Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз
Исследованы фазовые превращения графита в плотные модификации углерода при ударном сжатии в цилиндрических ампулах сохранения (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Установлены зависимости выхода лонсдейлита и алмаза от условий сжатия. Полученные результаты проанализированы с учетом механизмов образо...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125954 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз / А.В. Курдюмов, В.Ф. Бритун, В.В. Ярош, А.И. Даниленко, В.Б. Зелявский // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 1. — С. 27-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-125954 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Курдюмов, А.В. Бритун, В.Ф. Ярош, В.В. Даниленко, А.И. Зелявский, В.Б. 2017-11-10T17:09:00Z 2017-11-10T17:09:00Z 2012 Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз / А.В. Курдюмов, В.Ф. Бритун, В.В. Ярош, А.И. Даниленко, В.Б. Зелявский // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 1. — С. 27-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125954 533.951:548.33 Исследованы фазовые превращения графита в плотные модификации углерода при ударном сжатии в цилиндрических ампулах сохранения (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Установлены зависимости выхода лонсдейлита и алмаза от условий сжатия. Полученные результаты проанализированы с учетом механизмов образования плотных фаз, а также особенностей их ударноволнового синтеза. Досліджено фазові перетворення графіту в щільні модифікації вуглецю при ударному стисненні в циліндричних ампулах збереження (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Встановлено залежності виходу лонсдейліту і алмазу від умов стиснення. Отримані результати проаналізовано з урахуванням механізмів утворення щільних фаз, а також особливостей їхнього ударно-хвильового синтезу. Shock compression–induced phase transformations of graphite into carbon dense modifications in cylindrical recovery containers (pshc = 20–36 GPa, Tshc = 1800–3500 K) have been studied. The dependences of the lonsdaleite and diamond yields on the compression conditions have been established. The results obtained have been analyzed taking into account the formation mechanisms of the dense phases and special features of their shock-wave synthesis. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз The influence of the shock compression conditions on the graphite transformations into lonsdaleite and diamond Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| spellingShingle |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз Курдюмов, А.В. Бритун, В.Ф. Ярош, В.В. Даниленко, А.И. Зелявский, В.Б. Получение, структура, свойства |
| title_short |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| title_full |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| title_fullStr |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| title_full_unstemmed |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| title_sort |
влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз |
| author |
Курдюмов, А.В. Бритун, В.Ф. Ярош, В.В. Даниленко, А.И. Зелявский, В.Б. |
| author_facet |
Курдюмов, А.В. Бритун, В.Ф. Ярош, В.В. Даниленко, А.И. Зелявский, В.Б. |
| topic |
Получение, структура, свойства |
| topic_facet |
Получение, структура, свойства |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The influence of the shock compression conditions on the graphite transformations into lonsdaleite and diamond |
| description |
Исследованы фазовые превращения графита в плотные модификации углерода при ударном сжатии в цилиндрических ампулах сохранения (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Установлены зависимости выхода лонсдейлита и алмаза от условий сжатия. Полученные результаты проанализированы с учетом механизмов образования плотных фаз, а также особенностей их ударноволнового синтеза.
Досліджено фазові перетворення графіту в щільні модифікації вуглецю при ударному стисненні в циліндричних ампулах збереження (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Встановлено залежності виходу лонсдейліту і алмазу від умов стиснення. Отримані результати проаналізовано з урахуванням механізмів утворення щільних фаз, а також особливостей їхнього ударно-хвильового синтезу.
