспільства. Це і пандемія COVID-19, через яку ми всі занурилися в новинний хаос з щоденних зведень про кількість хворих та прожили кілька місяців в жорсткому карантині з безпрецедентними обмеженнями. І, звичайно ж, запуск пілотованого корабля Crew Dragon, який відкрив колосальні перспективи з підкорення космосу. Але тільки вузькопрофільні фахівці знають, що тріумф Ілона Маска і SpaceX та успішне протистояння COVID-19 частково зумовлені і стараннями металургів. Адже численні медичні прилади і космічні кораблі виготовляються з великим застосуванням металів і суцільно пронизані павутинням з прецизійних проводів й дротів. Саме ці найтонші металеві нитки забезпечують злагоджену і безперебійну роботу всіх вузлів, екранують вплив зовнішніх полів і допомагають людству робити чергові відкриття і рятувати багато життів.

Унікальний дар природи

Метали представляють найбільш велику групу речовин на планеті Земля. Володіючи кристалічною решіткою і досить високою тепло- і електропровідністю, вони становлять майже 75% періодичної таблиці Менделєєва. При цьому кожен метал знаходить різноманітне застосування і характеризується унікальними фізичними і хімічними властивостями. Так наприклад:

• ртуть – самий рідкий метал, що плавиться вже при -39°С. Незважаючи на те, що пари ртуті токсичні, алхіміки усього світу витратили не одну годину, день і рік свого життя на безуспішні спроби перетворити її в золото. Хоча можливо не всі експерименти алхіміків були провальними. В експозиції Музею науки і промисловості Чикаго (Museum of Science and Industry) представлено 35 мікрограмів золота (Au-197), отриманих ще в кінці 40-х років при β-розпаді ізотопу ¹⁹⁷Hg;
• уран – важкий метал з радіоактивними властивостями. На сьогоднішній день відомо 32 штучних і 3 природних ізотопів цієї речовини, але далеко не всі вони становлять загрозу для живих організмів. Атомники і ядерники використовують ізотоп U-235. В надрах Землі його масова частка трохи більше 0,7%, тому штучним шляхом отримують збагачений уран;
• осмій – важкий і благородний метал. Дуже рідкісний і найдорожчий. Так-так, аж ніяк не золото і не платина лідирують в ціновому топі періодичної таблиці Менделєєва. Його щільність становить 22,6 г/см³, тобто 1 кілограм осмію матиме об'єм не більше курячого яйця. Він не розчиняється царською горілкою (нагадуємо, що мова йде не про спиртний напій, а про найагресивнішу суміш концентрованих соляної та азотної кислоти), але при цьому дуже крихка і закипає при + 5500°С.

Ми дещо відволіклися від нашої глобальної теми про прецизійні проводи й дроти, але лише тільки для того, щоб нагадати про те, які різнобічні і великі можливості нам дає природа у вигляді металів. Незважаючи на колосальну різноманітність, найбільш масово використовується кабель електротехнічний з міді, алюмінію і сталі, а прецизійні проводи й дроти виробляються з мідних, нікелевих і нержавіючих сплавів. Це обумовлено тим, що ці металеві матеріали є універсальним і доступним варіантом, який поєднує міцність, відмінну пластичність та високу тепло- і електропровідність. Ну а тепер більш докладно.

Знайомимося, – прецизійний дріт

Це різновид дротяної продукції з надтонким і дуже точним (прецизійним) за геометричними характеристиками перетином. Сучасний сортамент варіюється в інтервалі діаметрів 0,015...0,1 мм, а поверхня відрізняється високою чистотою. Форма перетину може бути круглою, овальною, квадратною, трикутною або прямокутною.

Незважаючи на мікроскопічний розмір перетину, до такої продукції пред'являють особливі вимоги:

• хороша пластичність;
• корозійна стійкість;
• дуже висока стійкість до розриву;
• поліпшена електро- і теплопровідність;
• стійкість до впливу радіації, старіння і конденсації статичної напруги.

