Лонсдейлит в наноалмазах
Результаты исследований наличия лонсдейлита в наноалмазах, природных и синтетических алмазах и его влияние на свойства алмаза. Результати досліджень наявності лонсдейліта в наноалмазах, природних і синтетичних алмазах і його вплив на властивості алмазу. Result on the studies the lonsdaleite abundanc...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63233 |
| 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: | Лонсдейлит в наноалмазах / А.М. Налетов, А.В. Ножкина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 195-201. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859665354513448960 |
|---|---|
| author | Налетов, А.М. Ножкина, А.В. |
| author_facet | Налетов, А.М. Ножкина, А.В. |
| citation_txt | Лонсдейлит в наноалмазах / А.М. Налетов, А.В. Ножкина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 195-201. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | Результаты исследований наличия лонсдейлита в наноалмазах, природных и синтетических алмазах и его влияние на свойства алмаза.
Результати досліджень наявності лонсдейліта в наноалмазах, природних і синтетичних алмазах і його вплив на властивості алмазу.
Result on the studies the lonsdaleite abundance in the nanodiamond, the natural and the synthetic diamonds and his influence on the diamond property.
|
| first_indexed | 2025-11-30T10:55:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
195
УДК 541.16
А. М. Налетов, канд. техн. наук; А. В. Ножкина, д-р техн. наук
ОАО «Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента»
(ВНИИАЛМАЗ), г. Москва, Россия
ЛОНСДЕЙЛИТ В НАНОАЛМАЗАХ
Результаты исследований наличия лонсдейлита в наноалмазах, природных и синтетических
алмазах и его влияние на свойства алмаза.
Ключевые слова: алмаз, лонсдейлит, структура, свойства.
Лонсдейлит в незначительных количествах почти всегда присутствует в любых алмазах в
виде дефектов упаковки, кристаллическая структура которых соответствует гексaгональной решетке.
В алмазе практически всегда присутствуют плоские ростовые дефекты упаковки, тетраэдры
дефектов упаковки, дислокационные петли со структурой дефектов упаковки внутри петли. Более
того, просто расщепление полных дислокаций в алмазе на частичные, также вызывает образование
между ними структур дефектов упаковки на атомарном уровне.
В таком виде лонсдейлит не наблюдается в отдельных рентгеновских дифракционных
максимумах, а проявляется только в искажении дифракций от решетки алмаза, или вызывает
эффекты аномального рассеяния, что особенно часто наблюдается на электроннограммах алмазов [1].
Однако в ряде импактных алмазов лонсдейлит проявляется самостоятельными
дифракционными максимумами, что и послужило основой его открытия и идентификации как одной
из полиморфных фаз углерода – гексагонального алмаза. Интенсивность дифракционных
максимумов надежно рассчитана [2].
Результаты расчетов интенсивностей некоторых из рентгеновских рефлексов трех углеродных
фаз приведены в таблице№1.
Таблица 1. Некоторые дифракционные параметры углеродных политипов
Parametres Diamond Lonsdaleite Graphite
Density, g/sm3 3,515 3,51 2,265
Cell volume, Å3 45,4 22,7 35,2
Peak indexes, hkl 111 400 100 002 101 002 100 101
The interplane
Distances, Å 2,059 0,892 2,184 2,05 1,93 3,355 2,13 2,031
Designations in formulas - - IL
100 IL
101=2IL Ig
002 - -
Ri
hkl
Relative
units. 39,8 4,5 18,8 10 9,7 79,2 2,8 14,35
% 100 11,3 47,2 25,1 24,4 199 7,03 36,05
Diffraction angles for
Cu-radiation, 2 43,94 119,14 41,4 43,2 47,0 26,56 42,38 44,58
На основе этих данных позднее была разработана методика количественного рентгеновского
анализа системы алмаз-лонсдейлит-графит [3].
Как видно из рис. 1, непосредственно измерить интенсивность можно только на рефлексе
(002) графита. Все другие рефлексы перекрывают друг друга, как показано на рис. 2.
Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
196
Рис 1. Схема дифракции в системе алмаз-лонсдейлит-графит
Рис.2. Схема дифракции в системе алмаз-лонсдейлит
Выделение отдельных рефлексов максимума возможно при использовании метода
суперпозиции. Как результат этого метода получены следующие формулы для расчета массовой доли
графита G% и лонсдейлита L%:
G%=100/(0,59+1,97×I0/Ig
002+2.31×IL/Ig
002) (2)
L%=100/(0,2+0,13×I0/IL+0.04×Ig
002/IL) (3)
Где: I0- интенсивность суммарного пика IL- половина интенсивного пика (002) лонсдейлита
(может быть измерена отдельно).