Shock compression–induced phase transformations of graphite into carbon dense modifications in cylindrical recovery containers (pshc = 20–36 GPa, Tshc = 1800–3500 K) have been studied. The dependences of the lonsdaleite and diamond yields on the compression conditions have been established. The results obtained have been analyzed taking into account the formation mechanisms of the dense phases and special features of their shock-wave synthesis.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125954 |
| citation_txt |
Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз / А.В. Курдюмов, В.Ф. Бритун, В.В. Ярош, А.И. Даниленко, В.Б. Зелявский // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 1. — С. 27-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kurdûmovav vliânieusloviiudarnogosžatiânaprevraŝeniâgrafitavlonsdeilitialmaz AT britunvf vliânieusloviiudarnogosžatiânaprevraŝeniâgrafitavlonsdeilitialmaz AT ârošvv vliânieusloviiudarnogosžatiânaprevraŝeniâgrafitavlonsdeilitialmaz AT danilenkoai vliânieusloviiudarnogosžatiânaprevraŝeniâgrafitavlonsdeilitialmaz AT zelâvskiivb vliânieusloviiudarnogosžatiânaprevraŝeniâgrafitavlonsdeilitialmaz AT kurdûmovav theinfluenceoftheshockcompressionconditionsonthegraphitetransformationsintolonsdaleiteanddiamond AT britunvf theinfluenceoftheshockcompressionconditionsonthegraphitetransformationsintolonsdaleiteanddiamond AT ârošvv theinfluenceoftheshockcompressionconditionsonthegraphitetransformationsintolonsdaleiteanddiamond AT danilenkoai theinfluenceoftheshockcompressionconditionsonthegraphitetransformationsintolonsdaleiteanddiamond AT zelâvskiivb theinfluenceoftheshockcompressionconditionsonthegraphitetransformationsintolonsdaleiteanddiamond |
| first_indexed |
2025-11-25T20:40:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:40:27Z |
| _version_ |
1850530904417501184 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 27
УДК 533.951:548.33
А. В. Курдюмов, В. Ф. Бритун, В. В. Ярош,
А. И. Даниленко, В. Б. Зелявский (г. Киев)
Влияние условий ударного сжатия
на превращения графита в лонсдейлит
и алмаз
Исследованы фазовые превращения графита в плотные моди-
фикации углерода при ударном сжатии в цилиндрических ампулах сохранения
(руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–3500 К). Установлены зависимости выхода лонсдей-
лита и алмаза от условий сжатия. Полученные результаты проанализированы с
учетом механизмов образования плотных фаз, а также особенностей их ударно-
волнового синтеза.
Ключевые слова: ударное сжатие, графит, фазовые превраще-
ния, лонсдейлит, алмаз.
Фазовое превращение графита при ударном сжатии впервые
было зафиксировано в [1] по излому на ударной адиабате. Детальные иссле-
дования ударных адиабат, проведенные в [2–5], показали, что превращение
начинается при давлении около 20 ГПа и заканчивается (по разным данным)
при 24–30 ГПа. Плотность образующейся фазы, определенная по ударным
адиабатам, составляет 3,5 г/см3, т. е. такая же, как у алмаза и лонсдейлита.
Фазы высокого давления в [1–5], однако, не сохранялись и их структуру не
исследовали.
Реальная структура образующихся фаз была установлена с помощью экс-
периментов, в которых превращение осуществляли в условиях, позволяющих
сохранить фазы высокого давления [6–9]. Было показано, что при ударном
сжатии графита с высокоупорядоченной структурой образуется обычно смесь
алмаза с лонсдейлитом, хотя в некоторых случаях наблюдали только алмаз
[7]. На основании структурных исследований продуктов ударного сжатия
были предложены механизмы перестроек графита в плотные фазы [10–12].
Вместе с тем, влияние условий ударно-волнового синтеза на превращения
графита практически не исследовано. Сообщалось лишь, что увеличение
температуры ударного сжатия Туд ведет к снижению относительного количе-
ства лонсдейлита, что объяснялось его частичным превращением в графит
при разгрузке [8].
В настоящей работе впервые проведено систематическое исследование
влияния условий ударного сжатия в широком диапазоне давлений и темпера-
тур на превращение высокоупорядоченного графита в лонсдейлит и алмаз.
Для проведения такого исследования была усовершенствована методика ко-
личественного фазового анализа смесей лонсдейлит–алмаз [13] с учетом осо-
бенностей дифракционной картины продуктов ударного сжатия.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве исходного образца использовали порошок природного графита
марки С-1, содержащий 30 % (по массе) ромбоэдрической модификации и
© А. В. КУРДЮМОВ, В. Ф. БРИТУН, В. В. ЯРОШ, А. И. ДАНИЛЕНКО, В. Б. ЗЕЛЯВСКИЙ, 2012
www.ism.kiev.ua/stm 28
характеризуемый степенью трехмерной упорядоченности структуры обеих
фаз (гексагональной и ромбоэдрической) Р3 = 0,95. Содержание модификации
3R определяли по соотношению интегральных интенсивностей линий 101р и
100г с учетом отражающих способностей соответствующих кристаллографи-
ческих плоскостей [13]. Величину Р3 рассчитывали по уширению линий
112г + 113р и 110г,р [14]. Фрагмент дифрактограммы исходного графита при-
веден на рис. 1. Порошковые частицы исходного графита имели пластинча-
тую форму, размеры в плоскости базиса до 10 мкм и толщину до 0,3 мкм.