Цікавий факт. Кабельні вироби використовуються людством з моменту створення перших джерел електричного струму – це орієнтовно початок XIX століття. Зате існують множинні факти, що підтверджують використання дротів ще в далекій давнині. Під час археологічних розкопок місця поховання невідомого фараона, що правив в Єгипті приблизно 2750 років до нашої ери, було знайдено майстерно виконане намисто із золотого дроту діаметром менше 0,5 мм. У Біблії (Ісх.39: 3) також згадується застосування дроту: «І розбили вони золото в листи й витягли нитки, щоб виткати серед блакитних, пурпурних, червеневих й віссоних ниток, умілою роботою.». Ну а те, що в ті часи для виготовлення дроту використовувалися дорогоцінні метали, цілком закономірно, бо він був доступний тільки багатим і був дуже дорогим виробом.

Види презиційного дріту

В наші дні вартість його багаторазово знизилася, діаметр перетину стає все тончіше і різноманітніше за формою. А прецизійні дроти виробляються з різних металів і сплавів.

Мідь

Для виробництва надтонкого дроту, який буде застосовуватися в тому числі й для проводів, використовується не чиста мідь, а її сплави С10100, C11000, C70200, C72150, C 75700. Це ефективні та надійні провідники. Але величина теплового розширення у них в середньому в 1,5 рази вище, ніж у сталі, що знижує службові властивості даної продукції в разі застосування у зоні з температурними перепадами.

Так, достеменно відомо, що довжина повітряної телефонної лінії протяжністю 650 км влітку на 500 метрів довше, ніж в зимовий час. І якщо таке стиснення металу для наземних комунікацій цілком допустимо, то в окремих видах високоточної техніки це може привести до порушення функціонування  та до аварійних ситуацій. Звичайно можна виконати розрахунки і ще на проектній стадії закласти довжину проводу, надлишково компенсуючу стиснення міді від низьких температур, але це призведе до істотного подорожчання і збільшення маси. А останнє вкрай небажано для таких літальних апаратів, як космічні супутники і кораблі.

Нержавіючі стали

Металеві матеріали з універсальними механічними і службовими якостями. Характеризуються оптимальним поєднанням ціни, довговічності, електропровідності.

Дріт для прецизійних проводів виготовляються з обмеженої кількості легованих марок сталі з підвищеними антикорозійними властивостями. Найчастіше для їх виробництва використовуються аустенітні сплави 304, 304L, 316 і 316L. Також можна застосовувати наступні нержавіючі сталі: 302S, 305, 310, 317L, 347, 409CB, 430, 446, 15-7Mo, 904L, Duplex 2205, Nitronic 32/50/60.

Хімічний склад сталей, що використовуються для виготовлення прецизійних проводів

Нікелеві сплави

Залізонікелеві сплави Monel 400, Inconel 600, Inconel 718, Invar36 (FeNi36), 35-19Cb відрізняються дуже низьким коефіцієнтом температурного розширення. Висока хімічна чистота позитивно відбивається на стабільності електричних властивостей. Все це робить доцільним застосування нікелевого дроту надтонкого діаметру в медичній техніці та для виробництва прецизійних проводів для аерокосмічної галузі.

Спеціальні сплави

Сучасні розробки металургів дозволили створити металеві матеріали з унікальними фізичними властивостями. Так, X750, L605, MP35N, Hastelloy, демонструючи стійкість до всіх видів корозії і радіаційного випромінювання, почали активно заміщати нержавіючі сталі в умовах контакту з агресивними середовищами при високих температурах і тисках. Але через витратний спосіб виробництва цих матеріалів часто вдаються до альтернативного газотермічного напилення дроту з інших металів наношаром з хастеллоя та інконнеля X750.

Що таке прецизійні дроти

Це електротехнічні вироби, що забезпечують електричний зв'язок між живлячими і залежними елементами системи та мають надтонкий поперечний переріз і високий питомий електричний опір проводу. Виготовляються з прецизійного дроту і можуть використовуватися як в якості самостійного провідника електроенергії, так й для виготовлення багатожильних кабелів.

