Прецизионные провода и проволоки: совершенство космической и медицинской техники

2020 год запомнится человечеству сразу несколькими значимыми событиями, которые однозначно повлияют на ход развития нашего общества. Это и пандемия COVID-19, из-за которой мы все погрузились в новостной хаос из ежедневных сводок о количестве заболевших и прожили несколько месяцев в жестком карантине с беспрецедентными ограничениями. И, конечно же, запуск пилотируемого корабля Crew Dragon, открывшего колоссальные перспективы по покорению космоса. Но только узкопрофильные специалисты знают, что триумф Илона Маска и SpaceX и успешное противостояние COVID-19 отчасти обусловлены и стараниями металлургов. Ведь многочисленные медицинские приборы и космические корабли изготавливаются с большим применением металлов и сплошь пронизаны паутиной из прецизионных проводов и проволок. Именно эти тончайшие металлические нити обеспечивают слаженную и бесперебойную работу всех узлов, экранируют воздействие внешних полей и помогают человечеству делать очередные открытия и спасать многие жизни.

Уникальный дар природы

Металлы представляют наиболее обширную группу веществ на планете Земля. Обладая кристаллической решеткой и довольно высокой тепло- и электропроводностью, они составляют почти 75% периодической таблицы Менделеева. При этом каждый металл находит разнообразное применение и характеризуется уникальными физическими и химическими свойствами. Так, например:

• ртуть – самый жидкий металл, плавящийся уже при -39°С. Несмотря на то, что пары ртути токсичны, алхимики всего мира потратили не один час, день и год своей жизни на безуспешные попытки превратить ее в золото. Хотя возможно не все эксперименты алхимиков были провальными. В экспозиции Музея науки и промышленности Чикаго (Museum of Science and Industry) представлено 35 микрограммов золота (Au-197), полученных еще в конце 40-х годов при β-распаде изотопа ¹⁹⁷Hg;
• уран – тяжелый металл с радиоактивными свойствами. На сегодняшний день известно 32 искусственных и 3 природных изотопа этого вещества, но далеко не все они представляют угрозу для живых организмов. Атомщики и ядерщики используют изотоп U-235. В недрах Земли его массовая доля чуть больше 0,7%, поэтому искусственным путем получают обогащенный уран;
• осмий – тяжелый и благородный металл. Очень редкий и самый дорогой. Да-да, отнюдь не золото и не платина лидируют в ценовом топе периодической таблицы Менделеева. Его плотность составляет 22,6 г/см³, то есть 1 килограмм осмия будет иметь объем не больше куриного яйца. Он не растворяется царской водкой (напоминаем, что речь идет не о спиртном напитке, а о самой агрессивной смеси концентрированных соляной и азотной кислоты), но при этом очень хрупок и закипает при +5500°С.

Мы несколько отвлеклись от нашей глобальной темы о прецизионных проводах и проволоках, но лишь только для того, чтобы напомнить о том, какие разносторонние и обширные возможности нам дает природа в виде металлов. Невзирая на колоссальное разнообразие, наиболее массово используется кабель электротехнический из меди, алюминия и стали, а прецизионные провода и проволоки производятся из медных, никелевых и нержавеющих сплавов. Это обусловлено тем, что эти металлические материалы являются универсальным и доступным вариантом, сочетающим прочность, отличную пластичность и высокую тепло- и электропроводность. Ну а теперь более подробно.

Знакомимся, – прецизионная проволока

Это разновидность проволочной продукции со сверхтонким и очень точным (прецизионным) по геометрическим характеристикам сечением. Современный сортамент варьируется в интервале диаметров 0,015…0,1 мм, а поверхность отличается высокой чистотой. Форма сечения может быть круглой, овальной, квадратной, треугольной или прямоугольной.

Несмотря на микроскопический размер сечения, к такой продукции предъявляют особые требования:

• хорошая пластичность;
• коррозионная стойкость;
• очень высокая стойкость к разрыву;
• улучшенная электро- и теплопроводность;
• стойкость к воздействию радиации, старению и конденсации статического напряжения.