45 50 55 60 65
101
р
012
р 102
г
104
р
004
г
, 006
р
101
г
2θ, град
100
г
Рис. 1. Фрагмент рентгеновской дифрактограммы исходного графита С-1, содержащего
70 % (по массе) гексагональной модификации и 30 % (по массе) ромбоэдрической.
Для осуществления фазовых превращений использовали метод высоко-
температурного ударного сжатия (ВТУС), основанный на применении доба-
вок, обеспечивающих дополнительный нагрев графита при сжатии и быстрое
охлаждение образовавшихся фаз при разгрузке [15]. Эксперименты по ВТУС
проводили в цилиндрических ампулах сохранения кольцевого типа, особен-
ностью ударного сжатия в которых является ступенчатый подъем давлений и
температур до некоторых значений руд и Туд, зависящих от вида используемо-
го взрывчатого вещества, количества добавки и пористости исходной смеси
графит + добавка в кольцевом зазоре ампулы (методика оценки руд и Туд при-
ведена в [15, 16]). В качестве добавки использовали порошок KCl, который
смешивали с порошком графита в различных соотношениях. Было проведено
две серии взрывных экспериментов. Эксперименты с различным количеством
KCl проводили при давлении руд = 32 ГПа, содержание KCl изменяли от 60 до
95 % (по массе): зависимость Туд от содержания KCl, рассчитанная по мето-
дике [16] без учета плавления добавки, приведена на рис. 2 (по данным [17]
при давлении 30 ГПа KCl плавится при 3500 К). Во второй серии экспери-
ментов, проведенных при различных давлениях (от 20 до 35 ГПа), постоян-
ным было содержание KCl в смеси; температура ударного сжатия при этом
возрастала от 3000 до 3600 К. Во всех экспериментах исходная относитель-
ная плотность смеси составляла 35 % от теоретической.
Продукты ударного сжатия, отмытые от KCl, исследовали рентгенографи-
чески, а затем подвергали обогащению для удаления остаточной графитопо-
добной фазы (обработкой порошков в расплаве щелочей с нитратами). Рент-
геновские съемки образцов проводили на дифрактометре HZG-4A в фильтро-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 29
ванном излучении кобальта. Порошки без связки помещали в объектодержа-
тель, который закрывали тонкой фторопластовой пленкой. Толщина порош-
ковых образцов и плотность их упаковки в объектодержателе, а также режим
съемок были одинаковыми для всех исследованных образцов и эталона, что
позволяло определять фазовый состав продуктов ударного сжатия по отно-
шению интенсивностей одной и той же дифракционной линии на различных
рентгенограммах.
50 60 70 80 90 100
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Т
ем
п
ер
ат
ур
а
уд
ар
н
ог
о
сж
ат
и
я,
К
Содержание KCl в смеси, % (по массе)
Рис. 2. Зависимость температуры ударного сжатия Туд при руд = 32 ГПа от содержания
добавки KCl (оценка по ударной адиабате без учета плавления KCl).
Дифрактограммы образцов до и после обогащения приведены на рис. 3.
Для количественного фазового анализа использовали достаточно обособлен-
ную общую линию лонсдейлита и алмаза 112л + 311а (рис. 3, а), интенсив-
ность которой практически не зависит от текстуры образца. Суммарное со-
держание плотных фаз (лонсдейлита и алмаза) МΣ = Мл + Ма, % (по массе)
определяли по формуле
МΣ = %,100
эт
обр ⋅
I
I
(1)
где Iобр и Iэт – интегральные интенсивности указанной линии на дифракто-
граммах образца и эталона, в качестве которого использовали тот же образец
после обогащения (рис. 3, б).
