Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза
The impact of pressure value on the aggregation of nitrogen impurity was studied at the 
 process of high pressure high temperature treatment of synthetic diamond single crystals type Ib. 
 Different high pressure apparatus were used to achieve the pressure range 5 to 12 GPa, temper...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21021 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза / А.Н. Катруша, О.А. Заневский, С.Н. Шевчук, А.Н. Соколов, С.А. Ивахненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 204-207. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860124774313754624 |
|---|---|
| author | Катруша, А.Н. Заневский, О.А. Шевчук, С.Н. Соколов, А.Н. Ивахненко, С.А. |
| author_facet | Катруша, А.Н. Заневский, О.А. Шевчук, С.Н. Соколов, А.Н. Ивахненко, С.А. |
| citation_txt | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза / А.Н. Катруша, О.А. Заневский, С.Н. Шевчук, А.Н. Соколов, С.А. Ивахненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 204-207. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The impact of pressure value on the aggregation of nitrogen impurity was studied at the 
process of high pressure high temperature treatment of synthetic diamond single crystals type Ib. 
Different high pressure apparatus were used to achieve the pressure range 5 to 12 GPa, temperature up to 2100 C. The selected temperature itself was confirmed as a primary factor influencing 
the kinetic of nitrogen aggregation in synthetic diamond crystals.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:41:33Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
204
7. Новиков Н. В., Богатырева Г. П., Петасюк Г. А. К вопросу повышения информативно-
сти морфологических характеристик порошков из сверхтвердых материалов, опреде-
ляемых на видеокомпьютерных диагностических комплексах // Сверхтвердые матер. –
2005. – № 3. – С. 73 – 85.
8. Методика определения показателей однородности порошков синтетического алмаза
на основе системно-критериального подхода /Н. В. Новиков, Г. П. Богатырева, Ю. И.
Никитин, Г. А. Петасюк // Інструмент. світ. – 2006. – № 3(31). – С. 4 – 6.
9. Оценка однородности высокопрочных алмазных шлифпорошков по статической
прочности и термостойкости / Н. В. Новиков, Г. П. Богатырева, Р. К. Богданов, Г. Д.
Ильницкая // Матер. 3-й междунарной конф. “Породоразрушающий инструмент –
техника и технология его изготовления и применения”. – К: Изд-во ИСМ им. В. Н.
Бакуля НАН Украины, 2000. – С. 17 – 18.
10. Влияние катализаторов на взаимодействие алмазов с газовыми и жидкими средами
/А. П. Руденко, И. И. Кулакова, В. О. Скворцова и др. // Взаимодействие алмазов с га-
зовыми и жидкими средами: Сб. научн. тр. / Под ред. Н.В. Новикова. – К.: Изд-во
ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 1984. – С 58 – 73.
Поступила 22.05.09
УДК 541.1:621.921.34:666.233:548,5
А. Н. Катруша, канд. техн. наук, О. А. Заневский, канд. хим. наук, С. Н. Шевчук,
А. Н. Соколов, кандидаты технических наук; С. А. Ивахненко, д-р техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА АГРЕГАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИМЕСИ АЗОТА В МОНОКРИСТАЛЛАХ АЛМАЗА
The impact of pressure value on the aggregation of nitrogen impurity was studied at the
process of high pressure high temperature treatment of synthetic diamond single crystals type Ib.
Different high pressure apparatus were used to achieve the pressure range 5 to 12 GPa, tempera-
ture up to 2100 C. The selected temperature itself was confirmed as a primary factor influencing
the kinetic of nitrogen aggregation in synthetic diamond crystals.
Изучению влияния давления и температуры при термобарической обработке на
трансформацию (агрегацию, распад или формирование) оптически активных примесных
центров в алмазе уделяется много внимания [1–3]. С учетом использования таких данных для
геофизических расчетов возраста природных алмазов различных месторождений (например,
по степени агрегации азота в непарамагнитные комплексы) важно понять воздействие на
указанные процессы различных факторов. В большинстве как теоретических, так и экспери-
ментальных исследований приведены данные о воздействии только температуры обработки.
