Інституту надтвердих матеріалів імені В. М. Бакуля - 50 років

The P V. Bakul Superhard Materials Institute Turns 50
V. Bakul Superhard Materials Institute of the National Science Academy of Ukraine , a well-known and recognized over the world scientific center engaged in fundamental and applied research in the sphere of superhard materials , is celebrating its fiftieth anniversary this July. Back in 1961the Institute, basing on the world achievements and in cooperation with scientists from High Pressure Physics Institute of the Science Academy of the USSR , created an original and the most efficient at the time industrial technology of making synthetic diamonds .

У липні 2011 року виповнюється 50 років Інституту надтвердих матеріалів (ІСМ) ім. В.Н. Бакуля НАН України - 6 липня 1961 року було підписано Постанову Ради Міністрів СРСР № 499-205 про організацію в Києві українського науково-дослідного інституту синтетичних надтвердих матеріалів та інструменту з СКТБ і досвідченим заводом. Інститут був підпорядкований Держплану УРСР, а з 1972 р ІСМ увійшов до складу Академії наук УРСР.

У світову історію створення та розвитку нової «проривний» технології одержання синтетичних алмазів та інших, необхідних техніки і виробництва володіють цінними властивостями матеріалів воістину неоціненний вклад внесли вчені і фахівці Інституту надтвердих матеріалів імені В. М. Бакуля. Її основні віхи висвітлює видатний вчений в галузі механіки і матеріалознавства, доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державних премій СРСР, УРСР і України, академік НАН України Микола Васильович Новіков, директор ІСМ з 1977 року.

Інститут надтвердих матеріалів був організований за рішенням Уряду Радянського Союзу в червні 1961 року. Подія це було невипадковим, слід зазначити, що друга половина ХХ століття - час науково-технічної революції, яка характеризувалася, насамперед, активним вивченням і використанням можливостей атомної енергії, освоєнням космосу, зародженням сучасних цифрових технологій. Ці епохальні події відбилися не тільки на розвитку різних галузей промисловості: машинобудування, електроніки, хімічної промисловості, приладобудування, гірничої справи, а й супутніх областях: медицині та біології. Вони позначилися на житті всіх людей.

Адже для того щоб, наприклад, став можливим старт ракети або створений атомний реактор повинні були бути знайдені певні технології, розроблено обладнання, що, в свою чергу, впливало на засоби виробництва, а отже, і на виробничі відносини, що мало соціальні наслідки.

Створення Інституту надтвердих матеріалів було направлено на рішення найважливішої проблеми, що склалася на той час, - розробка і виробництво нового інструменту з пластинами зі штучного алмазу для машинобудування та гірничої справи. Давним-давно відомо, що алмаз - найтвердіший в світі матеріал. Але його природні запаси обмежені. У Радянському Союзі в цей час якутські родовища були тільки напередодні відкриття і використання. Тому необхідні алмазні інструменти цінувалися в індустрії на вагу золота. Наприклад, в годинниковій промисловості вони передавалися з покоління в покоління - від діда до батька, від батька до сина, від сина до онука. Тобто, це була найбільша цінність і основа існування фахівців.

Тому в той момент потреба індустрії в надтвердих матеріалах і синтетичних алмазах і створенні на їх базі інструменту була дуже висока. Уже стояли завдання з різання кремнію для чіпів, які використовуються в інформаційній техніці, обробці різного роду оптичних виробів, які були основою лазерної техніки або приладової оптики, необхідної, зокрема, в космонавтиці, астрономії, обробці твердих і жароміцних сплавів і різних конструкційних матеріалів, використовуваних в новітній техніці. І дані матеріали, і інструмент затребувані були в промислових обсягах.

Це добре розуміло тодішнє керівництво країни і цілком сприяло задоволенню потреб промисловості. Для вирішення завдання отримання синтетичних алмазів - фактично проривної технології - було прийнято за обмежений період часу, з кінця 1950-х рр. до початку 1970-х рр., 23 спеціальних постанови Ради Міністрів СРСР, Ради Міністрів України, які були спрямовані на організацію досліджень і виробництва. А це верстати, печі, преси, це гроші на будівництво, навчання персоналу і так далі. Завдяки такому великому увазі з боку керівних структур були створені всі умови для ефективної роботи спеціалістів.

