На пути к технологиям без свинца

В настоящее время процесс переключения на такие технологии идет полным ходом.

Проблемы есть, и одна из них состоит в том, что безвредные альтернативы пока не получается сделать столь же эффективными, что и содержащие свинец варианты.

Яркий пример — система впрыскивания дизельных двигателей. При этом функциональные материалы без содержания свинца можно быстрее нейти с помощью методов компьютерного моделирования.

Технический прогресс в автомобильной промышленности наблюдается перманентно. И все же в данной сфере есть твердые орешки: материалы без свинца — это одна из проблем. За ней стоит экологическая директива Европейского союза, которая постепенно запрещает применение любых свинецсодержащих материалов и компонентов автомобилей, в том числе и пьезоэлектрических элементов. Последние необходимы для инжекторов дизельных двигателей, которые контролируют поставку топлива в камеру сгорания.

Проблема в том, что до сих пор цирконат-титанат свинца является единственным материалом, на основе которого производятся переключаемые пьезоэлектрические устройства для автомобиля. Найти альтернативы, не содержащие свинца — задача не из простых. Все потому, что в сыром состоянии все альтернативные материалы до сих пор не обладают желательными свойствами. Сегодня вводится в действие метод моделирования, который разработали ученые из Фраунгоферского института механики и материалов.

«Мы должны физически и химически изменить потенциальных кандидатов так, чтобы в итоге они проявили те же свойства, что и цирконат-титанат свинца», сообщил профессор доктор Кристиан Элассер.

Один из наиболее вероятных кандидатов — это ниобат натрия калия. Как и цирконат-титанат свинца, это сегнетоэлектрический монокристалл. Однако как техническая керамика с неконтролируемыми атомными пробелами и межзеренными границами в кристаллической решетке, ниобат натрия калия изначально бесполезен в качестве альтернативного материала.

«По этой причине для улучшения свойств ниобата натрия калия нам необходимо ввести примесные атомы в решетку», сказал Кристиан Элассер.

С помощью компьютерного моделирования ученые вычислили то, куда и как необходимо внедрить атомы: в зависимости от места внедрения будут достигнуты различные сегнетоэлектрические свойства.

«Если мы внедряем атом меди, то в одной позиции он отдает электроны, а в другой принимает. В зависимости от позиции решетки диполи либо формируются, либо нет», пояснил Элассер.

Эти физические параметры твердого тела, а также многие другие, необходимо определить заранее. Ученые делают это с помощью «физики в компьютере». Задача совсем не тривиальная, поскольку квантово-механические вычисления требуют сложную систему атомных моделей и значительную мощность компьютера.

С другой стороны, много времени и денег можно сэкономить в процессе разработки материалов, поскольку потребуется меньше лабораторных экспериментов синтеза и анализа.

Компьютерное моделирование также производит важные термодинамические параметры для процесса агломерации, такие как диапазоны давления и температур, в которых необходимо производить компоненты.

Таким образом, автомобильная промышленность может достичь цели быстрее. Но одной этой сферой не ограничивается преимущество исследования Фраунгоферских ученых. Свинецсодержащие материалы также присутствуют в частотных фильтрах мобильных телефонов, или в механических датчиках и приводах. Сегнетоэлектрические конденсаторные компоненты могут использоваться в записи, когда требуется сохранить большие объемы в меньшей емкости.

22.11.2010