Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза

Экспериментально исследовано влияние газообразующих примесей, сорбированных поверхностью нанокристаллического алмаза детонационного синтеза, на значения его низкотемпературной (50300 К) теплоемкости. Показано, что вакуумная термическая обработка является перспективным методом очистки наноалмаза от г...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Наноструктурное материаловедение
Datum:2011
Hauptverfasser: Муратов, В.Б., Васильев, А.А., Гарбуз, В.В., Дуда, Т.И.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2011
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62749
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 газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза / В.Б. Муратов, А.А. Васильев, В.В. Гарбуз, Т.И. Дуда // Наноструктурное материаловедение. — 2011. — № 1. — С. 23-31. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860015430828032000
author Муратов, В.Б.
Васильев, А.А.
Гарбуз, В.В.
Дуда, Т.И.
author_facet Муратов, В.Б.
Васильев, А.А.
Гарбуз, В.В.
Дуда, Т.И.
citation_txt Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза / В.Б. Муратов, А.А. Васильев, В.В. Гарбуз, Т.И. Дуда // Наноструктурное материаловедение. — 2011. — № 1. — С. 23-31. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Наноструктурное материаловедение
description Экспериментально исследовано влияние газообразующих примесей, сорбированных поверхностью нанокристаллического алмаза детонационного синтеза, на значения его низкотемпературной (50300 К) теплоемкости. Показано, что вакуумная термическая обработка является перспективным методом очистки наноалмаза от газообразующих примесей, однако его использование ограничено опасностью достижения температуры фазового перехода алмаз графит. Сравнено возможное влияние на теплоемкость нанокристаллического алмаза поверхностных и интеркалированных в его кристаллическую структуру газообразующих примесей. Установлено, что характерное для наноалмаза превышение значений теплоемкости относительно соответствующих величин для крупнокристаллического алмаза не может быть объяснено только влиянием газообразующих примесей. Експериментально досліджено вплив газотвірних домішок, сорбованих поверхнею нанокристалічного алмазу детонаційного синтезу, на значення його низькотемпературної (50-300 К) теплоємності. Показано, що вакуумна термічна обробка є перспективним методом очищення наноалмазу, однак її застосування обмежено небезпечністю досягнення температури фазового переходу алмаз графіт. Порівняно можливий вплив на теплоємність нанокристалічного алмазу поверхневих та інтеркальованих у його кристалічну структуру газотвірних домішок. Установлено, що характерне для наноалмазу перевищення значень теплоємності відносно відповідних величин для великокристалічного алмазу не може бути пояснено впливом газотвірних домішок. Experimental studies of the influence of gas producing impurities, absorbed by the surface of detonation nanodiamond on the values of its low temperature (50–300 K) heat capacity were conducted. Investigations were performed on the same specimen before and after vacuum heat treatment (VHT). It was shown, that VHT is a perspective method for nanodiamond purification from gas producing impurities, but its use is limited by the possibility of reaching the temperature of diamond → graphite phase transition. Analysis of the possible influence on the heat capacity of detonation nanodiamond of gas producing impurities intercalated into its crystalline structure was conducted. It was shown, that the heat capacity excess typical for detonation nanodiamond compared to its bulk form can not be explained only by the influence of gas producing impurities.
first_indexed 2025-12-07T16:44:43Z
format Article
fulltext Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 23 М АТ ЕР ИА ЛО ВЕ Д ЕН ИЕ Â.Á. Ìóðàòîâ1, À.À. Âàñèëüåâ2, Â.Â. Ãàðáóç1, Ò.È. Äóäà2 1 Èíñòèòóò ïðîáëåì ìàòåðèàëîâåäåíèÿ èì. È.Í. Ôðàíöåâè÷à ÍÀÍ Óêðàèíû ã. Êèåâ, óë. Êðæèæàíîâñêîãî, 3, Óêðàèíà, 03680 2 Íàöèîíàëüíûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò Óêðàèíû «Êèåâñêèé ïîëèòåõíè÷åñêèé èíñòèòóò» ã. Êèåâ, ïð-ò Ïîáåäû, 37, Óêðàèíà, 03056 ÂËÈßÍÈÅ ÃÀÇÎÎÁÐÀÇÓÞÙÈÕ ÏÐÈÌÅÑÅÉ ÍÀ ÒÅÏËÎÅÌÊÎÑÒÜ ÍÀÍÎÊÐÈÑÒÀËËÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÀËÌÀÇÀ ÄÅÒÎÍÀÖÈÎÍÍÎÃÎ ÑÈÍÒÅÇÀ Êëþ÷åâûå ñëîâà: íàíîàëìàç, ãà- çîîáðàçóþùèå ïðèìåñè, âàêóóì- íàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà, òåïëîåìêîñòü Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé, ñîðáèðîâàí- íûõ ïîâåðõíîñòüþ íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà, íà çíà÷åíèÿ åãî íèçêîòåìïåðàòóðíîé (50–300 Ê) òåïëîåìêîñòè. Ïîêàçàíî, ÷òî âàêóóìíàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ÿâëÿåòñÿ ïåðñïåêòèâíûì ìåòîäîì î÷èñòêè íàíîàëìàçà îò ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé, îäíàêî åãî èñïîëüçîâàíèå îãðàíè÷åíî îïàñíîñòüþ äîñòèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ôàçîâîãî ïåðåõîäà àëìàç → ãðàôèò. Ñðàâíåíî âîçìîæíîå âëèÿíèå íà òåïëîåìêîñòü íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà ïîâåðõíîñòíûõ è èíòåðêàëèðîâàííûõ â åãî êðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó