Историй успеха

Пьезокристаллы откроют новую физику

Компания: ОАО «Фомос-Материалс»

Регион: Москва

Сайт: www.newpiezo.com/ru/

Проекты:

- разработка изделий из модифицированных пьезоэлектрических монокристаллов семейства галло-германатов для создания акустоэлектронных компонентов энергосберегающих систем передачи и обработки информации нового поколения;

- разработка базовых процессов изготовления прецизионных чувствительных элементов высокотемпературных датчиков физических величин, применяемых в транспортных и космических системах, для поставки на зарубежные рынки

Поддержка Фонда содействия:

В 2010 году в конкурсе «Энергоприборы» программы «Развитие» получено финансирование в размере 13,2 млн рублей, в 2014 году компания победила в программе «Экспорт» и получила 10,5 млн рублей.

Краткое описание:

ОАО «Фомос-Материалс» – производственная компания, работающая на рынке синтетических кристаллов и изделий из них. Специалистами и менеджментом  компании реализовано несколько проектов по исследованию их свойств, разработке технологии и выводу на рынок уникальных изделий из синтетических кристаллов. Продукция компании – элементы из  пьезоэлектрических кристаллов семейства кальций-галло-германатов – используется для изготовления приборов селекции и стабилизации частоты, высокотемпературных датчиков физических величин, беспроводных датчиков. Компания экспортирует продукцию в Японию, Корею, США, Канаду и страны ЕС.

фото 1 Кристалл ЛГС.jpg

В древние времена считали, что кристаллы – это промежуточное звено между миром живой и неживой природы. Ученые научились выращивать кристаллы, управлять их свойствами для растущих потребностей современного технологического общества.

Уникальной способностью преобразовывать энергию обладает пьезокристалл[1]. В радиоэлектронной аппаратуре элементы из пьезокристаллов (например, из кварца – SiO2) входят в состав радиочастотных фильтров и резонаторов. Их задача из множества радиочастот выбрать нужный для работы устройства диапазон или сформировать высокостабильные частотные электрические сигналы. На основе искусственно выращенных пьезокристаллов московская компания «Фомос-материалс» изготавливает  датчики, позволяющие измерять различные физические величины: давление, температуру, уровень вибрации, концентрацию вредных веществ в воздухе.

Кристаллы лангасита (La3Ga5SiO14) и лангатата (La3Ga5,5Ta0,5O14) уникальны тем, что их пьезоэлектрические свойства сохраняются до температур  плавления (более 1300 0С). Это позволяет создавать востребованные рынком уникальные высокотемпературные датчики для контроля параметров критических узлов различного оборудования.

– Чувствительные элементы, изготовленные из кристаллов Фомоса, применяются в датчиках давления газопоршневых агрегатов, датчиках вибрации на компрессорах газоперекачивающих станций, тормозных колодок авиационных шасси. Это динамичный, растущий с темпом около 20% в год рынок, – говорит генеральный директор ОАО «Фомос-Материалс» Владимир Васильев.

Подложки из кристаллов  кварца служат традиционным материалом для ПАВ-устройств[2]. Весьма перспективным применением ПАВ-подложек из лангасита являются беспроводные измерительные системы. В своем составе система имеет приемопередатчик, который формирует высокочастотный радиосигнал и излучает его в антенну. Сигнал принимается антенной и преобразуется чувствительным элементом датчика в поверхностно-акустическую волну. Акустическая энергия преобразуется в электрический сигнал, частота которого зависит от температуры. В результате приемопередатчик регистрирует отраженный сигнал и индицирует значение температуры датчика.

ПАВ-подложка.jpg

Преимуществом таких систем является отсутствие необходимости прокладки измерительной линии между датчиком и устройством, что дает возможность размещать датчики в труднодоступных местах, на вращающихся узлах и агрегатах, например, измерять температуру лопаток турбин авиационных двигателей.

Физические свойства кварца ограничивают диапазон рабочих температур ПАВ-устройств на его основе температурой 250 0С. Использование в качестве материала для беспроводных ПАВ-датчиков подложек из лангасита позволяет изготавливать датчики для диапазона температур до 600-700 0С.

– Потребность в высокотемпературных датчиках обусловлена тем постоянным усложнением любой техники. Простой пример – двигатель автомобиля. Если помните, то двигатель «Жигулей» можно было спокойно отремонтировать в гараже, а попробуйте это сделать сейчас с мотором современной «Лады»! На примере автомобилей мы видим, что мощность, снимаемая с одного и того же объема двигателя, выросла за последние 20 лет более 10 раз. Это требует применения современных систем контроля параметров поршневых двигателей. Если брать более серьезную технику типа газопоршневого агрегата, который вырабатывает тепло и электричество, то в его составе используются датчики давления, установленные внутри цилиндра камеры сгорания двигателя. Температура чувствительного элемента такого датчика доходит до 400 и более градусов. В газотурбинных двигателях, ракетных двигателях температура еще выше. Наши заказчики хотели бы иметь датчики, работающие при температуре от 1500 градусов, – поясняет Владимир Васильев.

При поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в 2010-2012 годах на сумму 13,2 млн рублей в рамках программы «Развитие» был разработан комплекс технологий, включающий процессы синтеза шихты[3], выращивания кристаллов лантан галлиевого танталата, легированного алюминием и изготовления пьезоэлектрических подложек. Основная область применения – приборы селекции и стабилизации частот для радиоэлектронной аппаратуры нового поколения.

Чувствительные элементы для датчиков.jpg

В 2012-2013 годах по заказу Министерства образования и науки РФ была выполнена работа «Разработка технологии и организация опытно-промышленного производства монокристаллов молибдата кальция на основе высокообогащенных изотопов Са-40 и Мо-100 и сцинтилляционных элементов для детектора элементарных частиц нового поколения».

– Мы понимали, что можем конкурировать с ведущими американскими, европейскими и китайскими производителями, только предлагая рынку уникальный продукт. Такой продукт был создан нами совместно с предприятиями корпорации «Росатом», МИСиС, Институтом кристаллографии РАН, Баксанской нейтринной обсерваторией и другими партнерами в России при финансировании со стороны Министерства образования и науки РФ. Это уникальный кристалл молибдата кальция, исходными компонентами которого являются не природные материалы, а высокостабильные изотопы кальция 40Са и молибдена 100Мо с ультранизким содержанием радиационных примесей, – поясняет Владимир Васильев.

Сложившаяся в ходе работы по данному проекту кооперация с предприятиями «Росатома» – производителями  изотопов – позволила «Фомос-Материалс» предложить физикам уникальный инструмент для экспериментов подземной физики – исследование процесса безнейтринного двойного бета-распада. Открытие этого процесса будет означать новую физику, выходящую за рамки современной стандартной модели физики частиц. Чтобы исследовать безнейтринный двойной бета-распад, используются детекторы, регистрирующие испускаемые в этом процессе два электрона и фиксирующие их энергию. Для снижения влияния радиационного фона детекторов их изготавливают из ультрачистых материалов и размещают глубоко под землей для устранения влияния космического излучения. Проведение экспериментов по исследованию процесса безнейтринного двойного бета-распада является чрезвычайно сложной задачей. Это один из способов установления природы массы нейтрино (является ли она Дираковской или Майорановской), что весьма существенно для выбора космологического сценария эволюции Вселенной, тесно сопряжено с проблемой скрытой массы Вселенной (т.н. «темная материя» и «темная энергия»), вопросом о гравитационной устойчивости скопления галактик.

В настоящее время в рамках программы «Экспорт» Фонда содействия специалисты «Фомос-Материалс» разрабатывают базовые процессы изготовления прецизионных чувствительных элементов для высокотемпературных датчиков физических величин, применяемых в транспортных и космических системах. Размер финансирования проекта Фондом содействия составляет 10,5 млн рублей.

– Мы с удовольствием констатируем, что благодаря поддержанному Фондом проекту в последние годы нам удалось расширить поставки изделий в России. Это ведущие предприятия оборонного комплекса, авиапрома, Роскосмоса, – отмечает Владимир Васильев.

Реализация продукции компании в 2014 году составила более 65 млн рублей, по итогам первого полугодия 2015 года – порядка 60 млн рублей, прогноз до конца года – 120 млн рублей. В штате компании сегодня  работает 50 человек.

– В наших планах предложить российским предприятиям сцинтилляционные[4] кристаллы, которые способны заменить импортные поставки. Благодаря отличным параметрам новые кристаллы ОАО «Фомос-Материалс» способны конкурировать с продуктами ведущих мировых производителей в таких сложных и востребованных приборах, как позитрон-эмиссионные томографы, установки радиационного каротажа в геофизике, системах безопасности, – уверен Владимир Васильев.

Фото4 ВТ датчик в составе газотурбинного двигателя.jpg



[1] Пьезокристаллы обладают свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или наоборот – под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).


[2] Поверхностно-активные вещества – это химические соединения, способные накапливаться на поверхности соприкосновения двух тел или двух термодинамических фаз (называемых поверхностью раздела фаз), и вызывающие снижение поверхностного натяжения веществ, образующих эти фазы.


[3] Шихта – смесь материалов в определенных пропорциях, идущая в плавку в металлургических печах.


[4] Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.).