Содержание лонсдейлита и алмаза определяли по дифрактограммам обо-
гащенных двухфазных образцов и однофазного эталона – нанокристалличе-
ского алмаза, полученного методом ВТУС сажи [18]. Отметим особенности
дифрактограмм обогащенных образцов, затрудняющие проведение количест-
венного фазового анализа:
– все линии алмаза накладываются на линии лонсдейлита;
– “чистые” линии лонсдейлита типа h0l настолько сильно размыты из-за
одномерной разупорядоченности его структуры, что измерить их интенсив-
ность практически невозможно;
– интенсивность самой сильной линии лонсдейлита 100 зависит не только
от его содержания, но и от степени разупорядоченности структуры [19].
www.ism.kiev.ua/stm 30
30 40 50 60 70 80 90 100 110
002
г
100
л
– 100
г
–002
л
–111
а
–101
г
110
л
220
а
110
г
112
г
112
л
311
а
а
2θ, град
в
б
Рис. 3. Рентгеновские дифрактограммы образцов после ВТУС (32 ГПа, 3200 К): до (а) и
после (б) их обогащения, после повторного сжатия обогащенного образца (в).
Все эти особенности характерны и для рентгенограмм образцов, получен-
ных в условиях статического синтеза. Отличие состоит в том, что в случае
ударно-волнового синтеза дифракционные линии размыты сильнее и в значи-
тельной степени перекрывают друг друга (рис. 4), что не позволяет опреде-
лять отношение содержаний лонсдейлита и алмаза по отношению интенсив-
ностей линии 100л и “смешанной” линии от обеих фаз, как предложено в [13]
для анализа продуктов статического синтеза.
Содержание лонсдейлита в смеси с алмазом можно, однако, определить по
абсолютной интенсивности одной общей линии лонсдейлита и алмаза, учи-
тывая то обстоятельство, что отражающие способности Q соответствующих
плоскостей этих фаз существенно различны. Для этого также удобно исполь-
зовать общую линию 112л + 311а (в излучении кобальта Qл = 82, Qа = 170).
Очевидно, что с увеличением относительного содержания алмаза абсолютная
интенсивность общей линии образца Іобр будет возрастать, стремясь к интен-
сивности линии чистого алмаза Іа. Тогда, измеряя отношение интегральных
интенсивностей линий на рентгенограммах алмазного эталона и исследуемо-
го образца
)1( лалл
а
обр
а
mQmQ
Q
I
Ix
−+
== ,
можно определить относительное содержание лонсдейлита mл и алмаза ma =
100 % – mл:
%100)1(а
л Qx
xQm
Δ
−= , (2)
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 31
где ла QQQ −=Δ . В серии образцов, исследованных в настоящей работе,
величина x изменялась от 1,1 (mл = 20 % (по массе)) до 1,46 (mл = 60 % (по
массе)).
42 46 50 54 42 46 50 54 42 46 50 54
111
а
002
л
2θ, град
H
h
100
л H
h
2θ, град 2θ, град
100
л
111
а
002
л
111
а
002
л
100
л
а б в
Рис. 4. Характерный участок дифрактограммы обогащенных образцов, содержащих вместе
с алмазом различное количество лонсдейлита (20 (а), 60 (б), 80 (в) % (по массе)) в образ-
цах после ударного (а, б) и статического (в) сжатия.
Приняв, что соотношение между содержаниями лонсдейлита и алмаза (k)
не изменяется в процессе обогащения (в этом авторы убедились с помощью
опытов по повторному обогащению), получим содержание каждой из плот-
ных фаз в трехфазных образцах после ВТУС:
;
1а k
MM
+
= Σ ал kMm = . (3)
Содержание плотных фаз можно также определить по отношению интен-
сивностей расположенных рядом линий 110л + 220а и 110г (см. рис. 3, б) с
учетом отражающих способностей Q [15]. Однако содержания плотных фаз,
определенные этим способом, оказались несколько выше, чем при их опреде-
лении по формуле (1). Это расхождение обусловлено, по-видимому, ослабле-
нием линии 110г из-за текстуры графита.
Наиболее наглядной характеристикой дифракционной картины, связанной
с содержанием лонсдейлита в смеси с алмазом, является высота “ступеньки”
h, образованной линией 100л (см. рис. 4). Отношение z = h/H хорошо корре-
лирует с содержанием лонсдейлита mл, определенным по описанной выше
методике (рис. 5). Зависимость, приведенную на рис. 5, удобно использовать
для определения содержания лонсдейлита в обогащенных образцах.