У той же час вже повним фронтом йшли дослідження і розвивалися технології високого тиску. Вони виникли практично одночасно в різних країнах. Все приблизно знали, в якому напрямку необхідно рухатися. Звичайно, дослідження були засекречені, тому, що їх результати мали велике державне значення.

Нагадаю: одна з перших теоретичних робіт про оптимальні умови перетворення графіту в алмаз (1939 г.), належать вітчизняному вченому Овсею Іллічу Лейпунський. Незважаючи на те, що була теоретичної, вона істотно допомогла всім подальшим дослідженням. У 1946 році американський фізик Персі Вільямс Бріджмен отримав Нобелівську премію за винахід пристрою, що дозволяє створювати високі тиску. Вперше у світовій історії успішний синтез алмазів з графітометалліческой суміші при тиску 83000 атмосфер був виконаний 16 лютого 1953 року в лабораторії компанії АСЕА Еріком Лундблатом, Хальвард Рагкер Ліандер, Балтазаром фон Платеном.

У цей проект були вкладені великі фінанси і значні інтелектуальні зусилля, експерименти готувалися довго - місяцями. Позитивний експеримент, який привів до появи перших кристалів алмазу, обрадував вчених і в той же час спантеличив. Готувати такі експерименти було нелегко. Тому вчені не наважилися оприлюднити результати, щоб перш за вдосконалити технологію, зробити її більш економічною і продуктивною. І промовчали. Але оскільки ця ідея вже витала в повітрі, в грудні 1954 року в лабораторії фірми «Дженерал Електрик» також змогли отримати перші кристали синтетичного алмазу. Це було здійснено в рамках змагальної системи групою вчених - Трейсі Холом, Гербертом Стронгом, Френсісом Банді і Бобом Венторф. Першим отримав алмази Холл, але було вирішено, що це - загальний успіх, і в патенті значилися чотири прізвища. 31 грудня 1954 офіційно зареєстрована дата отримання перших синтетичних алмазів (man-made diamonds). Публічно оголошене це було 16 лютого 1955 року. Промислове виробництво почалося в 1957 році в Детройті, а вже в листопаді 1957 року було продано перші синтетичні алмази.

У Радянському Союзі для дослідження умов отримання штучних алмазів була створена лабораторія академіка Леоніда Федоровича Верещагіна. На її базі було засновано Інститут фізики високих тисків Академії Наук. Уряд сподівався на хороші результати, і вони були досягнуті. У травні 1960 року під керівництвом Л.Ф. Верещагіна групою вчених - Галактіонова В.А., Рябініним Ю.М., Семеречаном А.Л., слюсарів Л.Ф. був здійснений синтез алмазів в оригінальному апараті високого тиску (АВТ) типу «ковадло з поглибленням (чечевиця». У той же час в Харкові Валентином Миколайовичем Бакула протягом двох десятиліть (він почав ці роботи ще в 30-і роки минулого століття) був накопичений великий досвід успішного виробництва і впровадження твердих сплавів. Лабораторія В. М. Бакуля в СРСР була центральним науковим підрозділом, яке володіло практично повною інформацією про твердих сплавах. Її фахівці вміли їх отримувати і застосовувати в інструменті ін і великих динамічних навантаженнях, знали про зв'язок структури з фізико-механічними властивостями. Поки Л.Ф. Верещагін НЕ скооперуватися в науково-практичному плані з В. М. Бакуля, кожен синтез алмазів приводив до руйнування апарату. І це визначало велику вартість отриманого продукту . Коли ж під керівництвом В. М. Бакуля був створений апарат, який витримував десятки і сотні циклів синтезу, відразу різко знизилася вартість синтетичних алмазів. Технологія стала привабливою для масового виробництва. Таким чином, були створені обладнання і технологія одержання синтетичних алмазів, унікальні за своїми параметрами. До сих пір, незважаючи на те, що пройшло 50 років з моменту її впровадження не створено інший, де перетворення матеріалів відбувається при тиску близько 5-7 гігапаскалів, температури від 1500-2000 ° C.