Интересный факт. Кабельные изделия используются человечеством с момента создания первых источников электрического тока – это ориентировочно начало XIX века. Зато существуют множественные факты, подтверждающие использование проволок еще в далекой древности. Во время археологических раскопок места захоронения неизвестного фараона, правившего в Египте приблизительно 2750 лет до нашей эры, было найдено искусно выполненное ожерелье из золотой проволоки диаметром менее 0,5 мм. В Библии (Исх.39:3) также упоминается применение проволоки: «И разбили они золото в листы и вытянули нити, чтобы воткать их между голубыми, пурпуровыми, червлеными и виссонными нитями, искусною работою». Ну а то, что в те времена для изготовления проволоки использовались драгметаллы, вполне закономерно, она была доступна только богатым и была очень дорогостоящим изделием.

Виды прецизонной проволоки

В наши дни стоимость ее многократно снизилась, диаметр сечения становится все тоньше и разнообразней по форме. А прецизионные проволоки производятся из различных металлов и сплавов.

Медь

Для производства сверхтонкой проволоки, которая будет применяться в том числе и для проводов, используется не чистая медь, а ее сплавы С10100, C11000, C70200, C72150, C 75700. Это эффективные и надежные проводники. Но величина теплового расширения у них в среднем в 1,5 раза выше, чем у стали, что снижает служебные свойства данной продукции в случае применения в зоне с температурными перепадами.

Так, доподлинно известно, что длина воздушной телефонной линии протяженностью 650 км летом на 500 метров длиннее, чем в зимнее время. И если такое сжатие металла для наземных коммуникаций вполне допустимо, то в отдельных видах высокоточной технике это может привести к нарушению функционирования и к аварийным ситуациям. Конечно можно выполнить расчеты и еще на проектной стадии заложить длину провода, избыточно компенсирующую сжатие меди от низких температур, но это приведет к существенному удорожанию и увеличению массы. А последнее крайне нежелательно для таких летательных аппаратов, как космические спутники и корабли.

Нержавеющие стали

Металлические материалы с универсальными механическими и служебными качествами. Характеризуются оптимальным сочетанием цены, долговечности, электропроводности.

Проволоки для прецизионных проводов изготавливаются из ограниченного количества легированных марок стали с повышенными антикоррозионными свойствами. Чаще всего для их производства используются аустенитные сплавы 304, 304L, 316 и 316L. Также могут применяться следующие нержавеющие стали: 302S, 305, 310, 317L, 347, 409CB, 430, 446, 15-7Mo, 904L, Duplex 2205, Nitronic 32/50/60.

Химический состав сталей, используемых для изготовления прецизионных проводов

Никелевые сплавы

Железоникелевые сплавы Monel 400, Inconel 600, Inconel 718, Invar36 (FeNi36), 35-19Cb отличаются очень низким коэффициентом температурного расширения. Высокая химическая чистота положительно отражается на стабильности электрических свойств. Все это делает целесообразным применение никелевой проволоки сверхтонкого диаметра в медицинской технике и для производства прецизионных проводов для аэрокосмической отрасли.

Специальные сплавы

Современные разработки металлургов позволили создать металлические материалы с уникальными физическими свойствами. Так, X750, L605, MP35N, Hastelloy, демонстрируя стойкость ко всем видам коррозии и радиационному излучению, начали активно замещать нержавеющие стали в условиях контакта с агрессивными средами при высоких температурах и давлениях. Но из-за затратного способа производства этих материалов часто прибегают к альтернативному газотермическому напылению проволоки из других металлов нанослоем из хастеллоя и инконнеля X750.

Что такое прецизионные провода

Это электротехнические изделия, обеспечивающие электрическую связь между питающими и зависимыми элементами системы и имеющие сверхтонкое поперечное сечение и высокое удельное электрическое сопротивление провода. Изготавливаются из прецизионной проволоки и могут использоваться как в качестве самостоятельного проводника электроэнергии, так и для изготовления многожильных кабелей.

