Процесс Тейлора-Улитовского: Производство микропроволоки в стеклянной оболочке

Введение

Стеклянное покрытие — это процесс, изобретенный в 1924 году Г. Ф. Тейлором и реализованный в производственной машине Улитовски для изготовления тонких стеклянных металлических нитей диаметром всего несколько микрометров. В этом процессе, известном как «процесс Тейлора», «процесс микропроводов» или «процесс Тейлора-Улитовского», металл, предназначенный для производства в виде микропроводов, помещается в стеклянную трубку, обычно из боросиликатного стекла, закрытую с одного конца. Затем этот конец трубки нагревают, чтобы размягчить стекло до температуры, при которой металл переходит в жидкое состояние, и стекло можно вытягивать, формируя тонкую стеклянную капилляру с металлическим сердечником. В последние годы процесс был преобразован в непрерывный, путем постоянной подачи металла. Хотя процесс достаточно прост, он требует одновременного соблюдения множества факторов. Непрерывный поток металла, покрываемый стеклом, должен расплавляться при той же температуре, что и стекло, иначе могут возникнуть проблемы с однородностью, приводящие к изменению свойств проволоки. Это означает, что металлы с высокой температурой плавления использовать сложно, поскольку трудно подобрать температуру плавления металла к высокой температуре плавления стекла. Скорость вытягивания металлической проволоки также необходимо контролировать, поскольку колебания скорости могут привести к изменению ширины проволоки. Необходимо не только поддерживать постоянную скорость вытягивания, но и охлаждать проволоку в стабильной среде, обычно путем пропускания ее через поток охлажденной воды или масла. Однако существуют аппараты, позволяющие обойти некоторые из этих проблем, нагревая стекло и металл в отдельных камерах, что дает возможность использовать металлы с высокой температурой плавления. Около 1950-х годов процесс Тейлора-Улитовского был модифицирован путем непрерывной подачи материалов для организации массового производства этих проволок. При этом методе можно легко получать металлические сердечники диаметром от 1 до 120 микрометров с покрытием из стекла толщиной в несколько микрометров. С помощью этого метода успешно изготавливаются стеклянные микропровода из меди, серебра, золота, железа, платины и различных сплавов. Даже удалось получить аморфные металлические («металлические стекла») сердечники, поскольку скорость охлаждения, достижимая в этом процессе, может достигать 1 000 000 кельвинов в секунду. Стеклянная проволока получает все свои материальные свойства от своей микроструктуры, которая, в свою очередь, определяется скоростью охлаждения проволоки. Магнитные свойства проволок с стеклянным покрытием значительно отличаются от свойств аморфных и холоднотянутых проволок из-за различий во внутренних напряжениях, возникающих в проволоке. При выборе металла для проволоки, богатые железом (Fe) композиции обычно предпочтительнее богатых кобальтом (Co), поскольку кобальт дороже, а богатые железом металлы обладают лучшими магнитными свойствами. Магнитные свойства, такие как магнитная мягкость богатых железом материалов, можно улучшить путем отжига металла под механическим напряжением. «Мягким» называют магнит, если его магнитные свойства временны. Такие магниты легко намагничиваются под воздействием электрического тока и часто используются в компьютерах и электронике для управления потоком тока. Это делает эти провода полезными в технологических приложениях, поскольку они позволяют легко контролировать электрический ток в устройстве. «Твердый» магнит, напротив, не требует электрического тока для сохранения намагниченности и является постоянным магнитом. Такие магниты используются для создания магнитных полей в устройствах, таких как автомобильные генераторы. Стеклянное покрытие проводов повышает их термическую стабильность. Провода остаются стабильными до тех пор, пока стекло, в данном случае пирекс (боросиликатное стекло), не начнет размягчаться. Пирекс обычно начинает размягчаться при температуре около 673 Кельвина, поэтому эти провода можно использовать в охладителях или нагревателях, работающих при температуре ниже 673 Кельвина. Стеклянное покрытие не только обеспечивает термическую стабильность, но и предотвращает коррозию металла. Области применения микропроводов включают миниатюрные электрические компоненты на основе микропроводов с медным сердечником. Аморфные металлические сердечники со специальными магнитными свойствами могут использоваться, например, в защитных метках и связанных с ними устройствах. Сплавы на основе кобальта и железа используются для производства противокражных этикеток и защищенной бумаги. Стеклянная проволока также оказалась ценной в устройствах для обнаружения опухолей головного мозга и в медицинском оборудовании. Основными потребителями стеклянной проволоки являются медицинская и автомобильная промышленность, поскольку она очень важна для прецизионных датчиков. Процесс Тейлора-Улитовского успешно применяется в академической среде, но не был воспроизведен для крупносерийного производства. Модифицированный процесс Адара-Болотинского позволяет получать микропровод для соединения непосредственно из расплава путем литья вместо традиционного вытягивания, что позволяет масштабировать этот процесс до массового производства. Этот специальный производственный процесс также позволяет разрабатывать RED-микропровод, например, RED-медный провод, представляющий собой уникальный композитный провод с тонким стеклянным покрытием и мягким медным сердечником. Стеклянная проволока оказала значительное влияние на светодиодную промышленность, снизив стоимость соединительных компонентов, в частности, за счет использования медного провода вместо золотого. Использование процесса Адара-Болотинского позволило покрывать эти провода стеклом, которое защищает их от окисления, увеличивая срок хранения и эксплуатации. Эти улучшения способствовали нынешнему успеху светодиодного освещения.

