Глава 2. Разбор задач
Задача 1. Алмазный инструмент
Часть I. Анализ задачи
ШАГ 1.1. Условие мини-задачи (без специальных терминов).
Техническая система:
ТС для создания алмазных инструментов.
ТС включает: алмазные кристаллы и металлический порошок – основа.
Техническое противоречие 1 (ТП-1):
Если связки много, то алмазные кристаллы держатся хорошо, но общая площадь обрабатывающего инструмента получается маленькая.
Техническое противоречие 2 (ТП-2):
Если связки мало (алмазные кристаллы размещаются вплотную друг к другу), то площадь обрабатывающего инструмента получается большой (максимальной), но алмазы выкрашиваются из инструмента.
Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить максимальную площадь обработки инструмента, и чтобы алмазные кристаллы не выкрашивались.
ШАГ 1.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов: изделие и инструмент.
Инструмент – связующий материал.
Изделие – алмазные кристаллы и площадь инструмента (площадь обработки инструментом).
Состояния инструмента:
Состояние 1 – связующего материала много.
Состояние 2 – связующего материала мало.
ШАГ 1.3. Составить графические схемы ТП-1 и ТП-2.
ТП-1 (связующего материала много).
ТП-2 (связующего материала мало).
ШАГ 1.4. Выбрать из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2) ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции системы, указанной в условиях задачи).
Указать, что является главным производственным процессом (ГПП).
ГПП – обрабатывающий инструмент создан для обработки, т. е. его площадь должна быть большой.
Выбираем ТП-2 – связки мало.
ШАГ 1.5. Усилить конфликт, указав предельное состояние (действие) элементов.
Алмазные кристаллы расположены вплотную друг к другу, но алмазы выкрашиваются из инструмента.
ШАГ 1.6. Формулировка модели задачи.
1. Конфликтующая пара
Связующий материал и алмазные кристаллы и площадь инструмента.
2. Усиленная формулировка конфликта
Кристаллы расположены вплотную, создавая максимальную площадь инструмента, но алмазы выкрашиваются из инструмента.
3. Икс-элемент
Икс-элемент создает условия для хорошего удержания алмазных кристаллов в инструменте, не уменьшая площадь инструмента.
ШАГ 1.7. Применение стандартов.
где
В1 – кристаллы алмаза;
В2 – связующий материал;
П – адгезия.
Связующий материал (В2) удерживает алмазы (В1) – прямая стрелка.
Связующий материал (В2) уменьшает площадь алмазов (В1) – волнистая стрелка.
Применение стандарта 1.2.1 (подкласс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В3), которое увеличит общую площадь алмазов (В1).
В качестве В3 нужно использовать материал, который не уменьшает общую площадь инструмента.
где
В1 – кристаллы алмаза;
В2 – связующий материал;
П – адгезия;
В3 – икс-элемент.
Часть 2. Анализ модели задачи
ШАГ 2.1. Определить оперативную зону ОЗ.
ОЗ – это зона, окружающая кристалл; зона соприкосновения кристалла и основы.
ШАГ 2.2. Определить оперативное время ОВ.
Т1 – время работы алмазного инструмента.
Т2 – время изготовления алмазного инструмента.
ШАГ 2.3. Определение и учет ВПР.
1. Внутрисистемные
а) ВПР инструмента.
Металл в виде порошка и расплава, пространство между кристаллами, расположенными вплотную.
б) ВПР изделия.
Кристалл алмаза, его микротрещины и микрополости.
2. Внешнесистемные
а) ВПР среды.
Температура расплавления металла (основы), давление, вибрация.
б) ВПР общие.
Воздух вокруг кристаллов.
3. Надсистемные:
а) отходы системы.
Излишки основы.
б) дешевые.
Воздух.
Часть 3. Определение ИКР и ФП
ШАГ 3.1. Формулировка ИКР-1.
Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяет удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.
ШАГ 3.2. Усиление формулировки ИКР-1.
Ресурсы кристалла алмаза, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяют удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.
ШАГ 3.3. Формулировка ФП на макроуровне.
