Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт
Проведено сравнительное исследование субструктуры образцов CVD-алмаза различного структурного совершенства в материале гибридайт, полученном в условиях высокого давления и температуры. Изучена термостабильность материала и изменение твердости в результате формирования вокруг CVD-алмаза в условиях вы...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126032 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт / А.Н. Соколов, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин, А.В. Котко, В.П. Брикса, Р.К. Богданов, А.П. Закора, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 2. — С. 29-40. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860250728770043904 |
|---|---|
| author | Соколов, А.Н. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Котко, А.В. Брикса, В.П. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. |
| author_facet | Соколов, А.Н. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Котко, А.В. Брикса, В.П. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. |
| citation_txt | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт / А.Н. Соколов, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин, А.В. Котко, В.П. Брикса, Р.К. Богданов, А.П. Закора, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 2. — С. 29-40. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Проведено сравнительное исследование субструктуры образцов CVD-алмаза различного структурного совершенства в материале гибридайт, полученном в условиях высокого давления и температуры. Изучена термостабильность материала и изменение твердости в результате формирования вокруг CVD-алмаза в условиях высокого давления и температуры поликристаллической оболочки из алмазного композиционного термостойкого материала. На основании полученных данных по работоспособности в инструменте гибридайта с CVD-алмазом различного структурного совершенства рекомендованы области его наиболее эффективного использования.
Проведено порівняльне дослідження субструктури зразків CVD-алмазу різної структурної досконалості в матеріалі гібридайт, отриманому в умовах високого тиску та температури. Вивчено термостабільність матеріалу і зміну твердості в результаті формування навколо CVD-алмазу в умовах високих тисків і температур полікристалічної оболонки з алмазного композиційного термостійкого матеріалу. На підставі отриманих даних із працездатності в інструменті гібридайта з CVD-алмазом різної структурної досконалості рекомендовано області його найбільш ефективного використання.
A comparison study has been conducted of the substructure of samples of CVD diamonds of various crystalline perfections in the hybridite material produced at high pressures and temperatures. The material thermostability and hardness variation as a result of the formation of a polycrystalline shell of diamond thermostable composite material around a CVD diamond at high pressure and temperature have been examined. Based on the data obtained on the efficiency of tools from hybridite with CVD diamonds of various structural perfections, the most efficient applications of tools have been recommended.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:42:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 29
УДК 621.921.34:621.921.34-413:621.923.4:662.23.05
А. Н. Соколов, А. А. Шульженко, В. Г. Гаргин,
А. В. Котко, В. П. Брикса, Р. К. Богданов, А. П. Закора,
М. Г. Лошак, Л. И. Александрова (г. Киев)
Структура и физико-механические свойства
CVD-алмаза различного кристаллического
совершенства в материале гибридайт
Проведено сравнительное исследование субструктуры образцов
CVD-алмаза различного структурного совершенства в материале гибридайт,
полученном в условиях высокого давления и температуры. Изучена термоста-
бильность материала и изменение твердости в результате формирования во-
круг CVD-алмаза в условиях высокого давления и температуры поликристалли-
ческой оболочки из алмазного композиционного термостойкого материала. На
основании полученных данных по работоспособности в инструменте гибридай-
та с CVD-алмазом различного структурного совершенства рекомендованы об-
ласти его наиболее эффективного использования.
Ключевые слова: CVD-алмаз, субструктура, высокое давление и
температура, комбинационное рассеяние света, твердость.
ВВЕДЕНИЕ
Один из путей получения оптимального сочетания прочности,
твердости и термостабильности в широком интервале температур в инстру-
ментах различного функционального назначения – это создание гибридных
материалов, объединяющих в себе преимущества составляющих их компо-
нентов.
Как известно, под гибридом подразумевают объект, сочетающий свойства
других (двух или более) объектов. В частности, в [1] определяют “гибрид-
ный” как совмещающий признаки различных предметов, явлений. В технике,
как отмечается в [2], термином “гибридный” называют системы, включаю-
щие в себе различные элементы или процессы. Особенностью является то,
что соответствующие элементы представляют собой законченные решения, а
в результате их объединения создаются новые желаемые свойства.