Glass coating is a process invented in 1924 by G. F. Taylor and converted into production machine by Ulitovski for producing fine glass coated metal filaments only a few micrometres in diameter. In this process, known as the "Taylor wire" or "microwire process" or "Taylor Ulitovski process", the metal to be produced in microwire form is held in a glass tube, typically a borosilicate composition, which is closed at one end. This end of the tube is then heated in order to soften the glass to a temperature at which the metal part is in liquid state and the glass can be drawn down to produce a fine glass capillary containing a metal core. In recent years the process was converted to continuous one by continuously feeding the metal drop with new material. Although this process is simple enough it requires a lot of factors to be met at the same time. The continuous flow of metal that is being coated by the glass has to be melted at the same temperature as the glass otherwise there may be consistency problems which could lead to a change in the properties of the wire. This means that metals that have a high melting temperature can not be used because it may prove difficult to match the high melting point of the metal to a high melting point in a glass. The rate at which the metal wire is pulled also has to be monitored due to the fact that a fluctuation in the speed of pulling may cause a difference of width in the wire. Not only does the wire need to be pulled at the same rate but it also needs to be cooled in a stable environment, which is normally conducted by moving the wire through a stream of cooled water or oil. However. there are some apparatuses that can bypass some of these problems by heating the glass and the metal in separate chambers which allows for the use of metals with high melting points. Around the 1950s the Taylor Ulitovski process was changed to a continuous feeding process of the materials in order to make these wires on a mass production scale. Metal cores in the range 1 to 120 micrometres with a glass coating a few micrometres in diameter can be readily produced by this method. Glass coated microwires successfully produced by this method include copper, silver, gold, iron, platinum, and various alloy compositions. It has even proved possible to produce amorphous metal ("glassy metal") cores because the cooling rate achievable by this process can be of the order of 1,000,000 kelvins per second. Glass coated wire receives all of its material properties from its microstructure. The microstructure in turn receives its properties from the rate at which the wire is cooled. The magnetic properties of glass coated wires also differ greatly from the properties of amorphous wires and cold drawn wires due to the difference of the internal stresses that are occurring in the wire. When choosing a metal for the wire Fe rich compositions of metals typically hold an advantage over Co rich compositions since Co is more expensive and Fe rich metals have better magnetic properties. The magnetic properties such as the magnetic softness of Fe rich materials can be improved by annealing the metal while it is under mechanical stresses. When a magnet is said to be "soft" it implies that the magnetic abilities are only temporary. These magnets are easily magnetized when they are exposed to an electrical current. These types of magnets are often used in computers and technology to control the flow of electric current. This is what makes these wires useful in technological applications because they can easily control the flow of electricity in a device. A hard magnet on the other hand does not need an electrical current to remain magnetized so these magnets are permanent. These magnets are used to create magnetic fields in devices such as an automotive alternator. The glass coating of wires improves the thermal stability of the wire. The wires will remain stable until the glass, in this case Pyrex (borosilicate), begins to soften. Pyrex generally begins to soften around 673 Kelvin, therefore, these wires can be used in coolers or in heaters that operate under the temperature of 673 Kelvin. Not only does the glass coating of the wire provide thermal stability but it also helps to prevent metallic corrosion of the wire. Applications for microwire include miniature electrical components based on copper cored microwire. Amorphous metal cores with special magnetic properties can even be employed in such articles as security tags and related devices. Cobalt and iron base alloys are used to produce anti shoplifting labels and security papers. The glass coated wire has also proven quite valuable in devices that are used to sense brain tumors and used in medical equipment. The main consumers of glass coated wire are the medical and automobile industries since glass coated wire is very valuable when it comes to precise sensors. The Taylor Ulitovski process has been proven successful in academic environments however it was never duplicated for high volume mass production. The modified Adar Bolotinsky process has made it possible to produce micro bonding wire directly from the melt, by casting instead of the traditional drawing, converting this process to a mass production scale. This special manufacturing process also makes it possible to develop RED micro wire, for example RED Copper wire which is unique composite wire with a thin glass coating and a soft copper core. Glass coated wire had a huge impact on the LED industry by reducing the cost of interconnect components, specifically using Copper wire instead of Gold. Using the Adar Bolotinsky process has made it possible to coat these wires with glass which protects it from oxidisation, increasing the shelf and operating life. these improvements have contributed to the current success of LED lighting.