Физическое противоречие (ФП):
Кристаллы алмазов должны находиться вплотную друг к другу, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента, и не должны находиться вплотную, чтобы хорошо удерживаться в инструменте.
ШАГ 3.4. Формулировка ФП на микроуровне.
Частички основы должны находиться между кристаллами, чтобы удерживать их в основе, и не должны находиться между кристаллами, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента.
ШАГ 3.5. Формулировка ИКР-2.
Зона между кристаллами во время работы алмазного инструмента должна сама удерживать кристаллы в основе.
Приходим к выводу, что основы между кристаллами быть не должно («отсутствующая» основа).
ШАГ 3.6. Применение стандартов.
Для измененной ситуации представим вепольную модель исходной ситуации.
где
В1 – алмазные кристаллы;
В2 – «отсутствующая» основа (связующий материал);
П – адгезия.
«Отсутствующий» связующий материал (В2) делает максимальной площадь алмазов (В1) – прямая стрелка.
«Отсутствующий» связующий материал (В2) не удерживает алмазы (В1) – волнистая стрелка.
Применение стандарта 1.2.1 (класс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В3), которое увеличит общую площадь алмазов (В1).
В качестве В3 нужно использовать материал, который удерживает алмазы.
где
В1 – алмазные кристаллы;
В2 – «отсутствующий» связующий материал;
П – адгезия;
В3 – икс-элемент.
Часть 4. Мобилизация и применение ВПР
ШАГ 4.1 Применение ММЧ.
Маленькие человечки должны пробраться в кристалл (в полости и трещины кристалла) и удерживаться за основу (рис. 3).
Рис. 3. ММЧ
ШАГ 4.2. Шаг назад от ИКР.
1. ИКР.
Кристаллы расположены вплотную и не выкрашиваются при работе.
2. Шаг назад от ИКР.
Кристаллы на микрон отстают друг от друга.
3. Как теперь достичь ИКР.
В это минимальное расстояние помещается что-то, что прекрасно заполняет микротрещины и микрополости кристалла и входит в основу так, что кристаллы и основа становятся одним целым.
ШАГ 4.3. Применение смеси ресурсных веществ.
Прослойка может быть сделана из смеси высокоплавких металлов.
ШАГ 4.4. Замена имеющихся ресурсных веществ пустотой или смесью ресурсных веществ с пустотой.
Задача не решается.
ШАГ 4.5. Применение веществ, производных от ресурсных (или применением смеси этих производных веществ с «пустотой»).
См. шаг 4.3. Прослойку делать из высокоплавких металлов с температурой плавления выше, чем температура плавления основы.
ШАГ 4.6. Введение электрического поля или взаимодействия двух электрических полей.
Может быть, воспользоваться электрическим полем для проникновения прослойки в микротрещины и микрополости кристалла?
ШАГ 4.7. Введение пары «поле – добавка вещества, отзывающегося на поле».
Задача может быть решена, например, использованием электролиза для покрытия кристаллов необходимым металлом.
Часть 5. Применение информфонда
ШАГ 5.1. Применение стандартов.
Можно применить стандарт 1.1.3. Переход к внешнему комплексному веполю.
где
В1 – кристаллы алмаза;
В2 – связующий материал;
П – адгезия;
В3 – икс-элемент (дополнительный металл).
ШАГ 5.2. Применение задач аналогов.
В качестве задачи-аналога может служить задача о припайке золотых проводников к микросхеме8.
Условие задачи
Обычно проводники в интегральных микросхемах (ИМС) делают из золота, имеющего самое малое удельное сопротивление току, но недопустимо плохую адгезию с материалом подложки. Как быть?
Решение
Сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию с подложкой и с золотом, а затем на него напыляют золото. В качестве подслоя берут никель или титан.
Таким образом, прослойка должна иметь хорошую адгезию с алмазом и с основой.
ШАГ 5.3. Приемы разрешения ФП.
Разделение свойств в пространстве
Внесение дополнительного очень тонкого слоя между кристаллом и основой. Слой должен быть не больше нескольких микрон.
ШАГ 5.4. Применение «Указателя физэффектов».
В качестве физических эффектов могут применяться, например, расплавление, бомбардировка, диффузионная сварка.