В результате проведения комплекса научных исследований в Институте
сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины совместно с со-
трудниками Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН созданы
научные основы управления структурой и свойствами гибридных алмазных
композитов и на их основе разработан гибридный ультратвердый поликри-
сталлический композиционный материал (торговый знак “гибридайт” [3]),
сочетающий уникальные физико-механические и теплофизические характе-
ристики CVD-алмаза и поликристаллической оболочки из алмазов статиче-
ского синтеза [4–6].
Известно [7, 8], что морфология выращиваемого CVD-алмаза чувстви-
тельна к условиям роста (химическому составу среды и подложки, способу и
скорости осаждения на подложку и т. п.), и в зависимости от степени совер-
© А. Н. СОКОЛОВ, А. А. ШУЛЬЖЕНКО, В. Г. ГАРГИН, А. В. КОТКО, В. П. БРИКСА, Р. К. БОГДАНОВ,
А. П. ЗАКОРА, М. Г. ЛОШАК, Л. И. АЛЕКСАНДРОВА, 2013
www.ism.kiev.ua/stm 30
шенства выращенный материал может быть как монокристаллическим CVD-
алмазом с высокой степенью совершенства кристаллической структуры [9],
так и поликристаллическим CVD-алмазом с высоким содержанием структур-
ных дефектов, вызывающих в нем сильное оптическое поглощение (так на-
зываемый “черный алмаз” – black diamond), или с совершенной структурой
составляющих его кристаллитов (светлый CVD-алмаз), который применяется
в оптике, устройствах для отвода тепла и микроэлектронных устройствах.
Ранее [4, 10] авторами были получены данные по твердости CVD-алмаза и
ее изменению в процессе формирования гибридайта при высоком давлении и
температуре (НРНТ-обработке) в случае использования светлого и черного
поликристаллического CVD-алмаза, существенно отличающихся по струк-
турному совершенству.
Поскольку менее совершенный черный поликристаллический CVD-алмаз
в зависимости от технологии получения также отличается по структуре (мел-
кокристаллической, крупнокристаллической, явно выраженной столбчатой),
представляет большой интерес исследование влияния НРНТ-обработки на его
свойства, формируемые в процессе создания гибридайта.
Цель настоящей работы – проведение сравнительного изучения субструк-
туры образцов CVD-алмаза различного структурного совершенства до и по-
сле их НРНТ-обработки при спекании гибридайта и выявления общих осо-
бенностей и различия в субструктуре образцов, определения их твердости HV
до и после спекания, исследование ее изменения в результате формирования
вокруг CVD-алмаза в условиях высокого давления и температуры поликри-
сталлической оболочки из алмазного композиционного термостойкого мате-
риала (АКТМ) [11].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве исходных использовали следующие материалы:
– алмазные микропорошки статического синтеза зернистостью 40/28;
– поликристаллы (в виде брусков размером 1,3×1,4×2,5 мм) CVD-алмаза
со столбчатой кристаллической (CVD-d1, рис. 1, а, б) и мелкозернистой
(CVD-d2, рис. 1, в, г) структурой.
НРНТ-обработку образцов CVD-алмаза в процессе спекания гибридайта
осуществляли в многопозиционной реакционной ячейке высокого давления
[12] согласно методике, описанной в [4], в два этапа.
На первом этапе содержимое многопозиционной матрицы подвергали
НРНТ-обработке при давлении 8 ГПа и температуре 900 °С в течение 50 с.
Затем повышали температуру до температуры плавления кремния (1300 °С)
при заданном давлении и выдерживали в течение 90 с.
Измерения спектров комбинационного рассеивания света (КРС) и фото-
люминесценции (ФЛ) проводили в геометрии обратного рассеивания и реги-
стрировали с помощью тройного спектрометра Horiba Jobin Yvon T64000
(Франция), оснащенного CCD детектором и конфокальным микроскопом
Olympus BX41 с объективом ×100 (NA = 0,90). В качестве источника возбуж-
дения спектров КРС и ФЛ использовали Ar+/Kr+ лазер с длиной волны излу-
чения 488 нм. Лазерный луч фокусировали на поверхности образцов в об-
ласть диаметром ~ 1 мкм. Точность определения частоты фононной линии
составляла 0,15 см–1.
Тонкие откольные частицы, полученные при разрушении исходных об-
разцов ударом при комнатной температуре и помещенные на угольную плен-
ку, исследовали методом рентгенографии и просвечивающей электронной
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 31
микроскопии в сочетании с микродифракцией в Институте проблем материа-
ловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины. Для каждого типа образцов
и их разновидностей было исследовано не менее десяти откольных частиц.