Отже, були отримані перші результати, які підтверджують можливість масового виробництва синтетичних алмазів.

Для здійснення прориву в високих критичних технологіях потрібно, щоб назріли потреби суспільства, була зацікавленість урядових органів і фінансування, ентузіазм і підготовлені кадри для вирішення завдання. Можна відзначити, що ця технологія назріла - з'явилася в потрібний час і в потрібному місці. Але її реалізація вимагала колосальних витрат на спеціальне виробництво, нестандартне обладнання в одиничних екземплярах і кадри з високим інтелектуальним потенціалом.

У рекордно короткий термін в 1961 році в новоствореному Інституті надтвердих матеріалів заробило промислове виробництво. На все результати досліджень були оформлені патенти. Перше десятиліття Інституту надтвердих матеріалів було особливо успішним. Можна навести такі цифри: за перші десять років розвитку технології в Америці там вдалося виготовити близько 14 мільйонів карат синтетичних алмазів. А за технологією Валентина Миколайовича Бакуля вдалося за ці ж роки отримати 30 мільйонів карат - в два рази більше! Розробка радянських вчених виявилася надпотужною і надуспішної.

Люди, які стикнулися з нею, розуміли її можливості і доклали максимум зусиль для її розвитку і впровадження. З боку уряду країни були гроші і матеріальні ресурси, а з боку виконавців - ентузіазм, робота без обмежень за часом, молодий натиск, бажання змагатися, щоб бути першими в світі. Таке поєднання всіх необхідних умов для розвитку ідеї та втілення її в життя - рідкісна удача. Тому технологія синтезу алмазів виявилася по плечу дуже обмеженому числу країн. Фактично цією технологією крім СРСР володіли тільки Японія, Китай, і Чехословаччина. Все інше - це похідне від них. Наприклад, компанії Де Бірс і японська «Сумітомо» отримували алмази за технологією «Дженерал Електрик».

У 1961 році в інституті працювало 150 чоловік, до кінця року вже 400, а в 1980-х рр. разом зі співробітниками дослідного заводу і спеціального конструкторсько-технічного бюро - близько 3,5 тисяч осіб.

За 50 років існування інституту, після перших досягнень в галузі промислового синтезу алмазів, група надтвердих матеріалів істотно поповнилася. Співробітниками ІСМ створено понад 100 різних унікальних матеріалів. І багато хто з них в природі не зустрічаються. Вони мають високу твердість, унікальними теплофізичними, оптичними та електричними властивостями, це і напівпровідники, і надпровідники, і матеріали з низьким коефіцієнтом тертя. Якщо в 1950-х рр. були отримані тільки «крайові» матеріали - алмази з найбільш високою твердістю - карбід кремнію, то зараз цей діапазон заповнений повністю. Є алмазоподібні кубічний нітрид бору. У 2002 році в інституті було отримано новий матеріал, відсутній у природі, - карбонітриду бору. Алмаз - це чистий вуглець, а кубічний нітрид бору - це двоелементний матеріал, що складається з бору і азоту. Карборунд нітрид бору складається з трьох елементів: бору, азоту та вуглецю. Потім з'явилася група матеріалів, які включають вже і інші елементи - гідрид магнію. Є матеріал, який включає частки і атоми алюмінію, магнію, бору, кисню і т. П. Тобто, вирішена ціла група наукових завдань, пов'язаних зі створенням матеріалів кристалічної будови з максимально щільною упаковкою і володіють сукупністю дуже цікавих властивостей. Для інституту як для організації матеріалознавчої, перш за все, цікаве створення нових матеріалів на основі новітніх технологій - плазмової, вибуховий, лазерної та інших.