ãàçîîá- ðàçóþùèõ ïðèìåñåé. Óñòàíîâëåíî, ÷òî õàðàêòåðíîå äëÿ íàíîàëìàçà ïðåâûøåíèå çíà÷åíèé òåïëîåìêîñòè îòíîñèòåëüíî ñîîòâåòñòâóþùèõ âåëè÷èí äëÿ êðóïíî- êðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà íå ìîæåò áûòü îáúÿñíåíî òîëüêî âëèÿíèåì ãàçîîáðà- çóþùèõ ïðèìåñåé. Ââåäåíèå Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé àëìàç äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà (äàëåå ÍÀ – íàíîàëìàç) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàíîñòðóêòóðíóþ ôîðìó óãëåðîäà, ïåðñïåêòèâíóþ äëÿ ïðîìûøëåííîãî îñâîåíèÿ, ïîñêîëüêó ñóùåñòâó- þò õîðîøî îòðàáîòàííûå ìåòîäû åãî ïîëó÷åíèÿ â äîñòàòî÷íûõ êîëè÷åñòâàõ è ñ âûñîêîé ñòåïåíüþ ÷èñòîòû [1]. Ñôåðû åãî èñïîëü- çîâàíèÿ – ýòî ñîçäàíèå òðèáîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì òîíêîãî øëèôîâà- íèÿ, êîìïîçèòíûõ ìàòåðèàëîâ, áèîñåíñîðîâ, ñèñòåì òî÷íîé äîñòàâêè ëåêàðñòâåííûõ âåùåñòâ, êâàíòîâûå òî÷êè è ìíîãîå äðóãîå [2–5]. Íåêîòîðûå èç ýòèõ òåõíîëîãèé äàâíî èçâåñòíû è äîñòàòî÷íî õîðî- øî èçó÷åíû (íàïðèìåð ââåäåíèå ÍÀ â êà÷åñòâå äîáàâêè â ìàøèí- íûå ìàñëà äëÿ óâåëè÷åíèÿ ñðîêà èçíîñà äåòàëåé äâèãàòåëÿ), äðó- ãèå íàõîäÿòñÿ â ñòàäèè íàó÷íîé ðàçðàáîòêè. Äëÿ ðàñ÷åòà ïðîòåêàíèÿ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñ ó÷àñòè- åì ÍÀ íóæíû íàäåæíûå çíà÷åíèÿ åãî òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðà- ìåòðîâ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èñïîëüçîâàíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ âåëè÷èí äëÿ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìû àëìàçà â äàííîì ñëó- ÷àå âðÿä ëè êîððåêòíî, òàê êàê ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàåòñÿ âëèÿíèå íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëà (â òîì ÷èñëå è òåðìîäèíàìè÷åñêèå) ðàçìåð- ÓÄÊ 536.631:549.211 Â.Á. ÌÓÐÀÒÎÂ, À.À. ÂÀÑÈËÜÅÂ, Â.Â. ÃÀÐÁÓÇ, Ò.È. ÄÓÄÀ, 2011 © 24 Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 íîãî ôàêòîðà. Èññëåäîâàíèÿ òåïëîåìêîñòè, ïðî- âåäåííûå íà äðóãèõ íàíîñòðóêòóðíûõ ìàòåðè- àëàõ [6–10], ñâèäåòåëüñòâóþò î ïðåâûøåíèè åå çíà÷åíèé – è, êàê ñëåäñòâèå, îá èçìåíåíèè äðó- ãèõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ – îòíîñè- òåëüíî âåëè÷èí òåïëîåìêîñòè ñîîòâåòñòâóþùèõ êðóïíîðàçìåðíûõ ôîðì. Âåðîÿòíî, ïîäîáíûé ýôôåêò áóäåò íàáëþäàòüñÿ è â ñëó÷àå àëìàçà. Ïîýòîìó íåîáõîäèìû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èñ- ñëåäîâàíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ÍÀ, â ÷àñòíîñòè òåïëîåìêîñòè, à òàêæå èçó÷åíèå çà- êîíîìåðíîñòåé, îáóñëîâëèâàþùèõ ýòè ðàçëè÷èÿ. Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ëèòåðàòóðíûì äàí- íûì [11, 12] íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå àëìàçû äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñëîæíûå îáúåêòû ñ òðåõñëîéíîé ñòðóêòóðîé, âêëþ÷àþùåé àëìàçíîå ÿäðî ðàçìåðîì 4–6 íì (70–90% àòîìîâ óãëåðîäà), ïåðåõîäíóþ îáîëî÷- êó èç ðåíòãåíîàìîðôíûõ ñòðóêòóð óãëåðîäà òîëùèíîé 0,4–1,0 íì è ïîâåðõíîñòíûé ñëîé, â êîòîðîì, êðîìå àòîìîâ óãëåðîäà, íàõîäÿòñÿ è äðóãèå àòîìû (N, O, H), îáðàçóþùèå ðÿä ôóíê- öèîíàëüíûõ ãðóïï. Àòîìû àçîòà äîñòàòî÷íî ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíû ïî âñåì ñëîÿì. Íà- ëè÷èå â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå ýòèõ ïðèìåñåé ïðè- âîäèò ê óõóäøåíèþ òåõíîëîãè÷åñêèõ ñâîéñòâ (ê ïðèìåðó, ïðåïÿòñòâóåò ïðåññîâàíèþ ïîðîøêîâ) è èçìåíåíèþ ïåðñïåêòèâíûõ èíäèâèäóàëüíûõ ñâîéñòâ âåùåñòâà. Âàæíûì è èíòåðåñíûì ñ òî÷êè çðåíèÿ ôóí- äàìåíòàëüíûõ ïîëîæåíèé òåðìîäèíàìèêè ïðåä- ñòàâëÿåòñÿ âîïðîñ î âëèÿíèè íà ñâîéñòâà ìàòå- ðèàëà åãî ïåðåõîäà â íàíîñîñòîÿíèå. Äàòü êîð- ðåêòíûé îòâåò ìîæíî ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè ó÷òåíû âñå îñòàëüíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà òåðìîäèíàìè÷åñêèå ïàðàìåòðû ñèñòåìû.  ñëó÷àå ÍÀ ãàçîîáðàçóþùèå ïðèìåñè ïðè ïðî- ÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ èãðàþò îñíîâíóþ ðîëü. Ñëåäóåò òàêæå ó÷åñòü, ÷òî ïîâåðõíîñòíûå è âíåäðåííûå ïðèìåñè áóäóò, ñêîðåå âñåãî, îêà- çûâàòü ðàçëè÷íîå âëèÿíèå íà ñâîéñòâà ÍÀ â ñèëó èõ ðàçíîãî ôèçèêî-õèìè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ. Ñðàâíåíèå òåïëîåìêîñòè îáðàçöîâ ÍÀ ñ ðàç- íîé ñòåïåíüþ î÷èñòêè îò ãàçîâ è êðóïíîêðèñ- òàëëè÷åñêîãî àëìàçà, â êîòîðîì ñîäåðæàíèå ïîäîáíûõ ïðèìåñåé íè÷òîæíî ìàëî, ïðåäñòàâ- ëÿåòñÿ ýôôåêòèâíûì ìåòîäîì ïîèñêà îòâåòà íà ðàññìàòðèâàåìûé âîïðîñ. Àäèàáàòè÷åñêàÿ êà- ëîðèìåòðèÿ çäåñü íàèáîëåå ïðèìåíèìà, òàê êàê ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü èçìåðåíèÿ íà äîñòàòî÷íî ìàññèâíûõ îáðàçöàõ ñ ìèíèìàëüíîé ïîãðåøíî- ñòüþ. C öåëüþ ïîâûøåíèÿ íàäåæíîñòè ðåçóëü- òàòîâ îáîðóäîâàíèå äîëæíî áûòü àòòåñòîâàíî ïî êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîìó àëìàçó, íàäåæíûå çíà÷åíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ êîòî- ðîãî èçâåñòíû èç ëèòåðàòóðû [13]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â õîäå àíàëèçà ëèòå- ðàòóðíûõ èñòî÷íèêîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ñîâðå- ìåííûõ èíòåðàêòèâíûõ ñèñòåì ïîèñêà (Google Scholar, ISI Web of Knowledge, Scopus, Scirus) íàìè íå áûëè îáíàðóæåíû ðàáîòû, ïîñâÿùåí- íûå èçó÷åíèþ òåïëîåìêîñòè íàíîêðèñòàëëè÷åñ- êèõ àëìàçíûõ ôîðì è âëèÿíèÿ ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé íà èõ ñâîéñòâà. Ñ ó÷åòîì èçëîæåííîãî âûøå öåëüþ äàííîé ðàáîòû áûëî èçó÷èòü âëèÿíèå ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé íà òåðìîäèíàìè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíî- êðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà ïóòåì èçìåðåíèÿ íèçêîòåìïåðàòóðíîé òåïëîåìêîñòè ìåòîäîì àäèàáàòè÷åñêîé êàëî- ðèìåòðèè. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ÷àñòü  ðàáîòå áûëè èñïîëüçîâàíû äâà îáðàçöà àëìàçà – ñèíòåòè÷åñêèé àëìàç ïðîèçâîäñòâà êîìïàíèè «General Electric», äàëåå àëìàç GE, è íàíîàëìàç äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà ïðîèçâîä- ñòâà ÍÏÎ «Àëòàé» ã. Áèéñê, Ðîññèÿ, äàëåå àë- ìàç ÍÀ. Àëìàç GE áûë ïðåäñòàâëåí êðèñòàëëàìè ïðàâèëüíîé îêòàýäðè÷åñêîé ôîðìû, ðàçìåðîì 400–500 ìêì (ðèñ. 1). Ñîäåðæàíèå ìåòàëëè- ÷åñêèõ ïðèìåñåé (Mn+Ni – êàòàëèçàòîðû ïðî- öåññà ñèíòåçà), ñîãëàñíî äàííûì ïðîèçâîäè- òåëÿ, ñîñòàâëÿëî ìåíåå 1 ìàññ.%. Õèìè÷åñêèé àíàëèç ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé ïðîâåëè ìåòîäîì èìïóëüñíîé âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ýêñòðàêöèè óãëåðîäîì â ïîòîêå ãàçà-íîñèòåëÿ ãåëèÿ ñ ïîñëåäóþùèì õðîìàòîãðàôè÷åñêèì ðàç- äåëåíèåì, èäåíòèôèêàöèåé è èçìåðåíèåì êîëè÷åñòâà îáðàçîâàâøèõñÿ ãàçîâ (âîäîðîä – â âèäå H2, àçîò – N2, êèñëîðîä – ÑÎ). Îáðàçåö GE ñîäåðæàë (ìàññ.%): H < 0,001; N < 0,001; ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖÛ, ÍÀÍÎÊËÀÑÒÅÐÛ, ÍÓËÜÌÅÐÍÛÅ ÎÁÚÅÊÒÛ 25 М АТ ЕР ИА ЛО ВЕ Д ЕН ИЕ Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 O – 0,15. Ìàññà êàëîðèìåòðè÷åñêîãî îáðàçöà àëìàçà GE ñîñòàâëÿëà 16,2333 ã ïðè ìàññå êàëîðèìåòðà 13,5192 ã. Òåõíîëîãè÷åñêèå ïàðàìåòðû è ñâîéñòâà èñ- ïîëüçîâàííûõ â ðàáîòå îáðàçöîâ ÍÀ, ïîëó÷åí- íûõ íà ÍÏÎ «Àëòàé» ïðèâåäåíû â ðàáîòå [11].  ðàáîòå [14] îïèñàíà ìåòîäèêà âèçóàëüíîé îöåíêè ïðèáëèçèòåëüíîãî ñîäåðæàíèÿ ñâîáîä- íîãî (íå ñâÿçàííîãî ñî ñòðóêòóðîé àëìàçíûõ ÷àñòèö) sp2-óãëåðîäà â ïîðîøêå ÍÀ, ñîãëàñíî êîòîðîé íàëè÷èå äàæå íåñêîëüêèõ ïðîöåíòîâ ãðàôèòíîé ôàçû ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííîìó èçìåíåíèþ öâåòà îáðàçöà â ñòîðîíó ÷åðíîãî.  íàøåì ñëó÷àå îáðàçåö èìåë ñâåòëî-ñåðûé öâåò, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ìèíèìàëüíîì ñî- äåðæàíèè ãðàôèòíîé ôàçû. Òàêîå êîëè÷åñòâî íå ìîæåò ñóùåñòâåííûì îáðàçîì ïîâëèÿòü íà çíà÷åíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà. Îäíèì èç ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ î÷èñòêè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëà îò ãàçîîáðàçóþùèõ ïðè- ìåñåé ÿâëÿåòñÿ âàêóóìíàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðà- áîòêà (ÂÒÎ). Îäíàêî ïðè ðàáîòå ñ àëìàçíûìè ìàòåðèàëàìè ñóùåñòâóåò îïàñíîñòü ôàçîâîãî ïåðåõîäà àëìàç→ãðàôèò ïðè äîñòàòî÷íî âûñî- êîé òåìïåðàòóðå. Òàêîé ïåðåõîä â óëüòðàäèñ- ïåðñíûõ àëìàçàõ ñ ðàçìåðàìè ÷àñòèö ïîðÿäêà 4,3 íì èçó÷àëè â ðàáîòå [15] ñ ïîìîùüþ ðàìà- íîâñêîé ñïåêòðîñêîïèè è ðåíòãåíîâñêîé äèôðàê- öèè. Çàìåòíîå ïåðåðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñ- òè ëèíèé ñïåêòðà, õàðàêòåðíûõ äëÿ àëìàçà è ãðàôèòà, ñâèäåòåëüñòâóþùåå î ôàçîâîì ïåðå- õîäå, íàáëþäàëè íà÷èíàÿ ñ 1200 Ê. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî óêàçàííûå èññëåäîâàíèÿ îñóùå- ñòâëÿëè â àòìîñôåðå àðãîíà. Òåðìè÷åñêàÿ îáðà- áîòêà â âàêóóìå ìîæåò áûòü ñîïðÿæåíà ñ ïî- íèæåíèåì òåìïåðàòóðû ãðàôèòèçàöèè íàíî- àëìàçà, ïîýòîìó åå íóæíî ïðîâîäèòü ïðè òåìïåðàòóðå íå âûøå 1000–1100 Ê. Òàáëèöà 1. Ñîäåðæàíèå ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé â îáðàçöå ÍÀ äî è ïîñëå î÷èñòêè, ìàññ.% Ðèñ. 1. Îïòè÷åñêàÿ ìèêðîôîòîãðàôèÿ àëìàçà GE 12 10 8 6 4 2 0 600 700 800 900 Ò, Ê Ñîäåðæàíèå ïðèìåñåé, ìàññ.% Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ñîäåðæàíèÿ ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé â íàíîàëìàçå îò òåìïåðàòóðû âàêóóìíîé òåðìè÷åñêîé î÷èñòêè: – âîäîðîä; – àçîò; – êèñëî- ðîä; – îáùåå 26 Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 Òàêèì îáðàçîì, äëÿ ïðîâåäåííûõ èññëåäî- âàíèé îáðàçöû ÍÀ î÷èùàëè îò ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé ïóòåì òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè ïðè âàêóóìå íå õóæå 2,5·10–3 Ïà â íåñêîëüêî ýòàïîâ ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû íà êàæäîì ýòàïå íà 50 ãðàäóñîâ, íî ñ ïîñòîÿííûì âðåìåíåì èçî- òåðìè÷åñêîé âûäåðæêè 1 ÷. Ñîäåðæàíèå ïðè- ìåñåé â îáðàçöå ïîñëå êàæäîãî îïûòà êîíòðî- ëèðîâàëè îïèñàííûì âûøå ìåòîäîì. Ðåçóëüòà- òû àíàëèçîâ ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé â êàëîðèìåòðè÷åñêîì îáðàçöå ÍÀ äî è ïîñëå î÷èñò- êè ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 1, à èçìåíåíèå èõ ñî- äåðæàíèÿ â ïðîöåññå ÂÒÎ – íà ðèñ. 2. Èç ðè- ñóíêà ÿñíî, ÷òî cóùåñòâåííîå ïîâûøåíèå òåì- ïåðàòóðû íå ïðèâîäèò ê ïðèíöèïèàëüíîìó èçìåíåíèþ ñîäåðæàíèÿ ãàçîâ, ïðè ýòîì âåðîÿò- íîñòü äîñòèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ôàçîâîãî ïåðå- õîäà àëìàç → ãðàôèò âîçðàñòàåò. Óìåíüøåíèå êîëè÷åñòâà àçîòà äî 1,3% â êàëîðèìåòðè÷åñ- êîì îáðàçöå ìîæåò áûòü ñëåäñòâèåì äîïîëíè- òåëüíîé ãåëèé-òåðìè÷åñêîé î÷èñòêè îáðàçöà âî âðåìÿ çàïàéêè êàëîðèìåòðà. Îñòàòî÷íûå ïðè- ìåñè íàõîäÿòñÿ ëèáî íà ïîâåðõíîñòè êðèñòàë- ëèòîâ íàíîàëìàçà, íî ñâÿçàíû ñ íåé íàñòîëüêî ïðî÷íî, ÷òî äàæå äîñòàòî÷íî àãðåññèâíûå óñ- ëîâèÿ ÂÒÎ íå ñïîñîáíû ðàçîðâàòü ýòè ñâÿçè, ëèáî âíóòðè êðèñòàëëèòîâ, è òîãäà èõ óäàëåíèå âîçìîæíî ëèøü ïðè