При этом давление выбирается в основном для области термодинамической стабильности
алмаза. В работе [4] сообщается о наблюдаемом экспериментально существенном повыше-
нии (в 10 раз) постоянной скорости реакции распада азотных непарамагнитных центров А на
одиночные центры С в природных монокриcталлах типа Ia при термобарической обработке
(Т ~ 2300 C, р = 5,0 ГПа–8,5 ГПа). В то же время значительный интерес представляет изуче-
ние влияния давления на обратный процесс – агрегацию парамагнитных центров С в непара-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
205
магнитные комплексы. Этот аспект частично обсуждается в [5], однако использование пред-
варительного облучения исследуемых образцов электронами для ускорения реакции агрега-
ции не позволяет сделать однозначный вывод о реальном механизме агрегации примесного
азота. Кроме того, в [5] эксперименты проведены при максимальной температуре 1500 C,
что недостаточно для определения количественных характеристик процесса агрегации.
В связи с изложенным – цель настоящей работы изучить количественные характери-
стики процесса агрегации азота на крупных монокристаллах синтетического алмаза, выра-
щенных методом спонтанной кристаллизации.
Эксперименты по термобарической обработке монокристаллов были выполнены с ис-
пользованием аппаратов высокого давления (АВД) двух типов – «тороид» ТС 40 [6] и «на-
ковальня-цветочек» с диаметром полости высокого давления 10 мм [7], позволяющих дос-
тичь давления соответственно 6 и 12 ГПа,. Температура обработки образцов составляла 2100
C для всех экспериментов; при такой температуре начинается процесс распада центров А
[3]. Обработанные таким образом образцы алмаза позволяют изучать преимущественно про-
цесс агрегации примеси азота. Эксперименты проводили путем нагружения в АВД образцов,
помещенных в капсулу из графита; реакционную ячейку нагревали путем пропускания элек-
трического тока через резистивную систему, обеспечивающую необходимую температуру.
Калибровочными измерениями с использованием платино-родиевых термопар определяли
зависимость температуры от мощности электрического тока до Т =1 930 С; при большей
температуре проводили экстраполяцию полученной зависимости T = f (Wэл) до 2100 C. Точ-
ность измерения температуры для диапазона Т = 1700–2100 С составила 30 C.
После термобарической обработки образцов алмаза проводили их ИК-спектроскопию;
спектры ИК-поглощения были получены на установке фирмы «Bruker Optik», включающей
ИК-Фурье-спектрометр VECTOR 22-MIR и ИК микроскоп «Bruker IRscope I A590» с детек-
тором МСТ (D326), охлаждаемым жидким азотом. Апертура составляла 50-100 мкм, диапа-
зон измерений – 4000–500 см-1. Измерения проводили при комнатной температуре. Концен-
трацию азота в центрах А и С определяли компьютерным разложением ИК-спектра в одно-
фононной области на соответствующие компоненты с последующим расчетом их концен-
траций по известным коэффициентам поглощения [4]. Интенсивность измеряли методом
внутреннего стандарта. Интенсивность полосы собственного решеточного поглощения алма-
за была принята 1992 см-1; 1992 = 12,3 см-1 [8]. При этом размер, форма и состояние поверх-
ности образца не имели существенного значения. Точность вычисления концентрации по
экспериментальному спектру озависит от точности определения интенсивности аналитиче-
ской полосы и полосы при 1992 см-1.
Для экспериментов отобрали три синтетических монокристалла алмаза типа Ib по фи-
зической классификации (полосы поглощения при 1130 и 1344 см-1 – одиночный парамаг-
нитный атом азота), которые обработали при температуре 2100 С и давлении р = 5,6 и 12
ГПа, время выдержки на максимальной температуре составило 1 мин (см. таблицу). Давле-
ние и температура для экспериментов 1 и 2 находились в зоне термодинамической стабиль-
ности графита, эксперимента 3 – стабильности алмаза. Общая концентрация примесного азо-
та в исходном состоянии во всех трех образцах была одинаковой.
Степень агрегации азота:
(NА/(NA + NС ))100 %,
где NА – концентрация азота в центрах А; NС – концентрация азота в центрах С.
По результатам ИК-спектроскопии в исходных образцах агрегация азота – до 5 %.
Исследование поверхности образцов после термобарической обработки показало, что
обработка алмазов в зоне термодинамической стабильности графита (эксперименты 1 и 2) не
приводит к видимой поверхностной графитизации, что объясняется, по-видимому, низкой
скоростью процесса графитизации при температуре 2100 С.