а
б
в
40 мкм
г
Рис. 1. Внешний вид изломов образцов CVD-d1 (а) и CVD-d2 (в) и соответственно их
изображения во вторичных электронах (б – излом, г – шлиф).
Твердость образцов определяли с помощью микротвердомера ПМТ-3 с
использованием в качестве индентора алмазной пирамиды Виккерса [13] при
нагрузке на индентор 4,9 Н. Величину диагоналей отпечатка измеряли с по-
мощью оптического микроскопа Neophot (Карл-Цейс-Йена, Германия) при
увеличении 800.
При определении твердости особое внимание уделяли состоянию верши-
ны алмазной пирамиды, которое оценивали по результатам измерения отпе-
чатков на полированной поверхности эталонных образцов из металлического
вольфрама с твердостью около 4 ГПа. После каждых трех замеров твердости
исследуемых образцов наносили отпечаток на эталонный образец, размеры
диагоналей которого сравнивали с теми, которые имели отпечатки, оставлен-
ные на эталонном образце алмазной пирамидой после ее изготовления. При
отклонении размера диагоналей отпечатка от начальной величины более чем
на 3 % алмазную пирамиду переограняли. В процессе измерения твердости в
использованном диапазоне нагрузок на индентор не были отмечены случаи
разрушения индентора.
Термическую обработку образцов гибридайта с CVD-алмазом различного
структурного совершенства осуществляли в муфельной печи в среде аргона
при температуре Т = 1150 °С в течение 15 мин.
Износостойкость породоразрушающего элемента, оснащенного алмазным
гибридным поликристаллическим материалом, исследовали при точении на
www.ism.kiev.ua/stm 32
токарно-винторезном станке мод. ДИП-200 коростышевского гранита XI
категории по буримости (характеризуется стабильными свойствами, высокой
твердостью и абразивностью) в соответствии с методикой, описанной в [14].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
На рис. 2 показаны спектры КРС, полученные от образцов CVD-d1 и
CVD-d2 до и после НРНТ-обработки в процессе спекания гибридайта, а в
табл. 1 приведены их параметры.
D�полоса
G�полоса
4
3
2
1
И
н
те
н
си
вн
ос
ть
, о
тн
. е
д.
1000 1200 1400 1600 1800
Рамановский сдвиг, см
–1
Рис. 2. Спектры КРС, полученные от образцов CVD-алмаза исходных (различного струк-
турного совершенства) и в поликристаллической алмазной оболочке: 1 – CVD-d2 (исход-
ный); 2 – CVD-d2 (в оболочке); 3 – CVD-d1 (исходный); 4 – CVD-d1 (в оболочке).
Таблица 1. Параметры спектров КРС, полученных от образцов
CVD-d1 и CVD-d2 до и после НРНТ-обработки
Образец
Рамановский
сдвиг ωD, см–1
Полуширина
полосы ΓD, см–1
Рамановский
сдвиг ωG, см–1
Полуширина
полосы ΓG, см–1
IG/ID
CVD-d1
(исходный)
1333,2 5,58 1537,7 152,28 0,18
CVD-d1
(после НРНТ-
спекания)
1332,9 6,52 1522,2 157,2 0,31
CVD-d2
(исходный)
1333,5 8,84 1533,6 165,01 2,48
CVD-d2
(после НРНТ-
спекания)
1333,7 7,44 1536,8 148,99 1,47
Для структурно совершенного CVD-алмаза характерна малая полуширина
D-полосы (sp3-полосы, ΓD) и отсутствие аморфизованных sp2-конфигураций
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 33
углерода (G-полосы), т. е. критерием степени совершенства структуры может
служить отношение интегральных интенсивностей G- и D-полос IG/ID.
Из анализа полученных спектров и с учетом вышесказанного можно сде-
лать вывод, что крупнокристаллический CVD-алмаз (образец CVD-d1) отли-
чается более совершенной кристаллической структурой. Увеличение полу-
ширины D-полосы в результате НРНТ-обработки в процессе спекания гибри-
дайта является следствием формирования сложного напряженного состояния
в материале [4].