ðàçðóøåíèè êðèñòàëëè÷åñ- êîé ñòðóêòóðû. Ïîñëå ïðîâåäåíèÿ ÂÒÎ áûë îñóùåñòâëåí ïîâòîðíûé ðåíòãåíîôàçîâûé àíàëèç îáðàçöà ñ öåëüþ ïðîâåðêè âîçìîæíûõ ôàçîâûõ ïåðåõî- äîâ ïîä âëèÿíèåì ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðû. Àíàëèç äèôðàêöèîííîé êàðòèíû (ðèñ. 3) ïîêà- çàë, ÷òî èññëåäóåìûé îáðàçåö èìååò êðèñòàë- ëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó àëìàçà ñ ïåðèîäîì ðåøåò- êè 0,357 íì. Êàëîðèìåòðè÷åñêèå ìàññû îáðàçöîâ ÍÀ äî è ïîñëå î÷èñòêè – 4,4976 è 3,6854 ã ïðè ìàññå êàëîðèìåòðîâ 13,5922 è 13,5208 ã ñîîò- âåòñòâåííî. Òåïëîåìêîñòü îáðàçöîâ GE, ÍÀ äî î÷èñòêè è ÍÀ ïîñëå î÷èñòêè èçìåðÿëè ìåòîäîì àäèà- áàòè÷åñêîé êàëîðèìåòðèè ñ íåïðåðûâíûì ââî- äîì òåïëà íà óñòàíîâêå íèçêîòåìïåðàòóðíîé òåïëîôèçè÷åñêîé îáðàçöîâîé (ÓÍÒÎ) â èíòåð- âàëå òåìïåðàòóð 60–300 Ê è âàêóóìå íå õóæå 2·10-3 Ïà. Êîíñòðóêöèÿ êàëîðèìåòðè÷åñêîé óñ- òàíîâêè, åå ìîäåðíèçàöèÿ, ðåçóëüòàòû êàëèá- ðîâêè ÓÍÒÎ äåòàëüíî îïèñàíû â ðàáîòå [10]. Ñîãëàñíî êàëèáðîâêå óñòàíîâêè ïî ñòàíäàðò- íîìó îáðàçöó ÑÎÒÑ-1à (α-Al2O3), ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ çíà÷åíèé Cp íå ïðå- âûøàåò 0,4%.  õîäå ýêñïåðèìåíòîâ òåìïåðàòóðíûé øàã ìåæäó ôèêñèðóåìûìè çíà÷åíèÿìè òåïëîåìêîñ- òè ñîñòàâëÿë 1,5–2,5 Ê, ïîñòåïåííî âîçðàñòàÿ ñ òåìïåðàòóðîé.  èññëåäîâàííîé îáëàñòè 60– 300 Ê äëÿ êàæäîãî îáðàçöà áûëî âûïîëíåíî òðè ñåðèè èçìåðåíèé, òåìïåðàòóðíûå èíòåðâàëû êîòîðûõ âûáèðàëè òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû îáåñ- ïå÷èòü èõ ÷àñòè÷íîå âçàèìíîå ïåðåêðûâàíèå. Ñèñòåìàòè÷åñêèõ îòëè÷èé â ýêñïåðèìåíòàëü- íûõ çíà÷åíèÿõ â èíòåðâàëàõ ïåðåêðûâàíèÿ ñå- ðèé íàìè íå îáíàðóæåíî: îòêëîíåíèÿ äàííûõ ðàçíûõ ñåðèé íå ïðåâûøàþò ñëó÷àéíîé ïîãðåø- íîñòè èçìåðåíèé. Ñðåäíÿÿ îòíîñèòåëüíàÿ ïî- ãðåøíîñòü èçìåðåíèé òåïëîåìêîñòè GÅ ñîñòàâ- ëÿëà 1,1%; ÍÀ – 1,6%. Âîçðàñòàíèå îòíîñèòåëü- íîé âåëè÷èíû ïîãðåøíîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåçóëüòàòàìè êàëèáðîâêè ÓÍÒÎ èìååò îáúåê- òèâíûé õàðàêòåð èç-çà ìàëîé ìàññû èññëåäóå- ìûõ îáðàçöîâ îòíîñèòåëüíî ìàññû êàëîðèìåò- ðà è î÷åíü íèçêèõ çíà÷åíèé èçìåðÿåìîé âåëè- ÷èíû ïðè òåìïåðàòóðå íèæå 100 Ê. Ïðè ýòîì àáñîëþòíàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ïðè êàëèá- ðîâêå óñòàíîâêè è âûïîëíåíèè íàøèõ ýêñïåðè- ìåíòîâ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 θ, ãðàä. Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä. Ðèñ. 3. Ðåíòãåíîãðàììà íàíîàëìàçà ïîñëå ÂÒÎ ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖÛ, ÍÀÍÎÊËÀÑÒÅÐÛ, ÍÓËÜÌÅÐÍÛÅ ÎÁÚÅÊÒÛ 27 М АТ ЕР ИА ЛО ВЕ Д ЕН ИЕ Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 Èññëåäîâàíèÿ òåïëîåìêîñòè àëìàçà GE áûëè âûïîëíåíû ñ öåëüþ ïðîâåðêè êàëèáðîâ- êè óñòàíîâêè è àòòåñòàöèè êàëîðèìåòðà ÓÍÒÎ äëÿ ðàáîòû ñ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèìè àëìàçà- ìè êàê àíàëîãàìè êàëèáðîâî÷íîãî îáðàçöà. Êðèòåðèåì îöåíêè äîñòîâåðíîñòè ïîëó÷åííûõ â ýòîì ýêñïåðèìåíòå ðåçóëüòàòîâ áûëè íàäåæ- íûå ñïðàâî÷íûå äàííûå [13] è ïðîâåäåííûé àâòîðàìè ðàíåå ðàñ÷åò ôîíîííîé òåïëîåìêîñ- òè àëìàçà íà îñíîâàíèè åãî ñïåêòðîñêîïè÷åñ- êèõ è óïðóãî-äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê [16].  íàøåì ñëó÷àå ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà [16] áûëè ïîëåçíû â êà÷åñòâå íàäåæíîãî óðîâíÿ ñðàâíå- íèÿ îòíîñèòåëüíî òåïëîåìêîñòè ÍÀ, òàê êàê îíè íå çàâèñÿò îò ñîäåðæàíèÿ ïðèìåñåé â îá- ðàçöå èëè äðóãèõ ôàêòîðîâ (íàïðèìåð ðàçìåð- íîãî ôàêòîðà) è îïðåäåëÿþòñÿ òîëüêî ôèçè÷åñ- êèìè õàðàêòåðèñòèêàìè êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû àëìàçà. Ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå îá- ðàáàòûâàëè ïðè ïîìîùè ïàêåòà ïðîãðàìì, êî- òîðûé ïîçâîëÿë ïðîâîäèòü ñãëàæèâàíèå ýêñïå- ðèìåíòàëüíûõ çíà÷åíèé, ýêñòðàïîëÿöèþ òåì- ïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòè òåïëîåìêîñòè ê 0 Ê è ðàñ÷åò îñíîâíûõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé ïðè ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ.  äàííîì ïàêåòå ïðîãðàìì äëÿ îïèñàíèÿ òåìïåðàòóðíîé çàâè- ñèìîñòè òåïëîåìêîñòè â îáëàñòè òåìïåðàòóð 0–300 Ê èñïîëüçóåòñÿ ìîäåëüíîå óðàâíåíèå ñëåäóþùåãî âèäà: 1 0 1 ( ) − = ⎛ ⎞⎛ ⎞+ += ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ∑ i n ED p i i T D T T C T E θθγ (1) ãäå γ – êîýôôèöèåíò ýëåêòðîííîé òåïëîåìêîñòè (äëÿ àëìàçà γ = 0); T – òåìïåðàòóðà; n – êîëè- ÷åñòâî àòîìîâ â ôîðìóëüíîé åäèíèöå âåùåñòâà èëè âûáðàííîì êëàñòåðå (çäåñü n = 2); D, E – òåïëîåìêîñòü ïî Äåáàþ è Ýéíøòåéíó ñîîòâåò- ñòâåííî, íîðìèðîâàííàÿ íà R; θE, θD – õàðàêòå- ðèñòè÷åñêèå òåìïåðàòóðû Äåáàÿ è Ýéíøòåéíà ñîîòâåòñòâåííî. Ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå ïîçâîëÿåò ïîäî- áðàòü òàêèå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ θD è θE, ïðè êîòîðûõ óðàâíåíèå íàèëó÷øèì îáðàçîì îïèñû- âàåò ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ òåïëîåìêîñ- òè, ò. å. ìèíèìèçèðóåò ôóíêöèþ: 2 0 0 1 1 ( ) 1( ) ( ) · , , 1 = = ⎡ ⎤−⎣ ⎦ = ∑ ∑ i m p k p k i k D E m i k C T C T T T F γ θ θ (2) ãäå 0 pC è 0 pC – ñîîòâåòñòâåííî ñãëàæåííîå è ýêñïåðèìåíòàëüíîå çíà÷åíèÿ òåïëîåìêîñòè ïðè òåìïåðàòóðå Òk; m – êîëè÷åñòâî ýêñïåðèìåí- òàëüíûõ òî÷åê. Íà îñíîâàíèè ïîëó÷åííûõ òåìïåðàòóðíûõ çàâèñèìîñòåé òåïëîåìêîñòè ðàññ÷èòûâàëè çíà- ÷åíèÿ îñíîâíûõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé (ýíòàëüïèè, ýíòðîïèè è ïðèâåäåííîé ýíåðãèè Ãèááñà) êàæäîãî îáðàçöà ïðè ñòàíäàðòíûõ (T = 298,15 K) óñëîâèÿõ: 0 0 0 0 ( ) (0) ( )− = ∫ T pT HH C T dT (3) 0 0 0 ( ) ( ) = ∫ T pC T T dT T S (4) 0 0 0 0 ( ) (0)( ) ( ) − Φ = − H T HT S T T (5) Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ òåïëîåì- êîñòè àëìàçà GE îòîáðàæåíû íà ðèñ. 4 íàðÿäó ñ ðàñ- ÷åòíûìè âåëè÷èíàìè. Îíè õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ëèòåðàòóðíûìè äàííûìè è ðàñ÷åòîì âî âñåì òåì- ïåðàòóðíîì èíòåðâàëå, âêëþ÷àÿ îáëàñòü ìàëûõ çíà- ÷åíèé òåïëîåìêîñòè, äåìîíñòðèðóþò âûñîêóþ ÷óâ- ñòâèòåëüíîñòü êàëîðèìåòðà, íèçêèé óðîâåíü ñëó÷àé- íîé ïîãðåøíîñòè, ÷òî â öåëîì ñâèäåòåëüñòâóåò î âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ ÓÍÒÎ äëÿ èçìåðåíèÿ òåï- ëîåìêîñòè àëìàçà è åãî íàíîôîðì. Óêàçàííûå ýêñ- ïåðèìåíòàëüíûå äàííûå áûëè èñïîëüçîâàíû äëÿ ïî- ëó÷åíèÿ ñòàíäàðòíûõ çíà÷åíèé òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé ñèíòåòè÷åñêîãî àëìàçà, ïðåäñòàâëåííîãî îáðàçöîì GE (òàáë. 2). Áîëåå äåòàëüíûé àíàëèç ðå- çóëüòàòîâ àòòåñòàöèè óñòàíîâêè è ÷èñëåííûå çíà÷å- íèÿ òåïëîåìêîñòè êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàç ïðåäñòàâëåíû â ðàáîòå [17]. Íà ðèñ. 4 òàêæå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èñ- ñëåäîâàíèÿ òåïëîåìêîñòè îäíîãî è òîãî æå íàíîê- ðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà äåòîíàöèîííîãî ñèíòå- 28 Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 çà äî âàêóóìíîé òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè è ïîñ- ëå íåå. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî òåïëîåìêîñòü ïðîìûøëåííîãî îáðàçöà ÍÀ ñóùåñòâåííî ïðå- âûøàåò òåïëîåìêîñòü êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîãî. Òàê, â íà÷àëå ýêñïåðèìåíòà ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 55 Ê çíà÷åíèÿ òåïëîåìêîñòè ÍÀ ïî÷òè â 4 ðàçà, à ïðè 300 Ê – íà 30% áîëüøå ñîîòâåò- ñòâóþùèõ çíà÷åíèé äëÿ êðóïíîãî àëìàçà. Åñëè ó÷åñòü, ÷òî òåïëîåìêîñòü ÿâëÿåòñÿ îòîáðàæå- íèåì ñïåêòðà âíóòðåííèõ êîëåáàíèé òâåðäîãî âåùåñòâà, òî åå òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü, êàê è äàííûå ëþáîé äðóãîé ñïåêòðîñêîïèè, ìî- æåò ñëóæèòü ñâîåîáðàçíûì èäåíòèôèêàòîðîì ýòîãî âåùåñòâà. Îòìå÷åííîå ïðå- âûøåíèå òåïëîåìêîñòè íàíîàëìàçà îòíîñèòåëü- íî GE íàñòîëüêî ñóùåñòâåííî, ÷òî íå ïîçâîëÿ- åò îõàðàêòåðèçîâàòü èññëåäóåìîå âåùåñòâî êàê àëìàçíûé ìàòåðèàë. Îäíàêî òèï ñòðóêòó- ðû è ïàðàìåòðû êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, ïîëó÷åííûå èç ðåíòãåíîâñêèõ ñïåêòðîâ, à òàê- æå ðåçóëüòàòû ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè ñâèäå- òåëüñòâóþò î òîì, ÷òî ýòî òèïè÷íûé ïîëèêðèñ- òàëëè÷åñêèé àëìàç ñ ðàçìåðàìè ÷àñòè ïîðÿäêà 4 íì. Ïðåæäå âñåãî ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ôîíîííîì ñïåêòðå àëìàçà îòñóòñòâóþò êîëå- áàòåëüíûå ìîäû, âêëàä êîòîðûõ â òåïëîåìêîñòü ñïîñîáåí ïðèâåñòè ê ñòîëü âûñîêèì åå âåëè- ÷èíàì, îñîáåííî ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå, ÷òî ïîäòâåðæäàåòñÿ ðåçóëüòàòàìè ðàñ÷åòà [16] è ýêñïåðèìåíòà ñ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêèì àë- ìàçîì [17]. Ïðè òàêèõ òåìïåðàòóðàõ (50– 100 Ê) ìîãóò âîçáóæäàòüñÿ ëèøü ìîäû, õàðàê- òåðíûå äëÿ êîëåáàíèé ñëàáîñâÿçàííûõ àòîìîâ. Ðåçóëüòàòû õèìè÷åñêîãî àíàëèçà ñâèäåòåëüñò- âóþò î çíà÷èòåëüíîì êîëè÷åñòâå â íàíîêðèñòàë- ëè÷åñêîì àëìàçå äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé – âîäîðîäà, àçîòà è êèñëîðîäà. Êàê ïîêàçàíî, íàïðèìåð, â ðàáî- òå [18], áîëüøàÿ ÷àñòü ýòèõ ïðèìåñåé íàõîäèò- ñÿ íà ïîâåðõíîñòè àëìàçíûõ êðèñòàëëèòîâ â âèäå ðàçëè÷íûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ãðóïï. Áåç ñî- ìíåíèÿ, ýòè ãðóïïû ñâÿçàíû ñ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêîé àëìàçà áîëåå ñëàáî ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòðóêòóðîîáðàçóþùèìè óãëåðîäíûìè àòîìàìè. Ïîýòîìó âîçáóæäåíèå èõ êîëåáàíèé è, êàê ñëåäñò- âèå, âîçðàñòàíèå òåïëîåìêîñòè âîçìîæíî óæå ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå. Êðîìå òîãî, ïîâåðõíî- ñòíûå ãðóïïû îáëàäàþò áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ñòåïåíåé ñâîáîäû, ÷òî óâåëè÷èâàåò èõ âêëàä â òåïëîåìêîñòü. Ìîæíî áûëî îæèäàòü, ÷òî çíà- ÷èòåëüíîå ïðåâûøåíèå âåëè÷èíû Ñp íàíîàëìà- çà ïî ñðàâíåíèþ ñ àëìàçîì GE îáóñëîâëåíî èìåííî ýòîé ïðè÷èíîé. Î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè íàíîàëìàçà îò ôóíê- öèîíàëüíûõ ãðóïï ìîæåò áûòü âûïîëíåíà êàê 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 Ò, Ê Ñð, Äæ·ìîëü-1·Ê-1 Ðèñ. 4. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü òåïëîåìêîñòè àë- ìàçíûõ ìàòåðèàëîâ: – ðàñ÷åò; – ñèíòåòè÷åñêèé àëìàç; – íàíîàëìàç äî ÂÒÎ; – íàíîàëìàç ïîñëå ÂÒÎ Òàáëèöà 2. Ñòàíäàðòíûå çíà÷åíèÿ îñíîâíûõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé èññëåäîâàííûõ îáðàçöîâ àëìàçà ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖÛ, ÍÀÍÎÊËÀÑÒÅÐÛ, ÍÓËÜÌÅÐÍÛÅ ÎÁÚÅÊÒÛ 29 М АТ ЕР ИА ЛО ВЕ Д ЕН ИЕ Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 õèìè÷åñêèìè, òàê è òåðìè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Ìåõàíèçì ðàáîòû ïîñëåäíèõ çàêëþ÷àåòñÿ â âîçäåéñòâèè íà ñâÿçè ôóíêöèîíàëüíûõ ãðóïï òåðìè÷åñêîé ýíåðãèè âî ìíîãî ðàç áîëüøåé, ÷åì äîñòàòî÷íî äëÿ âîçáóæäåíèÿ ýòèõ êîëåáàíèé.  