От стабилизации сердечного ритма до точности космических аппаратов — везде требуется кварц. Этот хрупкий минерал незаменим при производстве процессоров смартфонов, оптических элементов лазерных систем, деталей космической техники, медицинских кардиостимуляторов и ультразвуковых датчиков. Он используется в волоконно-оптических линиях связи, высокоточных научных приборах и защитных стеклах космических аппаратов. Мировой рынок этого универсального минерала уверенно растет: при текущей оценке в $7,31 млрд и рыночной стоимости в $1,2 млрд в 2024 году, к 2029 году его объем достигнет $8,98 млрд. Однако его обработка остается сложным вызовом для высокотехнологичных отраслей: малейшая ошибка при сверлении ведет к сколам, трещинам и браку дорогостоящих компонентов. Ученые ПНИПУ разработали одно из первых в мире готовых решений для сверления хрупкого кварца. Результаты уже сейчас позволяют производителям сократить время обработки на 40%, снизить процент брака и заменить дорогие импортные аналоги эффективной отечественной разработкой.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение», № 3, 2025 год.
Если вы считаете кварц просто красивым камушком для украшений, вы сильно его недооцениваете. Этот скромный минерал стал технологической основой современной цивилизации. Пока вы читаете эти строки, крошечный кварцевый резонатор в вашем смартфоне работает как сверхточный метроном, вибрируя с частотой 32 768 Гц и синхронизируя работу всех микросхем. Тот же принцип стабильных колебаний обеспечивает точность кардиостимуляторов, в космической отрасли из кварцевого стекла создают иллюминаторы, способные выдерживать экстремальные перепады температур. Даже производство компьютерных чипов невозможно без кварцевых компонентов — они помогают выращивать идеальные кремниевые кристаллы для процессоров. Можно без преувеличения сказать: стоит этому минералу исчезнуть — и наша технологическая цивилизация застынет. Остановятся точные часы, прервется связь, а передовые отрасли промышленности окажутся на грани коллапса. Этот невзрачный материал — подлинный фундамент цифровой эпохи от бытовых гаджетов до квантовых компьютеров и систем искусственного интеллекта.
Но за каждым таким компонентом скрывается уникальная технологическая задача. Твердость, термостойкость и пьезоэлектричество (способность превращать давление в ток), определяющие ценность минерала, одновременно делают его одним из самых сложных и дорогих в обработке материалов. Кварц так тверд и хрупок, что при малейшей ошибке в обработке не режется, а раскалывается, точно стекло. Представьте, что нужно просверлить стеклянную бутылку. Одна неточность — и вместо аккуратного отверстия останутся осколки.
Обычные лезвия здесь бессильны. Для обработки кварца требуется инструмент с превосходящей твердостью. Оптимальным решением становятся алмазные резцы: при разнице в 3 балла по шкале Мооса (7 против 10) они не режут, а аккуратно скалывают микрочастицы материала. Так получается аккуратное отверстие без сколов.
Но даже не все алмазные сверла одинаково хорошо справляются с таким «капризным» материалом: неправильно подобранное не режет, а «рвет» его, приводя к сколам и быстрому износу инструмента. Обычные спиральные сверла здесь не подходят: их конструкция создает ударные нагрузки, и кварц неизбежно покрывается микротрещинами.
Для обработки таких хрупких материалов в промышленности используют алмазные сверла трубчатой (кольцевой) формы — это отраслевой стандарт. Но успех обработки напрямую зависит от того, как алмазные зерна закреплены в металлической основе. Если связка слишком жесткая, сверло будет не резать, а раскалывать минерал; если слишком мягкая — алмазы быстро выкрошатся. Именно от способа закрепления зависит, насколько прочно зерна держатся, как быстро инструмент самозатачивается и как он взаимодействует с хрупкими кристаллами. Важен баланс: равномерность распределения зерен, способность отводить тепло и оптимальный размер режущих частиц. От этого зависит, сможет ли инструмент аккуратно шлифовать или будет вызывать сколы и трещины.
Чтобы предприятия могли выбрать самый эффективный инструмент и экономить время и деньги, ученые Пермского Политеха исследовали, как разные технологии создания алмазного инструмента влияют на процесс обработки кварца. Для этого создали три стандартных по форме сверла, у которых различался способ закрепления алмазных зерен.
В эксперименте каждое сверло проверяли в одинаковых, специально подобранных жестких условиях. Сверлили на одном станке с постоянной скоростью 2500 оборотов в минуту. Критерием окончания теста был полный износ алмазного слоя — момент, когда металлический торец инструмента начинал «гореть» от трения. Этот так называемый «разрушающий метод» позволил определить предельные возможности каждого инструмента и зафиксировать ключевые параметры: глубину и диаметр отверстия, шероховатость поверхности, время работы до отказа и величину зоны оплавления на торце.
Худший результат показало сверло, созданное по современной технологии вакуумного спекания. Этот передовой метод предполагает, что алмазные частицы и металлическая основа сплавляются в единое целое в вакуумной печи при температуре 1200°C. Такой инструмент получается чрезвычайно прочным и износостойким, но именно эта монолитность становится его слабым местом при работе с хрупкими материалами. При контакте сверло не амортизировало ударные нагрузки, вызывало микротрещины и сколы. Инструмент вышел из строя всего за 120 секунд, показал минимальную глубину сверления 12 мм при значительном отклонении диаметра до 7,6 мм и образовал зоны горения 0,1 мм.
Изготовленное методом горячего прессования сверло продемонстрировало иной тип проблем. Этот метод предполагает смешивание алмазного порошка с металлическим сплавом с последующим прессованием при температурах 800-900°C и давлениях до 100 МПа. Получившийся материал обладает высокой твердостью, но его основной недостаток проявляется при обработке кварца: после стачивания верхнего слоя алмазов новый режущий слой не обнажается, что приводит к быстрой потере эффективности. Инструмент начинал «гладить» минерал и терял эффективность. Сверло проработало 140 секунд, достигло глубины 14 мм при шероховатости 2,994 мкм.
— Наибольшую работоспособность при сверлении отверстий в кварцевых изделиях показало экспериментальное сверло, изготовленное гальваническим методом, — объясняет Михаил Песин, декан механико-технологического факультета, доктор технических наук.
Его делают так: металлическую основу опускают в специальный раствор и с помощью электричества наращивают на ней тонкий слой никеля, в этот слой как бы «вмораживают» алмазные крупинки. Секрет успеха этого метода в его мягкости. Слой никеля работает как амортизатор: когда сверло встречается с хрупким минералом, оно не раскалывает его, а аккуратно царапает алмазным зерном. По мере стачивания верхних алмазов из-под слоя никеля появляются новые острые грани — инструмент как бы самозатачивается. Однако такая мягкость имеет и обратную сторону: никелевый слой сравнительно быстро истирается, что ограничивает общий срок службы инструмента. Этот инструмент проработал 200 секунд, просверлил самое глубокое отверстие (20 мм) с минимальным отклонением диаметра (7,1 мм) и зоной горения всего 0,01 мм.
Это одна из первых в мире работ, где создано готовое решение для сверления хрупкого кварца — материала, критически важного для высокотехнологичных отраслей. Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с промышленными предприятиями, которые непосредственно сталкиваются с проблемой обработки этого капризного материала. Ученые не просто тестировали существующие инструменты, а целенаправленно разработали и экспериментально сравнили несколько типов алмазных сверл, специально адаптированных для кварца. Результаты уже сейчас позволяют производителям сократить время обработки на 40%, снизить процент брака и заменить дорогие импортные аналоги эффективной отечественной разработкой.