При одинаковых условиях ВТУС было проведено по два-три взрывных
эксперимента, что дало возможность оценить суммарную погрешность опре-
деления значений МΣ и Мi. Проведенный анализ показал, что эти погрешно-
сти не превышали ±10 % от средних значений определяемых величин.
www.ism.kiev.ua/stm 32
0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
10
20
30
40
50
60
m
л,
%
(
п
о
м
ас
се
)
z = h/H
Рис. 5. Связь между характеристикой z = h/H (см. рис. 4) и содержанием лонсдейлита в
обогащенных образцах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 6 представлены зависимости содержания плотных фаз в образцах
после ВТУС при руд = 32 ГПа, а также содержания лонсдейлита в обогащен-
ных образцах от количества введенной добавки KCl (т. е. по существу, от
температуры ударного сжатия). Как видно из полученных данных, величины
МΣ и Ма возрастают с повышением Туд, достигая соответственно 57 и 43 % (по
массе) при Туд ≥ 3500 К (МKCl = 95 % (по массе)). Минимальное значение Туд,
при котором фиксировали образование плотных фаз, составило 2200 К (МKCl
= 60 % (по массе)). Эксперименты, проведенные при различных давлениях и
постоянном содержании KCl (92 % (по массе)), показали, что минимальная
величина руд, необходимая для развития превращений, составляет 20 ГПа.
Значения МΣ, полученные при руд от 30 до 36 ГПа, находились в пределах
разброса экспериментальных данных и составили 55±5 % (по массе).
Содержание лонсдейлита Мл в продуктах ударного сжатия с повышением
температуры до Туд ≈ 3200 К возрастает, а затем падает, стремясь к нулю при
очень высоких температурах (см. рис. 6). В обогащенных образцах относи-
тельное содержание лонсдейлита mл достигало 50 % (по массе), а минималь-
ное значение составляло ∼ 20 % (по массе) (остальное – алмаз).
Как следует из приведенных данных, скорость превращения графита в
плотные фазы возрастает с повышением давления и температуры ударного
сжатия, что представляется естественным, поскольку образующиеся фазы
обладают значительно меньшим удельным объемом, чем исходная, и пре-
вращения являются термически активируемыми. Объяснения, однако, требу-
ет то, что превращение протекает не до конца, тогда как в экспериментах по
изучению ударных адиабат [1–5] наблюдали полное превращение при суще-
ственно меньших давлениях и температурах.
Одной из причин такого несоответствия могут быть обратные превраще-
ния образовавшихся фаз под действием высоких остаточных температур. Это
предположение было подтверждено путем повторной обработки обогащенно-
го образца в условиях ВТУС. Образец содержал по 50 % (по массе) лонсдей-
лита и алмаза, повторное сжатие провели при руд = 32 ГПа и Туд = 3500 К.
После такой обработки образовалось ∼ 10 % (по массе) графита (см. рис. 3, в),
причем превращение испытал в основном лонсдейлит – его содержание
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 33
уменьшалось до mл = 40 % (по массе). Другой причиной неполного превра-
щения является “текстурный фактор”: при построении ударных адиабат ис-
пользуемая схема нагружения позволяет производить сжатие вдоль направ-
ления наибольшей сжимаемости графита [0001], тогда как в наших экспери-
ментах текстура графитного порошка, помещенного в кольцевой зазор ампу-
лы в смеси с порошком KCl, по-видимому, отсутствовала (роль текстурной
ориентировки графита при ударном сжатии рассмотрена в [3]). Важным фак-
тором, влияющим на р, Т-параметры превращения и его скорость, является
также образование турбостратных дефектов упаковки в графите, препятст-
вующих развитию мартенситных превращений [15]. Об их образовании сви-
детельствует размытие линии 112г, ширина которой возрастала от 0,5 (в ис-
ходном графите) до 2,50 перед началом превращения.
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
0
10
20
30
40
50
60
20
30
40
50
4
3
M
KCl
, % (по массе)
2
С
од
ер
ж
ан
и
е
п
ло
тн
ы
х
ф
аз
, %
(
п
о
м
ас
се
)
1
m
л,
%
(
п
о
м
ас
се
)
Рис. 6. Влияние количества добавки KCl при ударном сжатии графита (руд = 32 ГПа) на
содержание лонсдейлита (1), алмаза (2) и их суммарное содержание (3) в образцах до
обогащения; содержание лонсдейлита (4) в обогащенных образцах (остальное – алмаз).