ñëó÷àå ÂÒÎ äåéñòâèå âûñîêîé òåìïåðàòóðû óñèëèâàåòñÿ âëèÿíèåì âàêóóìà, ñìåùàþùåãî ðàâíîâåñèå ïðîöåññà äåãàçàöèè â ñòîðîíó îá- ðàçîâàíèÿ ïðîäóêòîâ. Êðîìå òîãî, âàêóóìíàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà, â îòëè÷èå îò õèìè÷åñ- êîé, íå ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ íà ïîâåðõíîñòè ÷àñòèö äðóãèõ ôóíêöèîíàëüíûõ ãðóïï è ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ïåðñïåêòèâíûé ìåòîä î÷èñòêè ïîäîáíûõ ñèñòåì. Òåïëîåìêîñòü íàíîàëìàçà ïîñëå ÂÒÎ òàêæå îòîáðàæåíà íà ðèñ. 4, èç êîòîðîãî âèäíî, ÷òî â ðåçóëüòàòå î÷èñòêè è óìåíüøåíèÿ êîëè÷åñòâà ãà- çîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé äî çíà÷åíèé, ïðèâåäåí- íûõ â òàáë. 1, òåïëîåìêîñòü îáðàçöîâ ñíèçèëàñü: ïðè òåìïåðàòóðå íà÷àëà ýêñïåðèìåíòà ΔÑp ñî- ñòàâëÿåò 11%, ïðè 300 Ê – 6,5%, âîçðàñòàÿ ïî àá- ñîëþòíîé âåëè÷èíå ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû. Îäíàêî ïðè ýòîì ðàçíèöà âåëè÷èí òåïëîåìêîñòè îáðàçöîâ GE è ÍÀ ïîñëå î÷èñòêè âñå æå îñòàåò- ñÿ ñóùåñòâåííîé è íàìíîãî ïðåâîñõîäèò ïðîïîð- öèîíàëüíîå óìåíüøåíèå Ñp â ãèïîòåòè÷åñêîì ñëó- ÷àå ïîëíîãî óäàëåíèÿ ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé. Îñòàåòñÿ íåâûÿñíåííûì ãëàâíûé âîïðîñ – î ìå- õàíèçìå ïîãëîùåíèÿ òåïëà íàíîàëìàçíûì ìàòå- ðèàëîì ïðè ñàìîé íèçêîé òåìïåðàòóðå. Ó÷åò âíóòðèêðèñòàëëè÷åñêèõ ãàçîîáðàçóþ- ùèõ ïðèìåñåé áîëåå ñëîæåí. Âîäîðîä â êðèñ- òàëëè÷åñêîé ðåøåòêå àëìàçà ìîæíî ðàññìàò- ðèâàòü êàê èäåàëüíûé ãàç. Ñîîòâåòñòâåííî åãî âêëàä â òåïëîåìêîñòü ìîæåò áûòü ëåãêî ðàñ- ñ÷èòàí êàê ïàðöèàëüíàÿ âåëè÷èíà, íå çàâèñÿùàÿ îò òåìïåðàòóðû.  ñëó÷àå èññëåäîâàííîãî îá- ðàçöà âåëè÷èíà ýòîãî âêëàäà, êàê ïîêàçûâàåò îöåíêà, ñîñòàâëÿåò âñåãî 0,02 Äæ·ìîëü–1·Ê–1. ×òî æå êàñàåòñÿ àçîòà è êèñëîðîäà, òî àòîìû ýòèõ ýëåìåíòîâ èìåþò äîñòàòî÷íî âûñîêèå çíà- ÷åíèÿ ýëåêòðîîòðèöàòåëüíîñòè, ò. å. îáðàçóþò ñèëüíûå ñâÿçè, è âîçáóæäåíèå èõ êîëåáàíèé ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå ìàëîâåðîÿòíî. Ñóùåñòâóåò åùå îäèí ôàêòîð, êîòîðûé ìî- æåò âëèÿòü íà òåïëîåìêîñòü êðèñòàëëè÷åñêîãî ìàòåðèàëà, – âîçáóæäåíèå êîëåáàíèé ïîâåðõíîñò- íûõ àòîìîâ êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû. Îò- ëè÷èå êîîðäèíàöèîííîãî ÷èñëà è ñîîòâåòñòâó- þùåå ïîâûøåíèå êîëè÷åñòâà ñòåïåíåé ñâîáî- äû îòíîñèòåëüíî àòîìîâ â îáúåìå êðèñòàëëà ïðèâîäÿò ê âîçáóæäåíèþ èõ êîëåáàíèé ïðè áî- ëåå íèçêîé ýíåðãèè. Äëÿ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà ýòîò ýôôåêò íåñóùåñòâåí, ïîñêîëüêó äîëÿ ïîâåðõíîñòíûõ àòîìîâ î÷åíü ìàëà, òîãäà êàê äëÿ ÍÀ îíà ìîæåò äîñòèãàòü 20–25%. Ýòî ñëåäóåò èç íàøèõ ðàñ÷åòîâ, îñíîâàííûõ íà ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî ÷àñòèöû èìåþò ôîðìó ñôå- ðû äèàìåòðîì 4–4,5 íì, è ïîäòâåðæäàåòñÿ òàê- æå ëèòåðàòóðíûìè äàííûìè [14]. Îäíàêî ñäå- ëàòü îáúåêòèâíûé âûâîä î ïðàâîìåðíîñòè òàêîãî îáúÿñíåíèÿ âëèÿíèÿ íà òåïëîåìêîñòü íà- íîàëìàçà ïî ðåçóëüòàòàì èññëåäîâàíèÿ îäíîé íàíîêðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìû çàòðóäíèòåëüíî. Ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå ïî íèçêîòåìïåðàòóðíîé òåïëîåìêîñòè èññëåäîâàí- íûõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëèëè ðàññ÷èòàòü çíà÷å- íèÿ èõ îñíîâíûõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé ïðè ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷å- òà ïðèâåäåíû â òàáë. 2. Îíè îòðàæàþò çàêîíî- ìåðíîñòè èçìåíåíèÿ òåïëîåìêîñòè àëìàçíûõ ìàòåðèàëîâ: ìèíèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ñîîòâåò- ñòâóþò êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìå, óâåëè- ÷èâàÿñü äëÿ íàíîàëìàçîâ. Êðîìå òîãî, ïîëó÷åí- íûå ðåçóëüòàòû óáåäèòåëüíî ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî äëÿ ïðîöåññîâ ñ ó÷àñòèåì íàíîàëìàçîâ èñ- ïîëüçîâàíèå òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ôóíêöèé äëÿ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà ÿâëÿåòñÿ íåêîð- ðåêòíûì. Ýòî îñîáåííî ÷åòêî âèäíî ïðè ðàñ- ñìîòðåíèè âåëè÷èí ýíòàëüïèè êàê ôóíêöèè ñî- ñòîÿíèÿ ìàòåðèàëà. Ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå, êîãäà ðàáîòîé âíåøíèõ ñèë (pΔV) ìîæíî ïðå- íåáðå÷ü, çíà÷åíèÿ H0(298,15 K) – H0(0) õàðàê- òåðèçóþò âíóòðåííþþ ýíåðãèþ âåùåñòâà. Êàê âèäíî èç òàáë. 2, ýòà âåëè÷èíà äëÿ íàíîàëìàçà çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì äëÿ êðóïíîêðèñòàëëè- ÷åñêîãî àëìàçà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò, â ÷àñò- íîñòè, î áîëåå âûñîêîé ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñ- òè ïåðâîãî. Äëÿ âûÿñíåíèÿ âêëàäà àêòèâíûõ ïîâåðõíîñò- íûõ àòîìîâ â òåðìîäèíàìè÷åñêóþ ýíåðãèþ íàíîàëìàçîâ íåîáõîäèìû è çàïëàíèðîâàíû èñ- ñëåäîâàíèÿ òåïëîåìêîñòè îáðàçöîâ ñ ðàçíîé óäåëüíîé ïîâåðõíîñòüþ. 30 Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 Âûâîäû 1. Ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ òåïëîåìêîñòè íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà äåòîíàöèîííîãî ñèíòåçà (ÍÀ) àäèàáàòè÷åñêèì ìåòîäîì â èí- òåðâàëå òåìïåðàòóð 55–300 Ê. Óñòàíîâëåíî çíà- ÷èòåëüíîå ïðåâûøåíèå òåïëîåìêîñòè èññëåäî- âàííîãî ÍÀ îòíîñèòåëüíî ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è ðàñ÷åòíûõ çíà÷åíèé äëÿ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñ- êîãî àëìàçà. 2. Ìåòîäîì ãàçîâîé õðîìàòîãðàôèè ïîêàçà- íî, ÷òî ïðîìûøëåííûé îáðàçåö ÍÀ ñîäåðæèò áîëåå 10 ìàññ.% ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé. 3. Ïðåäëîæåí ðåæèì âàêóóìíîé òåðìè÷åñ- êîé îáðàáîòêè (ÂÒÎ), ïîçâîëÿþùèé ñóùåñòâåí- íî ñíèçèòü ñîäåðæàíèå ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìå- ñåé â îáðàçöå. 