Від традиційних проводів їх також відрізняє високий клас ізоляції. Люди вже давно звикли, що кабельні вироби мають поверхневу ізоляцію з гуми, ПВХ або поліетилену, а колір проводів є своєрідним маркуванням. Але з огляду на характер експлуатації, для покриття прецизійних проводів використовуються емалі, кераміка або політетрафторетилен і, як не здавалось би недоречним, паперові просочені стрічки. Нержавіючу сталь іноді додатково покривають металевими нано-покриттями з золота, срібла, нікелю та олова.

Через мікроскопічний перетин даний вид кабельних виробів досить складний в роботі. Необхідно не тільки знати, як з'єднати дроти, та яким чином виконати це, щоб мінімально вплинути на величину електричного опору. Тому пристрої на їх основі практично непридатні до ремонту, а збірка обладнання із застосуванням прецизійних проводів виконується тільки роботизованими комплексами і з використанням припою, що містить срібло, бо цей метал найкраще проводить електрику.

В Україні багато років виробляється силовий кабель різних модифікацій, а даний вид продукції вітчизняна промисловість поки не випускає взагалі. Та й прецизійні проводи мало затребувані на внутрішньому ринку, чого не скажеш про надтонкий дріт.

Застосування

Універсальне поєднання міцності, пластичності й електропровідності та мікроскопічний перетин роблять прецизійні проводи й дріт унікальними матеріалами. Тим більше, що сучасні технології дозволяють моделювати з них складні комбінації та виконувати підключення проводів надтонкого перетину з високою точністю.

Аерокосмічна сфера

Фільтри системи вентиляції та водозабезпечення, екрануючий захист, окремі елементи системи зв'язку і силової установки, керуючі троси і деталі кріплення виготовляються з надтонких дротів з нержавіючих сталей та спеціальних сплавів. Вони дозволяють значно знизити вагу й габарити літальних апаратів при забезпеченні високої надійності й безпеки.

В авіаційних та орбітальних кораблях презиціні проводи:

• використовуються у реактивних та електричних двигунах;
• керують функціоналом люків, закрилків та шасі;
• монтуються в приладовій панелі та пульті управління.

Вони використовуються в сонячних батареях, космічних зондах та супутниках різного призначення.

В кінці липня 2019 року приватна ракета Pattors Dream, яка стартувала в Японії, упала в Тихий океан. Причина – неполадки, що спровокували нестабільну роботу двигуна. Ілон Маск, так само, як і інші представники NASA і компанії SpaceX, не афішують причину несправностей. Але світова практика створення космічних кораблів показує, що найчастіше аварії з реактивними двигунами виникають через неузгоджену роботу електроніки у результаті надходження хибних сигналів.

Виробництво медичного обладнання та інструменту

За зовнішнім корпусом будь-якого сучасного енергозалежного апарату, встановленого в реанімації, діагностичному центру або палаті, можуть знаходитися мікродвигуни, реле, регулятори, генератори та інше електрообладнання, а також захисні екрани і фільтри. Саме використання надтонкого дроту і прецизійних проводів дозволило зробити їх максимально функціональними, компактними й безпечними.

Завдяки мікроскопічному діаметру сталевих нержавіючих дротів хірурги отримали унікальний інструмент для інвазивного втручання через артерії й вени. Творчому тандему вчених та інженерів вони допомогли створити принципово нові пристрої для:

• біопсії;
• ендоскопії;
• лапароскопії та колоноскопії.

Але прецизійний дріт рятує людські життя не тільки, як конструктивний елемент медичного обладнання та інструменту. Саме він дозволив зробити більш ефективними куленепробивні жилети, стоматологічні протези та екрануючу тканину.

Що попереду?

Час і наука не стоять на місці. З кожним днем ​​техніка стає більш компактною і менш енергоємною, а прецизійні дроти й проводи використовуються все активніше. Вже зараз на них звернули увагу автоконцерни, виробники поліграфічного устаткування, запірно-регулюючої арматури та різноманітної побутової електроніки.

Портативний зарядний устрій на нано-дроті

Більш того розробники цифрової техніки вже застосовують в нових моделях нано-дріт, діаметр якого менш як 10^-9 метрів і це, схоже, все ще не межа.