От традиционных проводов их также отличает высокий класс изоляции. Люди уже давно привыкли, что кабельные изделия имеют поверхностную изоляцию из резины, ПВХ или полиэтилена, а цвета проводов являются своеобразной маркировкой. Но учитывая характер эксплуатации, для покрытия прецизионных проводов используются эмали, керамика или политетрафторэтилен и, как не казалось бы неуместным, бумажные пропитанные ленты. Нержавеющую сталь иногда дополнительно покрывают металлическими нано-покрытиями из золота, серебра, никеля и олова.

Из-за микроскопического сечения данный вид кабельных изделий довольно сложен в работе. Необходимо не только знать, как соединить провода, но и выполнить это таким образом, чтобы минимально повлиять на величину электрического сопротивления. Поэтому устройства на их основе практически неремонтопригодны, а сборка оборудования с применением прецизионных проводов выполняется только роботизированными комплексами и с использованием припоя, содержащего серебро, так как этот металл лучше всего проводит электричество.

В Украине много лет производится силовой кабель различных модификаций, а данный вид продукции отечественная промышленность пока не выпускает вообще. Да и прецизионные провода мало востребованы на внутреннем рынке, чего не скажешь о сверхтонкой проволоке.

Применение

Универсальное сочетание прочности, пластичности и электропроводности и микроскопическое сечение делают прецизионные провода и проволоку уникальными материалами. Тем более, что современные технологии позволяют моделировать из них сложные комбинации и выполнять подключение проводов сверхтонкого сечения с высокой точностью.

Аэрокосмическая сфера

Фильтры системы вентиляции и водообеспечения, экранирующая защита, отдельные элементы системы связи и силовой установки, управляющие тросы и детали крепежа изготавливаются из сверхтонких проволок из нержавеющих сталей и специальных сплавов. Они позволяют значительно снизить вес и габариты летательных аппаратов при обеспечении высокой надежности и безопасности.

В авиационных и орбитальных кораблях прецизионные провода:

• используются в реактивных и электрических двигателях;
• управляют функционалом люков, закрылков и шасси;
• монтируются в приборной панели и пульте управления.

Они используются в солнечных батареях, космических зондах и спутниках различного назначения.

В конце июля 2019 года частная ракета Pattors Dream, стартовавшая в Японии, упала в Тихий океан. Причина – неполадки, спровоцировавшие нестабильную работу двигателя. Илон Маск, так же, как и другие представители NASA и компании SpaceX, не афишируют причину неисправностей. Но мировая практика создания космических кораблей показывает, что чаще всего аварии с реактивными двигателями возникают из-за несогласованной работы электроники в результате поступления ложных сигналов.

Производство медицинского оборудования и инструмента

За внешним корпусом любого современного энергозависимого аппарата, установленного в реанимации, диагностическом центра или палате, могут находиться микродвигатели, реле, регуляторы, генераторы и прочее электрооборудование, а также защитные экраны и фильтры. Именно использование сверхтонкой проволоки и прецизионных проводов позволило сделать их максимально функциональными, компактными и безопасными.

Благодаря микроскопическому диаметру стальных нержавеющих проволок хирурги получили уникальный инструмент для инвазивного вмешательства через артерии и вены. Творческому тандему ученых и инженеров они помогли создать принципиально новые устройства для:

• биопсии;
• эндоскопии;
• лапароскопии и колоноскопии.

Но прецизионная проволока спасает человеческие жизни не только в качестве конструктивного элемента медицинского оборудования и инструмента. Именно она позволила сделать более эффективными пуленепробиваемые жилеты, стоматологические протезы и экранирующую ткань.

Что впереди?

Время и наука не стоят на месте. С каждым днем техника становится более компактной и менее энергоемкой, а прецизионные проволоки и провода используются все активней. Уже сейчас на них обратили внимание автоконцерны, производители полиграфического оборудования, запорно-регулирующей арматуры и разнообразной бытовой электроники.

Портативное зарядное устройсво на нанопроводах

Более того разработчики цифровой техники уже применяют в новых моделях нано-проволоку, диаметр которой менее 10^-9 метров и это по всей видимости все еще не предел.