В мелкокристаллическом образце CVD-алмаза (CVD-d2) наблюдается
уменьшение полуширины D-полосы и отношения интенсивностей IG/ID, что
указывает на формирование более совершенной кристаллической структуры,
в частности, в результате превращения неалмазной формы углерода в алмаз
при НРНТ-обработке в процессе спекания гибридайта.
В спектрах ФЛ при возбуждении лазером (488 нм, 10 мВт) наблюдаются
на фоне широкой полосы при 2,1 эВ (зеленая полоса) также узкие переходы
зарядовых центров (рис. 3). В частности, достоверно можно идентифициро-
вать наиболее распространенный дефект – нейтральную вакансию углерода в
алмазе [V]0 при 1,678 эВ.
Фоновая полоса
4
3
2
1
И
нт
ен
си
вн
ос
ть
,
от
н
. е
д.
1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
Энергия, эВ
Зеленая полоса
Рис. 3. Спектры ФЛ, полученные от образцов CVD-алмаза исходных (различного струк-
турного совершенства) и в поликристаллической алмазной оболочке: 1 – CVD-d1 (исход-
ный); 2 – CVD-d1 (в оболочке); 3 – CVD-d2 (исходный); 4 – CVD-d2 (в оболочке); ? – фаза
не идентифицирована; E[V]0 = 1,678 эВ.
Для выявления особенностей в субструктуре образцов CVD-алмаза в ис-
ходном состоянии и после НРНТ-обработки в процессе спекания гибридайта
были также изучены методом просвечивающей электронной микроскопии в
сочетании с микродифракцией откольные частицы, помещенные на угольную
www.ism.kiev.ua/stm 34
пленку. Проведено сравнение фазового состава и структурного состояния
образцов CVD-алмаза в исходном состоянии и после спекания гибридайта.
Установлено, что частицы исходного образца CVD-d1 содержат три
структурные составляющие, отличающиеся фазовым составом:
– первая (основная по количественной доле) – кубический алмаз, в зернах
которого содержатся редкие двойники, дефекты упаковки. На микроэлектро-
нограммах (МЭГ) зерен выявляются линии Кикучи, указывающие на их вы-
сокое кристаллическое совершенство;
– вторая – мелкозернистые включения кубической и гексагональной фаз
алмаза. Диапазон размеров зерен в таких включениях составляет 10–60 нм,
причем даже в микрообъемах размеры зерен отличаются в 2–3 раза (рис. 4),
содержание таких включений – 5–7 % (по объему). В участках включений с
бóльшим размером зерен присутствует примесь инородной фазы, которую
авторам не удалось идентифицировать;
50 нм
I
II
III
а
б
в
г
100 нм
д
200 нм
е
Рис. 4. Зеренная структура двухфазных (алмаз + лонсдейлит) включений в матрице куби-
ческого алмаза (исходный образец CVD-d1): а – общий вид (светлопольное изображение);
б–г – МЭГ от участков I–III соответственно (б – стрелкой указано отражение 002 неалмаз-
ного углерода, в, г – стрелками указаны отражения 111 (кубический алмаз) + 100 (гексаго-
нальный алмаз); д, е – темнопольные изображения участков I и III в фрагментах колец,
указанных стрелками на соответствующих МЭГ.
– третья – разупорядоченный неалмазный углерод, содержится в виде
включений в кубической матричной составляющей (первая составляющая) и
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 35
мелкозернистых включениях (рис. 5). Его количественная доля не превышает
3–5 % (по объему).
а
б
Рис. 5. Изображение частицы алмаза и включения неалмазного углерода в исходном об-
разце CVD-d1 (а, включение отмечено стрелкой), МЭГ от включения неалмазного углеро-
да (б, стрелкой указано отражение 002 такого углерода).