Рассмотрим теперь возможные причины образования обеих плотных мо-
дификаций углерода при ударном сжатии. Алмаз является стабильной фазой
высокого давления, тогда как лонсдейлит областей стабильности на фазовой
диаграмме углерода не имеет. Причину его образования обсуждали в [11, 20,
21]. Было показано, что при мартенситных превращениях, свойственных вы-
сокоупорядоченным структурам графита, образование лонсдейлита энергети-
чески значительно выгоднее, чем образование алмаза. Являясь, однако, мета-
стабильной фазой, лонсдейлит при достаточно высоких температурах должен
переходить в стабильные фазы – алмаз (при высоких давлениях) или графит
(при разгрузке). Превращениями лонсдейлита в стабильные фазы можно
объяснить наблюдаемое снижение содержания лонсдейлита с повышением
Туд (см. рис. 6).
www.ism.kiev.ua/stm 34
Поскольку решетки лонсдейлита и алмаза отличаются друг от друга по-
рядком укладки идентичных атомных плоскостей, превращение лонсдей-
лит → алмаз можно представить как бездиффузионную перестройку, при
которой плоскости (001)л, упорядоченно смещаясь в направлениях <10 1 0>,
становятся плоскостями (111)а. Заметим, что в нитриде бора подобному пре-
вращению препятствуют дефекты в призматических плоскостях вюрцитной
модификации (BNв), образующиеся при его ударно-волновом синтезе и пре-
пятствующие дальнейшему бездиффузионному переходу BNв в сфалеритную
фазу [22]. В лонсдейлите – кристаллическом аналоге BNв – такие дефекты не
образуются. Это различие родственных структур обусловливает тот факт, что
при ударном сжатии графитоподобного BN образуется только вюрцитная
модификация, а при ударном сжатии графита – смесь лонсдейлита и алмаза.
Образование алмаза непосредственно из графита принципиально, однако, не
исключено [20, 21], но, по-видимому, менее вероятно, чем из предварительно
образовавшегося лонсдейлита.
При ударном сжатии графита превращения протекают при значительно
более высоких давлениях, чем при его статическом сжатии (рст ≥ 8–10 ГПа
[23]), а образующиеся фазы характеризуются существенно более дисперсной
структурой. Так, по данным просвечивающей электронной микроскопии
(рис. 7) размеры зерен плотных фаз в порошковых частицах статического
синтеза могут достигать 200 нм и более, тогда как в продуктах ударного сжа-
тия размеры зерен не превышают 25 нм. О большей дисперсности плотных
0,5 мкм
а
004
л
+ 222
а
110
л
+ 220
а
002
л
+ 111
а
112
л
+ 311
а
10L
л
б
0,5 мкм
в
10L
г
Рис. 7. Темнопольные электронно-микроскопические изображения (а, в) и электронограм-
мы (б, г) частиц обогащенных порошков плотных фаз, синтезированных в условиях стати-
ческого сжатия (а, б) и ВТУС (в, г); на выделенном участке электронограммы (г) показан
непрерывный тяж 10L лонсдейлита.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 35
фаз, образующихся в условиях ВТУС, свидетельствует и вид микроэлектро-
нограмм, приведенных на рис. 7. Наблюдаемое различие в дисперсности
плотных фаз объясняется как большей неравновесностью условий, при кото-
рых протекают превращения при ударном сжатии, так и более интенсивным
образованием структурных дефектов под действием ударных волн.
Отличительной характеристикой лонсдейлита, синтезированного как при
статическом, так и при ударном сжатии, является высокая степень одномер-
ной разупорядоченности его структуры (высокая концентрация базисных
дефектов упаковки), приводящая к сильному уширению линий 10l на рентге-
нограммах (см. рис. 4) и размытию рефлексов 10l в направлениях [10L] на
электронограммах (рис. 7). Образование этих дефектов связано с деформаци-
ей решетки графита неоднородным сдвигом, сопровождающим мартенсит-
ный переход графит → лонсдейлит по механизму продольного изгиба слоев
[24].