Во всех экспериментах зафиксировали резкое снижение интенсивности желтой окра-
ски кристаллов. Этот эффект для синтетических алмазов можно связать со снижением кон-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
206
центрации парамагнитных центров С [5], которые являются основными центрами окраски в
синтетических алмазах этого типа. Действительно, по полученным данным ИК-
спектроскопии концентрация С-центров во всех монокристаллах резко снизилась. При этом
степень агрегации азота в образцах существенно повысилась по сравнению с исходным об-
разцом – от 81,4 до 88,7 % (см. таблицу). Разные значения степени агрегации связаны, по-
видимому, с погрешностью измерения температуры обработки.
Параметры экспериментов и характеристика образцов
ИК-спектроскопия
Примесный азот Характеристика цвета
№
экспе-
римента
№
образ-
ца
Масса
алмаза
Ib, ct
Давление,
ГПа
Степень
агрегации в
А центры
%
Общая
концент-
рация,
см–3
до после
1 1 0,12 5 88,7 1,931019
2 2 0,11 6 83,2 1,881019
3 3 0,09 12 81,4 1,961019
Насыщенный
желто-
коричневый
Светло-
желтый
Примечание. Для всех экспериментов T = 2100 C; t = 1 мин
Как известно, для любых параметров термобарической обработки должно выполнять-
ся термодинамическое равновесие примесных азотных дефектов при выбранной температуре
и давлении, которое и определяет преимущественное направление реакции формирования –
распада отдельных центров. В настоящей работе температуру термобарической обработки
выбрали 2100 С, что является верхней границей, при которой реакция взаимодействия оди-
ночных примесных атомов азота направлена преимущественно в сторону агрегации:
N + N A,
где N – одиночный парамагнитный атом азота в замещающем положении, А – пара атомов
азота в соседних замещающих положениях.
С учетом общепринятой теории агрегации примесного азота за счет диффузионного
механизма [4], который подчиняется уравнению второго порядка, очевидно, что продолжи-
тельность обработки также должна существенно влиять на степень агрегации азота. Однако в
настоящей работе не было возможности увеличить продолжительность обработки в экспе-
риментах с давлением до 12 ГПа.
Полученные данные таблицы свидетельствуют, что давление термобарической обра-
ботки незначительно влияет на степень агрегации азота в монокристаллах при выбранной
температуре и продолжительности выдержки. Это противоречит данным, приведенным в [5],
где зафиксировано сильное влияние давления обработки на скорость агрегации азота при
температуре Т = 1500 С. Результаты экспериментов позволяют заключить, что достигнута
термодинамическая верхняя граница влияния давления на диффузные процессы агрегации
примесных атомов азота в синтетическом алмазе.
Таким образом, в экспериментах по термобарической обработке монокристаллов син-
тетического алмаза при Т = 2100 С и в диапазоне давлений от 5 до 12 ГПа установлено, что
для такой температуры преимущественным фактором, влияющим на кинетику процесса аг-
регации примесного парамагнитного азота в непараматгнитный азотные пары, является тем-
пература процесса. При этом давление практически не влияет на скорость агрегации.
Литература
1. Collins A. The detection of colour-enhanced and synthetic gem diamonds by optical spec-
troscopy // Diamond and Related Materials. – 2003. – 12. – P. 1976–1983
2. Evans T. Aggregation of nitrogen in diamonds // The Properties of Natural and Synthetic
Diamond. – London: Academic Press, 1992. – P. 259–290.
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
207
3. Collins A.T., Kanda H., Kitawaki H. Colour changes produced in natural brown diamonds
by high-pressure, high-temperature treatment // Diamond and Related Materials. – 2000. –
9. – Р. – 122.
4. De Weerdt F., Collins A.T. The influence of pressure on high-pressure, high-temperature
annealing of type Ia diamond // Diamond and Related Materials. – 2003. – 12. – P. 507–510.
5. The aggregation of nitrogen and the formation of A centers in diamonds / I. Kiflawi, H.
Kanda, D. Fisher et al. // Diamond and Related Materials. – 1997. – 6.– P. 1643–1649.