Особливістю ІСМ є те, що він спрямований не тільки на поповнення скарбниці знань, він спрямований на інноваційну діяльність, яка дозволяє перетворювати знання в практичний результат. Тому приблизно половина співробітників займається питаннями впровадження надтвердих матеріалів у виробництво. Перш за все, це отримання різних інструментів для різних галузей промисловості, а потім - отримання конструктивних елементів, що володіють високою зносостійкістю, напівпровідниковими властивостями для елементів техніки і електротехніки та електроніки. Тому можна сказати так: досягненнями інституту є створення матеріалів і вміння перетворювати ці матеріали в продукти, широко використовувані в промисловості.

Я вважаю, в цьому відношенні наш інститут досить унікальний. Практично всі наукові результати, які отримують в інституті, швидко доходять до практичного застосування. Організувавши свого часу досвідчений завод і конструкторське бюро, ми поширили свій досвід на десятки новостворених підприємств. На технологіях інституту було створено ряд великих заводів, і найбільший, світового значення, з виробництва синтетичних алмазів в Полтаві. Були побудовані спеціальні підприємства під Москвою, в Єревані, Санкт-Петербурзі, в Ташкенті, в Рославле Смоленської області і т. Д. Потім ці технології вийшли за межі нашої країни, з'явилося виробництво синтетичних алмазів в Болгарії та Білорусі. Утворилася ціла галузь.

До 1990 року в СРСР вироблялося синтетичних алмазів 600 млн. Карат на рік - це 120 тонн і стільки ж вироблялося в світі всіх утримувачів технології.

Але час минав, і сьогодні центром синтезу алмазів став Китай. Він виробляє на сьогоднішній день 6-7 млрд. Карат алмазів, це 1200 тонн, тобто, в десять разів більше. Китай став лідером у цій галузі. Принципово технологія залишилася такою ж, а способи вирішення завдання і обладнання дещо відрізняються. Є пристрої західного типу - це апарати високого тиску компанії Белл, устрою нашої типу - сочевицеподібні, а китайські - багатоелементні: АВД з шести основних частин і спеціальне пресове обладнання.

На сучасному етапі розвитку науки, техніки і виробництва національні досягнення однієї країни швидко стають світовими. Наприклад, електронна техніка, первинно зародившись в Японії, перейшла кордони - і сьогодні за обсягами її випуску лідирує Китай. Будь-яке наукове досягнення, яке має практичне застосування, стає надбанням усього світу.

Повторюся: вміння швидко доводити наукові результати до практичного застосування сьогодні грає не меншу роль, ніж отримання нових знань. Зараз це особливо непросто. В умовах, коли існувало централізоване управління економікою, ці питання були на контролі уряду. Воно допомагало доводити практичні результати до великої кількості підприємств і організацій: організовувалися школи, навчання, поїздки, виставки, семінари. Десь навіть змушували, були ситуації, коли Центральне статистичне управління директивно перевіряло використання алмазів на підприємствах. Тобто держава активно втручалася в процес впровадження. Сьогодні воно відсторонилася від цього, підприємства стали приватними, а зацікавити їх господарів науковими впровадженнями велике мистецтво: і складно і важко. Очевидно, проблема чекає свого рішення. Приватник віддає перевагу отримати готовий результат, він хоче його просто купити - у вигляді обладнання, технології, підготовленого персоналу. А науці, для того щоб вийти з остаточним продуктом, потрібно фінансування. Очевидно, що сьогодні держава не може цього робити, а значить необхідно шукати кредитні ресурси, інвестиції з залученням і об'єднанням приватного і державного капіталу.

На жаль, після настільки тріумфального розвитку технологій в Україні, яка свого часу перебувала в десятці передових розвинених країн світу, ми втратили своє «індустріальне обличчя». І тому гірко чути сьогодні слова президента: «Ми будемо прагнути до того, щоб наша держава увійшла до двадцятки найбільш розвинених країн світу».

Від щирого серця вітаємо весь колектив вчених і фахівців Інституту надтвердих матеріалів з 50-річчям.
З глибокою повагою ставимося до вашої самовідданої праці на благо науки і техніки, які не мають кордонів.
Нових відкриттів і звершень!
Редакція журналу «Обладнання та інструмент для професіоналів».