Следует отметить, что присутствие графита сильно снижает точность расчета. В случае, когда
графит отсутствует (J=0) или может быть удален с помощью селективного окисления, картина
дифракции может быть аналогичной, представленной на рис. 2 и два пика лонсдейлита (101) и (100)
могут быть полностью выделены, В этом случае массовая доля лонсдейлита может быть рассчитана
по ниже приведенной формуле:
L %=100/(0,2+0,13×I0/IL)= 100/(0,75+0.27×I0/IL
101), (4)
где I0 – интенсивность суммарного пика Ia
111 + IL
002; IL
101 – полная интенсивность пика (101)
лонсдейлита.
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
197
Приведенные выше вычисления базируются на теоретических расчетах и не учитывают
структурные особенности. В случае использования наноалмазов с высоким содержанием лонсдейлита
мы имели возможность исследовать дальние отражения, свободные от других пиков. Это позволило
нам использовать методы разведения и внутреннего стандарта и получить более точные
экспериментальные соотношения для этих фаз, что практически было реализовано в разработанной
во ВНИИАЛМАЗе методике количественного определения содержания лонсдейлита в алмазах
детонационного синтеза. Результаты исследований фазового состава наноалмазов, полученных по
различным технологиям представлены в табл. 2
Таблица 2. Содержание лонсдейлита в наноалмазах
№ Марка алма-
зов
Лонсдейлит
%,вес Алмаз % Графит % (по весу)
1 ДА 3 80 20 0
2 ДА 4 76 24 0
3 ДА 5 26 74 0
4 ДА 6 70 30 0
5 ДА 7 81 19 0
6 ДА 9 65 35 0
7 ДА 10 75 25 0
8 ДА 11 87 13 0
9 ДА 12 52 48 0
10 ДА 13 90 10 0
11 УДА 46 (11) 18 82 0
12 УДА 73 0 100 0
13 ТГ 46 0 100 0
14 УДА 46 (1) 16 84 0
15 УДА 73 АФ 30 70 0
16 УДА Офтор 16 81 3
17 БДА 30 70 0
В настоящее время показано, что концентрация лонсдейлита в некоторых разновидностях
природных и синтетических (детонационных) алмазов может достигать более 70%, экспериментально
достигнутая максимальная концентрация составляет ~95% (причем в условиях термодинамической
стабильности P-T [1]). Представить себе материал с такой концентрацией дефектов упаковки весьма
трудно.
Характерно также, что даже при небольших концентрациях лонсдейлита его дифракционные
максимумы на рентгенограммах проявляются достаточно отчетливо, как это показано на рис.3.
X-ray diffracting nanodiamonds with the
maintenance lonsdaleite 4-4,5 %
45
95
145
195
245
295
36 38 40 42 44 46 48 50
Peak (101)
lonsdaleite
Peak (100)
lonsdaleite
Peak diamond (111) +
peak (002) lonsdaleite
Рис. 3. Рентгенограмма природного алмаза с малым содержанием лонсдейлита
Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
198
Тем не менее, в чистом виде лонсдейлит пока получить не удалось и, как правило,
экспериментально приходится иметь дело с композициями алмаз-лонсдейлит.
По дифракционным данным в таких композицитах алмаз и лонсдейлит обычно
кристалографически отчетливо связаны соотношениями [1, 2].
Алмаз Лонсдейлит
(111) || (001)
{101} || {100}
В природных поликристаллических композитах наблюдается достаточно отчетливая текстура
этих фаз [4].
Все это свидетельствует о тесной связи условий формирования алмаза и лонсдейлита.
В принципе, лонсдейлит и кубический алмаз во многом аналогичны: тип, длина и энергия
атомных связей, удельный вес, конфигурация ближайшего окружения атома углерода и т.д.
Поэтому, утверждение о том, что лонсдейлит является более твердым материалом, чем алмаз,
скорее всего не обоснованы. По нашим данным [5, 6] твердость природных лонсдейлитсодержащих
алмазов даже несколько снижается с ростом содержания лонсдейлита как это показано на рис.2, хотя
вязкость разрушения имеет заметный максимум примерно вдвое превосходящий вязкость
разрушения обычного монокристалла алмаза.