Основная составляющая образца CVD-d1, подвергнутого HPHT-обработке
в процессе спекания гибридайта, – деформированные в различной степени
зерна кубического алмаза (рис. 6). В таком образце имеются зерна с группами
дефектов упаковки, микродвойниками по одной или двум непараллельным
плоскостям (111) (см. рис. 6, а, б), группами дислокаций в сочетании с высо-
150 нм
а
100 нм
б
в
200 нм
г
Рис. 6. Типичная деформационная субструктура в кубическом алмазе (образец CVD-d1)
после HPHT-обработки: пересекающиеся двойники (а, б); МЭГ от участка с такими двой-
никами (в, стрелками указаны непараллельные направления типа [111], в которых имеют-
ся непрерывные тяжи); группы дислокаций и изгибные контуры в деформированной час-
тице алмаза (г).
www.ism.kiev.ua/stm 36
кой плотностью изгибных деформационных контуров (см. рис. 6, г). Присут-
ствие плоских дефектов способствует структурному разупорядочению алма-
за. На это указывает наличие сплошных тяжей между узловыми отражениями
в направлениях [111] на МЭГ (см. рис. 6, в). В границах зерен редко встреча-
ется неалмазный разупорядоченный углерод и крайне редко – мелкозерни-
стые включения кубического алмаза.
Основной составляющей исходного образца CVD-d2, как и в предыдущем
случае, являются зерна кубического алмаза с редкими дефектами – дефекта-
ми упаковки, двойниками, дислокациями (см. рис. 6).
Вторая составляющая (рис. 7) представлена мелкозернистыми включе-
ниями (кубический алмаз + лонсдейлит) в сочетании с неалмазной состав-
ляющей углерода. Диапазон размеров зерен во включениях составляет 10–
20 нм, количественная доля включений – не менее 10 % (по объему).
70 нм
а
б
100 нм
в
Рис. 7. Зеренная структура в двухфазных (алмаз + лонсдейлит) включениях в матрице
кубического алмаза (исходный образец CVD-d2): а – светлопольное изображение; б –
типичная МЭГ от выделенной области, стрелкой указано кольцо совместного отражения
(111 (кубический алмаз) + 100 (лонсдейлит)); в – темнопольное изображение всего вклю-
чения в фрагменте совместного кольца (111 кубического алмаза + 100 лонсдейлита).
После спекания при высоком давлении и температуре основная состав-
ляющая образца CVD-d2 – деформированные зерна кубического алмаза.
Имеются также мелкозернистые включения кубического алмаза, доля кото-
рых не превышает 2–3 % (по объему). Основной тип деформационной суб-
структуры в зернах кубического алмаза матричной составляющей – тонкие
(20–40 нм) двойники, содержание которых сильно отличается в различных
зернах. В большей части зерен содержатся только параллельные двойники,
т. е. по одной плоскости типа (111) (рис. 8, а, б).
На МЭГ от зерен с высокой плотностью двойников в направлении типа
[111] имеются сплошные тяжи между узловыми отражениями, что указывает
на структурное разупорядочение в зернах с такими дефектами (см. рис. 8, в).
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 37
В границах сопряжения крупных зерен очень редко встречается неалмазный
углерод. Его содержание не превышает 1–2 % (см. рис. 6, в).
150 нм
а
б
1
2
в
Рис. 8. Типичная деформационная субструктура на основе нанодвойников в образце CVD-
d2 после HPHT-обработки: а – общий вид; б – увеличенное изображение участка, указан-
ного стрелками; в – МЭГ от выделенного участка (1 – направление типа [111], 2 – отраже-
ние 002 неалмазного углерода).
В табл. 2 приведены данные по твердости изученных образцов CVD-
алмаза как исходных, так и в оболочке из АКТМ, сформированной при
HPHT-обработке в процессе изготовления гибридайта.
Таблица 2. Твердость HV CVD-алмаза в зависимости от структуры
и условий баротермической обработки
Условия обработки Структура CVD-алмаза Твердость HV,
ГПа р, ГПа Т, К
Источник
Монокристалл 140–180 > 5 > 1800 [15]
CVD-d1 (исходный) 85 настоящая
работа
CVD-d1 130* 7,7 1600 »
CVD-d2 (исходный) 92 »
CVD-d2** 95* 7,7 1600 »
* CVD-алмаз в оболочке из поликристаллического алмаза (АКТМ).
** Образец содержит неалмазный углерод.
Твердость образцов CVD-алмаза в поликристаллической алмазной обо-
лочке, сформированной в процессе его HPHT-обработки, существенно зави-
www.ism.kiev.ua/stm 38
сит от исходной кристаллической структуры образцов – твердость образца
CVD-d1 в оболочке возрастает более чем в 1,5 раза по сравнению с твердо-
стью исходного, а твердость мелкокристаллического образца CVD-d2 прак-
тически не изменяется.