4. Èññëåäîâàíèå òåïëîåìêîñòè íàíîàëìàçà ïîñëå ÂÒÎ ïîçâîëèëî óñòàíîâèòü êîëè÷åñòâåí- íîå âëèÿíèå ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìåñåé íà åãî òåïëîåìêîñòü. 5. Ïîêàçàíî, ÷òî ðàçíèöà çíà÷åíèé òåïëîåì- êîñòè êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àëìàçà è ÍÀ ïîñëå ÂÒÎ âñå æå îñòàåòñÿ ñóùåñòâåííîé è íàìíîãî ïðåâûøàåò ïðîïîðöèîíàëüíîå óìåíü- øåíèå âåëè÷èíû Ñð â ãèïîòåòè÷åñêîì ñëó÷àå ñíèæåíèÿ ñîäåðæàíèÿ ãàçîîáðàçóþùèõ ïðèìå- ñåé äî íóëÿ. 6. Äëÿ âûÿñíåíèÿ âëèÿíèÿ íà òåïëîåìêîñòü ÍÀ àêòèâíûõ ïîâåðõíîñòíûõ àòîìîâ ñëåäóåò ïðîâåñòè àíàëîãè÷íûå èññëåäîâàíèÿ íà ïðåïà- ðàòàõ ñ ðàçëè÷íîé ïëîùàäüþ ïîâåðõíîñòè. Åêñïåðèìåíòàëüíî äîñë³äæåíî âïëèâ ãàçîòâ³ðíèõ äîì³øîê, ñîðáîâàíèõ ïîâåðõíåþ íàíîêðèñòàë³÷íîãî àëìàçó äåòîíà- ö³éíîãî ñèíòåçó, íà çíà÷åííÿ éîãî íèçüêîòåìïåðàòóðíî¿ (50– 300 Ê) òåïëîºìíîñò³. Ïîêàçàíî, ùî âàêóóìíà òåðì³÷íà îá- ðîáêà º ïåðñïåêòèâíèì ìåòîäîì î÷èùåííÿ íàíîàëìàçó, îäíàê ¿¿ çàñòîñóâàííÿ îáìåæåíî íåáåçïå÷í³ñòþ äîñÿãíåííÿ òåìïåðàòóðè ôàçîâîãî ïåðåõîäó àëìàç → ãðàô³ò. Ïîð³âíÿ- íî ìîæëèâèé âïëèâ íà òåïëîºìí³ñòü íàíîêðèñòàë³÷íîãî àëìàçó ïîâåðõíåâèõ òà ³íòåðêàëüîâàíèõ ó éîãî êðèñòàë³÷- íó ñòðóêòóðó ãàçîòâ³ðíèõ äîì³øîê. Óñòàíîâëåíî, ùî õà- ðàêòåðíå äëÿ íàíîàëìàçó ïåðåâèùåííÿ çíà÷åíü òåïëî- ºìíîñò³ â³äíîñíî â³äïîâ³äíèõ âåëè÷èí äëÿ âåëèêîêðèñòàë³÷- íîãî àëìàçó íå ìîæå áóòè ïîÿñíåíî âïëèâîì ãàçîòâ³ðíèõ äîì³øîê. Êëþ÷îâ³ ñëîâà: íàíîàëìàç, ãàçîòâ³ðí³ äîì³øêè, âàêóóìíà òåðì³÷íà îáðîáêà, òåïëîºìí³ñòü Experimental studies of the influence of gas producing impurities, absorbed by the surface of detonation nanodiamond on the values of its low temperature (50–300 K) heat capacity were conducted. Investigations were performed on the same specimen before and after vacuum heat treatment (VHT). It was shown, that VHT is a perspective method for nanodiamond purification from gas producing impurities, but its use is limited by the possibility of reaching the temperature of diamond → graphite phase transition. Analysis of the possible influence on the heat capacity of detonation nanodiamond of gas producing impurities intercalated into its crystalline structure was conducted. It was shown, that the heat capacity excess typical for detonation nanodiamond compared to its bulk form can not be explained only by the influence of gas producing impurities. Key words: nanodiamond, gas producing impurities, vacuum heat treatment, heat capacity 1. Ñîâðåìåííûå ïðîìûøëåííûå âîçìîæíîñòè ñèíòåçà íàíîàëìàçîâ // Â.Þ. Äîëìàòîâ, Ì.Â. Âåðåòåííèêîâà, Â.À. Ìàð÷óêîâ, Â.Ã. Ñóùåâ / Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. – 2004. – 46, ¹ 4. – Ñ. 596–600. 2. Bright Fluorescent Nanodiamonds: No Photobleaching and Low Cytotoxicity / Yu S.-J., Kang M.-W., Chang H.-C. et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2005. – 127. – P. 17604–17605. 3. Ïóçûðü À.Ï., Ïîçäíÿêîâà È.Î., Áîíäàðü Â.Ñ. Ñîçäà- íèå ëþìèíèñöåíòíîãî áèî÷èïà ñ èñïîëüçîâàíèåì íà- íîàëìàçîâ è áàêòåðèàëüíîé ëþöèôåðàçû // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. – 2004. – 46. – Ñ. 740–742. 4. Active Nanodiamond Hydrogels for Chemotherapeutic Delivery / H. Huang, E. Pierstorff, E. Osawa, D. Ho // Nano Letters. – 2007. – 7. – P. 3305–3314. 5. Nanodiamond-Polymer Composite Fibers and Coatings / Behler K.D., Stravato A., Mochalin V. et al. // ACS Nano. – 2009. – 3. – P. 363–369. 6. Enhancement of Molar Heat Capacity of Nanostructured Al2O3 / Wang L., Tan Z., Meng S. et al. // Journal of Nanoparticle Research. – 2001. – 3, N 5. – P. 483–487. 7. Heat capacity enhancement and thermodynamic properties of nanostructured amorphous SiO2 / Wang L., Varushchenko R., Tan Z. et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2001. – 296, N 1–2. – P. 139–142. 8. Wang J., Lu K., Wei W. Comparison of properties of nanocrystalline and amorphous Ni-P alloys // Journal of Phy- sics D: Applied Physics. – 1992. – 25, N 5. – P. 808–812. 9. Wang T., Li G. Microstructure, thermal and mechanical properties of nanostructured Cu-5.5Ni-9.2Sn-6.5P // Solid State Communications. – 1995. – 94, N 3. – P. 201–203. 10. Òåðìîäèíàìè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî è ìèêðîííîãî ïîðîøêîâ 2H-WS2 ïðè íèçêèõ òåìïåðà- òóðàõ / Â.Á. Ìóðàòîâ, Ë.Ì. Êóëèêîâ, Í.Á. ʸíèã, ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖÛ, ÍÀÍÎÊËÀÑÒÅÐÛ, ÍÓËÜÌÅÐÍÛÅ ÎÁÚÅÊÒÛ 31 М АТ ЕР ИА ЛО ВЕ Д ЕН ИЕ Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2011, ¹ 1 Â.Â. Çàõàðîâ // Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå. – 2008. – ¹ 1. – Ñ. 3–13. 11. Äîëìàòîâ Â.Þ. Äåòîíàöèîííûå íàíîàëìàçû: ñèíòåç, ñòðîåíèå, ñâîéñòâà // Óñïåõè õèìèè. – 2007. – 76, ¹ 4. – Ñ. 375–397. 12. Äîëìàòîâ Â.Þ., Ôóäæèìóðà Ò. Íàíîàëìàçû // Ñâåðõ- òâåðäûå ìàòåðèàëû. – 2001. – ¹ 6. – Ñ. 34–41. 13. Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements. Ed. R. Hultgren – Metals Park, Ohio: American Society for Metals, 1973. – 1435 p. 14. Control of sp2/sp3 Carbon Ratio and Surface Chemistry of Nanodiamond Powders by Selective Oxidation in Air / Osswald S., Yushin G., Mochalin V. et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2006. – 128. – P. 11635–11642. 15. Diamond-graphite phase transition in ultradisperse- diamond clusters / Aleksenskii A.E., Baidakova M.V., Vul’ A.Y. et al. // Physics of the Solid State. – 1997. – 39. – P. 1007–1015. 16. Âàñèëüºâ Î.Î., Ìóðàòîâ Â.Á., Äóäà Ò.². Ðîçðàõóíîê òåïëîºìíîñò³ àëìàçó çà éîãî ñïåêòðîñêîï³÷íèìè òà ïðóæíî-äèíàì³÷íèìè õàðàêòåðèñòèêàìè // Íàóêîâ³ â³ñò³ ÍÒÓÓ «Êϲ». – 2010. – ¹ 3. – C. 56–59. 17. Vasil’ev O.O., Muratov V.B., Duda T.I. The study of low- temperature heat capacity of diamond: Calculation and experiment // Journal of Superhard Materials. – 2010. – 32, N 6. – P. 375–382. 18. Kulakova ².I. Surface chemistry of nanodiamonds // Physics of the solid state. – 2004. – 46. – P. 636–643.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62749