6. Хвостанцев Л. Г. Аппараты высокого давления большого объема для физических ис-
следований // Успехи физ. наук. – 2008. –178, № 10. – С. 1099–1104.
7. Колчеманов Н. А. Совершенствование технологии синтеза и применение технических
алмазов в промышленности. – Диссерт. ... д-ра техн. наук в форме науч. докл.:
05.17.11. – М.: – 1998.
8. Mendelssohn M.J., Milledge H.I. Geologically significant information from routine analysis
of the mid-infrared spectra of diamonds // Inter. Geol. Rev. – 1995. – 37.– P. 95–110.
Поступила 22.06.09
УДК 621.762.5:679.826
В. И. Бугаков, д-р техн. наук, А. А. Поздняков, канд. техн. наук
Институт физики высоких давлений РАН г. Троицк
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И МЕТОДОВ ПОРОШКОВОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
The mechanism of strengthening of diamond grain together with binding agent when manu-
facturing the stone-crushing diamond instrument by hot compaction under the high pressure has
been investigated. Application of high pressures of hot compaction for the compositions of nickel-
chromium (titanium) diboride results in additional mechanical strengthening of diamond grains
together with binding agent at the cost of difference of coefficients of thermal expansion of diamond
and binding agent.
Алмазосодержащий инструмент, как правило, состоит из стального корпуса и слоя
композиционного материала, в котором одним из компонентов является металлическая или
металлокерамическая матрица (связка), а другим –равномерно распределенные в ней зерна
алмаза. Связка алмазного инструмента предназначена для прочного закрепления алмазного
зерна и удержания его во время резания материала.
Настоящая работа посвящена изучению влияния высокого давления в процессе изго-
товления алмазного инструмента на сохранение физико-механических свойств алмазного
сырья; анализу действующего давления на алмазное зерно вследствие различия разницы ко-
эффициентов термического расширения (к.т.р.) после снятия приложенного давления и тем-
пературы; выбору материала связки соответственно выдвинутым условиям.
В процессе создания инструмента и при его работе зерна алмаза циклически нагрева-
ются. В большинстве традиционных технологий изготовления алмазосодержащего инстру-
мента применяют температуру 700–1400 °С. Поскольку в таких условиях алмаз является
термодинамически неустойчивой фазой, его прочностные свойства снижаются. Как известно,
повышение давления увеличивает порог терморазупрочнения алмазного сырья. Так, повы-
шение давления до 3,0–5,0 ГПа повышает температуру разупрочнения синтетических алма-
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21021 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:41:33Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Катруша, А.Н. Заневский, О.А. Шевчук, С.Н. Соколов, А.Н. Ивахненко, С.А. 2011-06-14T10:03:25Z 2011-06-14T10:03:25Z 2009 Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза / А.Н. Катруша, О.А. Заневский, С.Н. Шевчук, А.Н. Соколов, С.А. Ивахненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 204-207. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21021 541.1:621.921.34:666.233:548,5 The impact of pressure value on the aggregation of nitrogen impurity was studied at the 
 process of high pressure high temperature treatment of synthetic diamond single crystals type Ib. 
 Different high pressure apparatus were used to achieve the pressure range 5 to 12 GPa, temperature up to 2100 C. The selected temperature itself was confirmed as a primary factor influencing 
 the kinetic of nitrogen aggregation in synthetic diamond crystals. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза Катруша, А.Н. Заневский, О.А. Шевчук, С.Н. Соколов, А.Н. Ивахненко, С.А. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| title_full | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| title_fullStr | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| title_full_unstemmed | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| title_short | Влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| title_sort | влияние давления на агрегационные характеристики примеси азота в монокристаллах алмаза |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21021 |
| work_keys_str_mv | AT katrušaan vliâniedavleniânaagregacionnyeharakteristikiprimesiazotavmonokristallahalmaza AT zanevskiioa vliâniedavleniânaagregacionnyeharakteristikiprimesiazotavmonokristallahalmaza AT ševčuksn vliâniedavleniânaagregacionnyeharakteristikiprimesiazotavmonokristallahalmaza AT sokolovan vliâniedavleniânaagregacionnyeharakteristikiprimesiazotavmonokristallahalmaza AT ivahnenkosa vliâniedavleniânaagregacionnyeharakteristikiprimesiazotavmonokristallahalmaza |