У Львівському університеті розробили нові матеріали для безсвинцевих припоїв

Паяння – це спосіб з’єднання металів та інших матеріалів у твердому стані, тобто без їхнього розплавлення, за допомогою сплаву (припою), який за температури паяння перебуває в рідкому стані. Паяння було відоме людству більше чотирьох тисяч років тому, про що свідчать археологічні розкопки на території Месопотамії та Єгипту. Його застосовували для виготовлення предметів домашнього побуту, прикрас та інших виробів. За рамки ремесла паяння вийшло в XIX сто­літті, а широке промислове використання знайшло тільки в другій половині XX століття завдяки розвитку промисловості, техніки та матеріалознавства.

Сучасне паяння налічує десятки різних способів, що дозволяють з’єднувати практично будь-які матеріали. Паяння використовується при виготовленні як дрібних і простих, так і великогабаритних і складних деталей, наприк­лад радіоапаратури і багатьох електронних приладів, різального інстру­менту, теплообмінників, камер згоряння і сопел ракетних двигунів, крил ракет, газових турбін та інших деталей, вузлів і виробів. В електропромисловості та приладобудуванні паяння є у низці випадків єдино можливим методом з’єднання деталей.

Упродовж багатьох десятиліть основним припоями, що всюди використовувалися, були олов’яно-свинцеві сплави, відомі ще з часів Римської імперії, де їх застосовували для з’єднання свинцевих труб акведуків.

Однак припої, що містять свинець, шкідливо впливають на здоров’я і навколишнє середовище, оскільки нагромадження свинцю в організмі є причиною виникнення різноманітних захворювань. Підвищення рівня свинцю в організмі людини призводить до розладів нервової та репродуктивної систем, затримки неврологічного і фізичного розвитку, зменшення  виробництва гемоглобіну, що є причиною анемії і гіпертонії. Донедавна вважалося, що отруєння свинцем настає, якщо його рівень у крові перевищує 300 мкг на 100 мл, але останні дослідження  довели, що підвищення концентрації свинцю в крові дітей навіть до 30 мкг на 100 мл зумовлює незворотні неврологічні порушення. Оскільки основною умовою розробки нових приладів та промислових комплексів є їхній якомога менший вплив на здоров’я людей, компанії зацікавлені в якнайширшому використанні безсвинцевих припоїв, передовсім в електронному та побутовому обладнанні.

Згідно із недавнім рішенням Європейської Комісії, всі припої, що містять свинець, повинні бути замінені. Для досягнення цієї мети була започаткована Європейська наукова програма COST, спрямована на всебічне дослідження фізичних, хімічних, технологічних та інших властивостей нових перспективних матеріалів для безсвинцевих припоїв. Угода про асоціацію між Україною та ЄС дає змогу перейти до економічної інтеграції, яка передбачає перехід на Європейські стандарти. Це означає, що, згідно із законодавством ЄС, використання безсвинцевих припоїв стане обов’язковим. У зв’язку з цим, розгортання національного виробництва безсвинцевих припоїв може бути економічно вигіднішим, ніж імпорт закордонних аналогів.

Олов’яно-свинцеві припої порівняно з іншими мають добрі змочувальні властивості, високий опір корозії та низку інших переваг. При паянні цими припоями властивості металів, що сполучаються, практично не змінюються. Втім розробки вчених Львівського університету дають підстави робити висновок, що якісний екологічний замінник традиційним припоям таки є. В рамках наукової роботи «Керування властивостями матеріалів в екстремальних умовах та поблизу фазових переходів» вчені ЛНУ ім. Івана Франка Василь Склярчук та Юрій Плевачук провели дослідження, які уже скоро дозволять використовувати у виробництві подвійні та потрійні сплави на основі олова. Це, за очікуванням вчених, повинно зробити виробництво більш екологічним і навіть дешевшим.

«Дослідження, які протягом останніх десяти років проводяться в рамках цієї програми науковцями кафедри фізики металів фізичного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка показали, що, виходячи з промислових та економічних факторів, найкращими матеріалами для заміни традиційних олов’яно-свинцевих припоїв є подвійні та потрійні сплави на основі олова, що зумовлено їхніми невисокими температурами плавлення, добрими механічними властивостями і низькою ціною», – розповів доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Василь Склярчук.

Зокрема, вчені Львівського університету довели, що додавання до припоїв на базі олова невеликих домішок інших хімічних елементів може суттєво покращити їхні механічні, адгезивні, термомеханічні та технологічні характеристики, такі як змочуваність, повзучість, напруження тощо. Такі мікро- та нанорозмірні домішки стабілізують кристалічну структуру сплаву, що може зазнавати суттєвих модифікацій під дією зовнішніх впливів (електричні і магнітні поля, температурні градієнти, нагрів та охолодження, вібрації), а також запобігають утворенню тріщин втомлюваності та розповзанню контактів, знижують зернистість.

«Основні сфери застосування таких припоїв: мікроелектроніка, побутова техніка, медична апаратура, автомобільна та космічна промисловість, а основні якісні характеристики: нетоксичність, технологічність, надійність, довговічність», – зазначив доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник кафедри фізики металів Юрій Плевачук.

Результати досліджень вчених Університету широко висвітлюються в публікаціях високорейтингових наукових журналів, доповідаються на міжнародних конференціях, а також запатентовані. Розроблені сплави вже викликали зацікавлення в українських підприємств, які спеціалізуються на випуску приладів для мікроелектроніки та побутової техніки для домашнього вжитку.

Як уже зазначалося, проведені вченими Університету дослідження є частиною наукової роботи «Керування властивостями матеріалів в екстремальних умовах та поблизу фазових переходів», поданої для участі у конкурсі на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2019 року.