Ранее в [4] на основании изучения спектров КРС от поликристалла CVD-
алмаза сделан вывод о том, что повышение твердости в процессе получения
гибридного ультратвердого поликристаллического композиционного мате-
риала обеспечивается за счет пластической деформации алмазных зерен в
процессе формирования жесткого каркаса вокруг CVD-алмаза, что приводит
при высоком давлении к созданию в нем сложного структурно-напряженного
состояния. Аналогичный вывод на основании оптических исследований, в
частности, с использованием скрещенных поляризаторов, сделан в [16] для
монокристалла CVD-алмаза – увеличение твердости после баротермической
обработки происходит благодаря увеличению внутренних напряжений в мо-
нокристалле.
Из изложенного выше и данных табл. 2 следует, что в процессе HPHT-
обработки образца CVD-d1 – поликристалла со столбчатой кристаллической
структурой – формируется сложно-напряженное состояние, упрочняющее
CVD-алмаз и приводящее к существенному увеличению его твердости. В то
же время в случае мелкозернистого образца CVD-d2, содержащего неалмаз-
ную форму углерода, повышения твердости в результате спекания при высо-
ком давлении и температуре не наблюдается. Этот результат можно объяс-
нить тем, что исходная кристаллическая структура уже является напряжен-
ной (полуширина D-полосы в спектре КРС исходного CVD-d2 почти в
1,6 раза больше, чем исходного CVD-d1) и последующая HPHT-обработка в
процессе изготовления гибридайта не оказывает существенного влияния на
физико-механические свойства CVD-алмаза с мелкозернистой структурой.
Образцы гибридайта с CVD-алмазом различного структурного совершен-
ства были термообработаны в муфельной печи в среде аргона при температу-
ре Т = 1150 °С в течение 15 мин. Далее с использованием исходного и термо-
обработанного гибридайта были изготовлены режущие вставки, которые
были испытаны при точении коростышевского гранита XI категории по бу-
римости.
Результаты испытаний показали, что интенсивность изнашивания термо-
обработанного гибридайта, содержащего CVD-алмаз со столбчатой кристал-
лической структурой, почти на 40 % меньше, чем материала до термобработ-
ки, в то же время интенсивность изнашивания гибридайта с мелкозернистым
CVD-алмазом после термообработки увеличилась в 3,2 раза.
Сравнение полученных экспериментальных данных по абсолютной вели-
чине показывает, что интенсивность изнашивания гибридайта с мелкозерни-
стым CVD-алмазом более чем в 10 раз ниже, чем с CVD-алмазом со столбча-
той кристаллической структурой (0,28 и 3,02 мг/км соответственно). Термо-
обработка это различие существенно уменьшает (0,90 и 1,83 мг/км соответст-
венно, т. е. разница только в 2 раза).
Таким образом, исходная кристаллическая структура CVD-алмаза оказы-
вает существенное влияние на износостойкость гибридайта.
ВЫВОДЫ
Установлено, что изменение твердости CVD-алмаза, окруженного поли-
кристаллической алмазной оболочкой, сформированной в процессе спекания
гибридайта (р = 7–8 ГПа, Т = 1770 °С), зависит от его исходной структуры.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 2 39
Для CVD-алмаза со столбчатой крупнокристаллической структурой повыше-
ние твердости составляет 52 %, что подтверждается уширением линии спек-
тра КРС на 16 % по сравнению с исходным материалом. В случае же мелко-
кристаллической структуры CVD-алмаза его твердость в гибридайте практи-
чески не изменяется, при этом ширина линии спектра КРС уменьшается, что
свидетельствует о формировании в процессе HPHT-обработки при спекании
гибридайта более совершенной структуры, в частности, за счет уменьшения
содержания в нем неалмазных форм углерода.
Полученные спектры КРС подтверждают механизм повышения твердости
CVD-алмаза после его спекания в оболочке из поликристаллического алмаза
при высоком давлении и температуре [2], причем более совершенная и круп-
нозернистая структура CVD-алмаза подвергается пластической деформации в
этих условиях в большей степени.
Термообработка в среде аргона при температуре 1150 °С в течение 15 мин
по-разному, в зависимости от кристаллической структуры CVD-алмаза, влия-
ет на работоспособность гибридайта. При использовании мелкозернистого
CVD-алмаза, содержащего неалмазный углерод, износостойкость уменьшает-
ся практически в 3 раза, а CVD-алмаза со столбчатой кристаллической струк-
турой – возрастает более чем 1,6 раза.