На рис. 8 приведена зависимость ширины общих линий лонсдейлита и ал-
маза 110л + 220а и 112л + 311а от содержания mа алмаза в обогащенных образ-
цах после ВТУС. Наблюдаемое уменьшение ширины этих линий с возраста-
нием mа может быть обусловлено превращением в алмаз наиболее совершен-
ных зерен лонсдейлита, а также образованием алмаза непосредственно из
графита. Первый из этих вариантов легко объясним и является, по-видимому,
преобладающим, поскольку метастабильная фаза лонсдейлита с увеличением
температуры должна с возрастающей скоростью превращаться в стабильную
алмазную фазу, а образование алмаза из графита является менее энергетиче-
ски выгодным, чем образование лонсдейлита [19].
40 50 60 70 80
1
2
3
4
5
m
a
, % (по массе)
B, град
Рис. 8. Зависимость ширины линий 110л + 220а (1) и 112л + 311а (2) на рентгенограммах
обогащенных образцов от содержания в них алмаза.
В заключение отметим, что применение метода ВТУС для реализации
превращений графита в плотные фазы углерода – лонсдейлит и алмаз, позво-
лило существенно повысить выход этих фаз (по отношению к количеству
исходного графита). Так, в результате ударного сжатия графита (руд = 35 ГПа)
без добавок выход плотных фаз, по данным [25], не превышал 2,5 % (по мас-
се), а в присутствии 95 %-ной добавки порошка кобальта (играющего роль
холодильника) составил 14 % (по массе); использование же в качестве добав-
www.ism.kiev.ua/stm 36
ки порошка KCl позволило, как видно из приведенных выше данных
(см. рис. 6), довести выход плотных фаз при таком же давлении до 57 % (по
массе).
Досліджено фазові перетворення графіту в щільні модифікації вуглецю
при ударному стисненні в циліндричних ампулах збереження (руд = 20–36 ГПа, Туд = 1800–
3500 К). Встановлено залежності виходу лонсдейліту і алмазу від умов стиснення. Отри-
мані результати проаналізовано з урахуванням механізмів утворення щільних фаз, а та-
кож особливостей їхнього ударно-хвильового синтезу.
Ключові слова: ударне стиснення, графіт, фазові перетворення,
лонсдейліт, алмаз.
Shock compression–induced phase transformations of graphite into carbon
dense modifications in cylindrical recovery containers (pshc = 20–36 GPa, Tshc = 1800–3500 K)
have been studied. The dependences of the lonsdaleite and diamond yields on the compression
conditions have been established. The results obtained have been analyzed taking into account
the formation mechanisms of the dense phases and special features of their shock-wave synthesis.
Keywords: shock compression, graphite, phase transformations, lonsdaleite,
diamond.
1. Alder B. J., Christian R. H. Behavior of strongly shocked carbon // Phys. Rev. Lett. – 1961. –
7. – P. 367–369.
2. Gust W. H. Phase transition and shock-compression parameters to 120 GPa for three types of
graphite and for amorphous carbon // Phys. Rev. B. – 1980. – 22, N 10. – P. 4744–4756.
3. Erskine D. I., Nellis W. J. Shock-induced martensitic transformation of highly oriented graph-
ite to diamond // J. Appl. Phys. – 1992. – 71, N 10. – P. 4882–4886.
4. Безручко Г. С., Канель Г. И., Разоренов С. В. и др. Влияние ориентации на параметры
полиморфного превращения графита при ударном сжатии // Письма в ЖЭТФ. – 2008. –
88, № 3. – С. 254–257.
5. Савиных А. С., Канель Г. И., Разоренов С. В. Влияние структурного состояния графита
на параметры и кинетику превращения в алмаз при ударном сжатии // Физика твердого
тела. – 2007. – 49, № 11. – С. 2084–2087.
6. Trueb L. F. Electron-microscope study of shock-synthesized diamond // J. Appl. Phys. –
1968. – 39, N 4. – P. 4707–4716.
7. Wheeler E. J., Lewis D. The structure of shock-quenched diamond // Mater. Res. Bull. – 1975.
– 10, N 7. – P. 687–694.