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1996-9988
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:44:43Z
publishDate 2011
publisher Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
record_format dspace
spelling Муратов, В.Б.
Васильев, А.А.
Гарбуз, В.В.
Дуда, Т.И.
2014-05-25T14:14:55Z
2014-05-25T14:14:55Z
2011
Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза / В.Б. Муратов, А.А. Васильев, В.В. Гарбуз, Т.И. Дуда // Наноструктурное материаловедение. — 2011. — № 1. — С. 23-31. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
1996-9988
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62749
536.631:549.211
Экспериментально исследовано влияние газообразующих примесей, сорбированных поверхностью нанокристаллического алмаза детонационного синтеза, на значения его низкотемпературной (50300 К) теплоемкости. Показано, что вакуумная термическая обработка является перспективным методом очистки наноалмаза от газообразующих примесей, однако его использование ограничено опасностью достижения температуры фазового перехода алмаз графит. Сравнено возможное влияние на теплоемкость нанокристаллического алмаза поверхностных и интеркалированных в его кристаллическую структуру газообразующих примесей. Установлено, что характерное для наноалмаза превышение значений теплоемкости относительно соответствующих величин для крупнокристаллического алмаза не может быть объяснено только влиянием газообразующих примесей.
Експериментально досліджено вплив газотвірних домішок, сорбованих поверхнею нанокристалічного алмазу детонаційного синтезу, на значення його низькотемпературної (50-300 К) теплоємності. Показано, що вакуумна термічна обробка є перспективним методом очищення наноалмазу, однак її застосування обмежено небезпечністю досягнення температури фазового переходу алмаз графіт. Порівняно можливий вплив на теплоємність нанокристалічного алмазу поверхневих та інтеркальованих у його кристалічну структуру газотвірних домішок. Установлено, що характерне для наноалмазу перевищення значень теплоємності відносно відповідних величин для великокристалічного алмазу не може бути пояснено впливом газотвірних домішок.
Experimental studies of the influence of gas producing impurities, absorbed by the surface of detonation nanodiamond on the values of its low temperature (50–300 K) heat capacity were conducted. Investigations were performed on the same specimen before and after vacuum heat treatment (VHT). It was shown, that VHT is a perspective method for nanodiamond purification from gas producing impurities, but its use is limited by the possibility of reaching the temperature of diamond → graphite phase transition. Analysis of the possible influence on the heat capacity of detonation nanodiamond of gas producing impurities intercalated into its crystalline structure was conducted. It was shown, that the heat capacity excess typical for detonation nanodiamond compared to its bulk form can not be explained only by the influence of gas producing impurities.
ru
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
Наноструктурное материаловедение
Наночастицы, нанокластеры, нульмерные объекты
Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
Article
published earlier
spellingShingle Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
Муратов, В.Б.
Васильев, А.А.
Гарбуз, В.В.
Дуда, Т.И.
Наночастицы, нанокластеры, нульмерные объекты
title Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
title_full Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
title_fullStr Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
title_full_unstemmed Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
title_short Влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
title_sort влияние газообразующих примесей на теплоемкость нанокристаллического алмаза детонационного синтеза
topic Наночастицы, нанокластеры, нульмерные объекты
topic_facet Наночастицы, нанокластеры, нульмерные объекты
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62749
work_keys_str_mv AT muratovvb vliâniegazoobrazuûŝihprimeseinateploemkostʹnanokristalličeskogoalmazadetonacionnogosinteza
AT vasilʹevaa vliâniegazoobrazuûŝihprimeseinateploemkostʹnanokristalličeskogoalmazadetonacionnogosinteza
AT garbuzvv vliâniegazoobrazuûŝihprimeseinateploemkostʹnanokristalličeskogoalmazadetonacionnogosinteza
AT dudati vliâniegazoobrazuûŝihprimeseinateploemkostʹnanokristalličeskogoalmazadetonacionnogosinteza