Рис. 4. Изменения в твердости и трещиностойкости в зависимости от содержания лонсдейлита
Основные различия механических свойств этих материалов, скорее всего, могут быть связаны
с различной геометрией движения дислокаций в различных типах кристаллических решеток
кубической и гексагональной.
Кроме того, содержание лонсдейлита, скорее всего, связано и с совершенством строения
самого кристалла алмаза. Например, на рис. 5 показана зависимость размера блоков кристаллической
решетки природных импактных монокристаллов алмазов прочностные характеристики которых
приведены выше.
Рис. 5. Зависимость размера блоков от концентрации лонсдейлита в природных алмазах
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
199
Несколько сложнее обстоит дело с проявлениями лонсдейлита в комбинационном (Рамановском)
рассеянии света. Отдельный пик колебаний его решетки до настоящего времени не был обнаружен.
Однако существует мнение, что этот пик практически совпадает с пиком кубического алмаза. Поэтому
присутствие лонсдейлита вызывает только некоторые смещения и уширения Рамановвского пика алмаза.
На рис. 6 показаны экспериментальные данные [7] по соотношению между положением и
шириной полосы комбинационного рассеяния в широком диапазоне природных и синтетических
лонсдейлитосодержащих алмазов. Полученную картину авторы интерпритируют на основе
изложенных выше представлений, что очень хорошо согласуется с более поздними данными
(И. С. Исаенко, Т. Г. Шумилов, Е. Мейез ) по форме и положению рамановских пиков (Рис. 7) в
кумдыкольских монокристаллах лонсдейлита.
Рис. 6. Положение и ширина пика Рамана в алмазах различного происхождения
Рис. 7. Пик Рамана в кристаллах лонсдейлита
Все это позволяет считать, что формирование лонсдейлитной фазы является сложным и
возможно неоднозначным процессом, на который могут влиять не только термодинамические
факторы (статический синтез), но и, в случае импактных воздействий, динамика перехода алмазов в
нормальные PT условия. При различных режимах таких переходов могут быть реализованы самые
различные механизмы образований лонсдейлита с участием сверхзвуковой (бездислокационной)
деформации, мартенситных превращений и т.д.
Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
200
Особый интерес представляют процессы, происходящие при отжиге лонсдейлитосодержащих
алмазов, как с точки зрения фазовых превращений, так и перестройки структурных составляющих.
На рис. 8–9 показаны трансформации рентгенограмм при отжиге в вакууме двух марок
детонационных алмазов при температурах до 1000оС.
Рис. 8. Трансформация рентгенограмм наноалмазов при отжиге в вакууме
Рис. 9. Трансформация рентгенограмм наноалмазов при отжиге в вакууме
Как показал анализ этих рентгенограмм при низких температурах (500оС) отжига
наблюдается в основном окисление графита исходных порошков. Концентрация лонсдейлита
практически не изменяется (табл. 3). При более высоких температурах наблюдается сильный рост
широкого пика в районе 22о (~4,04 А), что, скорее всего, связано с трансформацией неалмазных форм
углерода.
Таблица 3. Результаты рентгеновского анализа наноалмазов до и после отжига в вакууме
% Т, Со УДА
Содержание алмаза, % Содержание лонсдейлита, % Content of graphite, %
1 - 63 27 10
2 500 68 25 7
На прессустановке ДО-137А в камере высокого давления типа «тороид» были исследованы
процессы спекания наноалмазов в области термодинамической стабильности алмаза. Изготовлены
сверхтвердые материалы с применением алмазных порошков динамического синтеза, полученных по
различным технологиям, а также композиционные алмазосодержащие материалы, полученные спеканием
наноалмазов в смеси с алмазами статического синтеза в присутствии жидкой фазы пропитывающего
материала. Отработаны оптимальные режимы спекания опытных образцов. Контроль качества опытных
образцов осуществляли по плотности спеченных поликристаллов, как физической характеристике,
определяющей износостойкость. Экспериментально установлено, что плотность спеков из алмазов
динамического синтеза различных марок возрастает с увеличением давления .Следует отметить, что
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
201
плотность спеков возрастает с увеличением содержания лонсдейлита в исходных порошках, как
следствие перехода лонсдейлита в кубический алмаз в процессе спекания в области термодинамической
стабильности алмаза (таблица 4). Экспериментально установлено также, что прочность и
износостойкость прочность и износостойкость композиционного материала увеличивается с увеличением
его плотности.