Проведено порівняльне дослідження субструктури зразків CVD-алмазу
різної структурної досконалості в матеріалі гібридайт, отриманому в умовах високого
тиску та температури. Вивчено термостабільність матеріалу і зміну твердості в ре-
зультаті формування навколо CVD-алмазу в умовах високих тисків і температур полікри-
сталічної оболонки з алмазного композиційного термостійкого матеріалу. На підставі
отриманих даних із працездатності в інструменті гібридайта з CVD-алмазом різної
структурної досконалості рекомендовано області його найбільш ефективного викорис-
тання.
Ключові слова: CVD-алмаз, субструктура, високі тиск і температура,
комбінаційне розсіювання світла, твердість.
A comparison study has been conducted of the substructure of samples of
CVD diamonds of various crystalline perfections in the hybridite material produced at high
pressures and temperatures. The material thermostability and hardness variation as a result of
the formation of a polycrystalline shell of diamond thermostable composite material around a
CVD diamond at high pressure and temperature have been examined. Based on the data
obtained on the efficiency of tools from hybridite with CVD diamonds of various structural
perfections, the most efficient applications of tools have been recommended.
Keywords: CVD diamond, substructure, high pressure and temperature, Ra-
man scattering, hardness.
1. Ефремова Т. Ф. Новый словарь русского языка. Толково-словообразовательный. – М.:
Русский язык, 2000. – 1233 с.
2. Hybrid [Электронный ресурс]. – http://de.wikipedia.org/wiki/Hybrid.
3. Свідоцтво України на знак для товарів і послуг № 158183. Гібридайт. – Опубл.
10.07.12, Бюл. № 13.
4. Шульженко А. А., Ашкинази Е. Е., Соколов А. Н. и др. Новый гибридный ультратвердый
материал // Сверхтв. материалы. – 2010. – № 5. – С. 3–14.
5. Пат. 89732 Україна, МПК CO4 B 35/00. Надтвердий матеріал / О. О. Шульженко, О. М. Соко-
лов, В. Г. Гаргін та ін. – Опубл. 25.02.10, Бюл. № 4.
6. Пат. 2413699 Россия, МПК С04 В 35/528, С04 В 35/5835. Сверхтвердый материал /
Е. Е. Ашкинази, В. Г. Ральченко, В. И. Конов и др. – Опубл. 10.03.11, Бюл. № 7.
7. Balmer R. S., Brandon J. R., Clewes S. L. et. al. Chemical vapour deposition synthetic dia-
mond: materials, technology and applications // [Электронный ресурс]. – arXiv:0909.
1185v1 [cond-mat.mtrl-sci].
www.ism.kiev.ua/stm 40
8. Ralchenko V., Nistor L., Pleuler E., et. al. Structure and properties of high-temperature an-
nealed CVD diamond // Diamond Relat. Mater. – 2003. – 12, N 10–11. – P. 1964–1970.
9. Martineau P. M., Gaukroger M. P., Guy K. B. at al. High crystalline quality single crystal
chemical vapour deposition diamond // J. Phys.: Condens. Matter. – 2009. – 21, N 36,
art. 364205.
10. Шульженко А. А. Ашкинази Е. Е., Соколов А. Н. и др. Роль пластической деформации в
процессах спекания алмазного гибридного материала на структуру и твердость CVD-
алмаза // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов. – Киев: Ин-т сверх-
твердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2011. – С. 77–89.
11. Воронін Г. О., Осіпов О. С., Шульженко О. О. Композит на основі алмазу та карбіду
кремнію, призначений для оснащення бурового інструменту // Мінералогічний
журнал. – 1995. – 17, № 6. – С. 90–95.
12. Пат. на корисну модель 21897 Україна, МПК CO1 B 31/06, CO1 B 31/04, CO1 B 33/025,
CO4 B 35/52, CO4 B 35/573. Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі ал-
мазу / О. О. Шульженко, В. Г. Гаргін, Н. О. Русінова. – Опубл. 10.04.07, Бюл. № 4.
13. Глазов В. М., Вигдорович В. Н. Микротвердость металлов и полупроводников. – М.:
Металлургия, 1969. – 248 с.