8. Балан Т. Р., Боримчук Н. И., Бочко А. В. и др. Структурный аспект образования алмаза и
лонсдейлита при ударном сжатии различных углеграфитовых материалов // Детонация
и ударные волны: Материалы VIII Всесоюз. симп. по горению и взрыву, Ташкент, 1986.
– Черноголовка, 1986. – С. 80–82.
9. Курдюмов А. В., Островская Н. Ф., Пилянкевич А. Н. Реальная структура алмазов
динамического синтеза // Порошк. металлургия. – 1988. – № 1. – С. 34–40.
10. Курдюмов А. В. О механизме прямых фазовых превращений углерода и нитрида бора
при высоких давлениях // ДАН СССР. –1975. – 221, № 2. – С. 322–324.
11. Курдюмов А. В., Боримчук Н. И. Механизм превращения ромбоэдрического графита в
алмаз // Там же. – 1987. – 297, № 3. – С. 602–604.
12. Курдюмов А. В., Островская Н. Ф. Механизмы образования сверхтвердых фаз углеро-
да и нитрида бора при высоких давлениях // Физика и техника высоких давлений. –
1992. – 2, № 3. – С. 5–18.
13. Кочержинский Ю. А., Курдюмов А. В., Островская Н. Ф. Рентгенографическое опреде-
ление содержания лонсдейлита в смеси с алмазом // Там же. – 1982. – Вып. 10. – С. 78–
81.
14. Курдюмов А. В. Рентгенографическое исследование дефектов упаковки слоев в графи-
товых структурах // Кристаллография. – 1972. – XVII, вып. 3. – С. 620–625.
15. Курдюмов А. В., Бритун В. Ф., Боримчук Н. И., Ярош В. В. Мартенситные и диффузи-
онные превращения в углероде и нитриде бора при ударном сжатии. – Киев: Изд-во
“Куприянова О.О.”, 2005. – 192 с.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 1 37
16. Бритун В. Ф., Курдюмов А. В., Боримчук Н. И., Ярош В. В. Оценка р, Т-условий, реали-
зуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической
ампуле сохранения // Физика и техника высоких давлений. – 2005. – 15, № 3. – С. 71–
83.
17. Кормер С. Б., Синицын М. В., Кириллов Г. А., Урлин В. Д. Экспериментальное опре-
деление температур ударно сжатых NaCl и KCl и их кривых плавления до давлений
700 кбар // Журн. эксп. и теор. физики. – 1965. – 48, № 4. – С. 1033–1048.
18. Курдюмов А. В., Бритун В. Ф., Ярош В. В. и др. Фазовые превращения сажи при вы-
сокотемпературном ударном сжатии // Сверхтв. материалы. – 2009. – № 5. – С. 36–43.
19. Даниленко В. М., Курдюмов А. В. Интенсивность линий на рентгенограммах лонсдей-
лита с одномерно разупорядоченной структурой // Там же. – 1983. – № 2. – С. 6–11.
20. Бритун В. Ф., Курдюмов А. В., Петруша И. А. Дислокационная модель бездиффузион-
ного зарождения гексагонального и кубического алмаза // Доп. НАН України. – 2003. –
№ 9. – С. 102–107.
21. Бритун В. Ф., Курдюмов А. В. Анализ влияния условий сжатия на мартенситные пре-
вращения графита в лонсдейлит и алмаз // Физика и техника высоких давлений. – 2001.
– 11, № 3. – С. 34–42.
22. Britun V. F., Kurdyumov A. V. Crystal defect generation during diffusionless transformations
of boron nitride by puckering mechanism // J. Mater. Sci. – 1999. – 34. – P. 5677–5680.
23. Курдюмов А. В., Островская Н. Ф., Голубев А. С. Механизм образования, стабильность
и реальная структура лонсдейлита (обзор) // Сверхтв. материалы. – 1984. – № 4. –
С. 17–25.
24. Бритун В. Ф., Курдюмов А. В. Мартенситные превращения в углероде и нитриде бора
// Там же. – 2001. – № 2. – С. 3–14.
25. Morris D. C. An investigation of shock-induced transformation of graphite to diamond // J.
Appl. Phys. – 1980. – 51, N 4. – P. 2059–2065.
Ин-т проблем материаловедения Поступила 08.06.11
им. И. Н. Францевича НАН Украины
|