Таблица 4. Результаты рентгеновского анализа наноалмазов до и после спекания
Образец Фаза Концентрация
% до спекания % после спекания
1
Кубический алмаз 39,5 69,5
лонсдейлит 60 30
Графит 0,5 0,5
2
Кубический алмаз 23,5 63,5
лонсдейлит 75 35
Графит 1,5 1,5
Заключение
В настоящей работе показано, что лонсдейлит является самостоятельной гексагональной
фазой алмаза, проявляющейся в рентгеновской дифракции и комбинационном рассеянии света.
Механические свойства алмаза и лонсдейлита близки. Лонсдейлит часто встречается во
многих видах природных и синтетических алмазов в количествах от долей процента до примерно
95%. Присутствие лонсдейлита существенно влияет на структуру кристаллов алмаза (блочность, и
т. д.), на физико-механические характеристики и улучшает спекаемость наноалмазов в области
термодинамической стабильности алмаза. Отжиг в вакууме наноалмазов, содержащих лонсдейлит, до
1000оС не вызывает фазовых превращений лонсдейлита.
Результати досліджень наявності лонсдейліта в наноалмазах, природних і синтетичних
алмазах і його вплив на властивості алмазу.
Ключові слова: алмаз, лонсдейліт, структура, властивості.
Result on the studies the lonsdaleite abundance in the nanodiamond, the natural and the synthetic
diamonds and his influence on the diamond property.
Key words: diamond, Lonsdale, structure, properties.
Литература
1. Курдюмов А.В. и др. Кристаллическая структура лонсдейлита, образующегося при высоких
статистических давлениях // Физика и техника высоких давлений. – К.: «Наукова думка»,
1981.
2. А.В. Курдюмов, и др. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора: Справочник. –
М: Металургия, 1994.
3. Товстоган В.М. и др. Фазовый анализ системы алмаз – лонсдейлит – графит // Сверхтвердые
материалы. – 1979. – № 1.
4. Налетов А. М., Харлашина Н. Н. Особенности текстуры природных лонсдейлитосодержащих
алмазов. // Геохимия – 1990. – № 8.
5. Структура и свойства лонсдейлитосодержащих алмазов / A. M. Налетов, В. И. Непша,
Ю. А. Клюев и др. // Тр. ВНИИалмаза. – 1985. – С. 75–83.
6. Колчеманов Н. А., Клюев Ю. А., Журавлев В. В., Ножкина А. В. Физико-механические свой-
ства алмазов динамического синтеза и возможности использования их в промышленности //
ВНИИАЛМАЗу 60 лет: Юбилейный сборник. – М.: ОАО «Научно-исследовательский инсти-
тут природных, синтетических алмазов и инструмента», 2007.
7. Решетняк Н. Б., Езерский В. А. Комбинационное рассеяние света в природных алмазах // Ми-
нерал. Журнал. – 1990. – 12, №5.
Поступила 29.06.11
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63233 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T10:55:47Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Налетов, А.М. Ножкина, А.В. 2014-05-31T06:38:15Z 2014-05-31T06:38:15Z 2011 Лонсдейлит в наноалмазах / А.М. Налетов, А.В. Ножкина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 195-201. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63233 541.16 Результаты исследований наличия лонсдейлита в наноалмазах, природных и синтетических алмазах и его влияние на свойства алмаза. Результати досліджень наявності лонсдейліта в наноалмазах, природних і синтетичних алмазах і його вплив на властивості алмазу. Result on the studies the lonsdaleite abundance in the nanodiamond, the natural and the synthetic diamonds and his influence on the diamond property. 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 Лонсдейлит в наноалмазах Article published earlier |
| spellingShingle | Лонсдейлит в наноалмазах Налетов, А.М. Ножкина, А.В. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Лонсдейлит в наноалмазах |
| title_full | Лонсдейлит в наноалмазах |
| title_fullStr | Лонсдейлит в наноалмазах |
| title_full_unstemmed | Лонсдейлит в наноалмазах |
| title_short | Лонсдейлит в наноалмазах |
| title_sort | лонсдейлит в наноалмазах |
| 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/123456789/63233 |
| work_keys_str_mv | AT naletovam lonsdeilitvnanoalmazah AT nožkinaav lonsdeilitvnanoalmazah |