14. Закора А. П., Богданов Р. К., Шульженко А. А. и др. Исследование работоспособности
гибридного алмазного композиционного поликристаллического материала для бурово-
го инструмента // Наук. праці Донецького техн. ун-ту. Серія “Гірничо-геологічна”. –
2011. – № 14. – С. 150–157.
15. Пат. 7115241 США, МКИ C30B 29/04, C01B 31/06. Ultrahard diamonds and method of
making thereof / J. H. Russell, M. Ho-Kwang, Y. Chih-shiue. – Publ. 03.10.06.
16. Пат. 2389833 Россия, МПК C30B25/00, C30B33/02, C30B29/04, A44C17/00, A61B17/32.
G02B1/02. Сверхпрочные монокристаллы CVD-алмаза и их трехмерный рост /
Р. Дж. Хемли, Хо-Кванг Мао, Чжи-Шию Янь. – Опубл. 20.05.2010.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 05.06.12
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
Ин-т проблем материаловедения
им. И. Н. Францевича НАН Украины
Ин-т физики полупроводников
им. В. Е. Лашкарева НАН Украины
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126032 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:42:49Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Соколов, А.Н. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Котко, А.В. Брикса, В.П. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. 2017-11-11T19:05:06Z 2017-11-11T19:05:06Z 2013 Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт / А.Н. Соколов, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин, А.В. Котко, В.П. Брикса, Р.К. Богданов, А.П. Закора, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 2. — С. 29-40. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126032 621.921.34:621.921.34-413:621.923.4:662.23.05 Проведено сравнительное исследование субструктуры образцов CVD-алмаза различного структурного совершенства в материале гибридайт, полученном в условиях высокого давления и температуры. Изучена термостабильность материала и изменение твердости в результате формирования вокруг CVD-алмаза в условиях высокого давления и температуры поликристаллической оболочки из алмазного композиционного термостойкого материала. На основании полученных данных по работоспособности в инструменте гибридайта с CVD-алмазом различного структурного совершенства рекомендованы области его наиболее эффективного использования. Проведено порівняльне дослідження субструктури зразків CVD-алмазу різної структурної досконалості в матеріалі гібридайт, отриманому в умовах високого тиску та температури. Вивчено термостабільність матеріалу і зміну твердості в результаті формування навколо CVD-алмазу в умовах високих тисків і температур полікристалічної оболонки з алмазного композиційного термостійкого матеріалу. На підставі отриманих даних із працездатності в інструменті гібридайта з CVD-алмазом різної структурної досконалості рекомендовано області його найбільш ефективного використання. A comparison study has been conducted of the substructure of samples of CVD diamonds of various crystalline perfections in the hybridite material produced at high pressures and temperatures. The material thermostability and hardness variation as a result of the formation of a polycrystalline shell of diamond thermostable composite material around a CVD diamond at high pressure and temperature have been examined. Based on the data obtained on the efficiency of tools from hybridite with CVD diamonds of various structural perfections, the most efficient applications of tools have been recommended. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт Structure and physico-mechanical properties of CVD diamonds of various crystalline perfections in the hybridite material Article published earlier |
| spellingShingle | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт Соколов, А.Н. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Котко, А.В. Брикса, В.П. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. Получение, структура, свойства |
| title | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| title_alt | Structure and physico-mechanical properties of CVD diamonds of various crystalline perfections in the hybridite material |
| title_full | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| title_fullStr | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| title_full_unstemmed | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| title_short | Структура и физико-механические свойства CVD-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| title_sort | структура и физико-механические свойства cvd-алмаза различного кристаллического совершенства в материале гибридайт |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126032 |
| work_keys_str_mv | AT sokolovan strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT šulʹženkoaa strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT garginvg strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT kotkoav strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT briksavp strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT bogdanovrk strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT zakoraap strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT lošakmg strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT aleksandrovali strukturaifizikomehaničeskiesvoistvacvdalmazarazličnogokristalličeskogosoveršenstvavmaterialegibridait AT sokolovan structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT šulʹženkoaa structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT garginvg structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT kotkoav structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT briksavp structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT bogdanovrk structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT zakoraap structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT lošakmg structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial AT aleksandrovali structureandphysicomechanicalpropertiesofcvddiamondsofvariouscrystallineperfectionsinthehybriditematerial |