Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості
Для визначення механічних властивостей монокристалів алмазу, вирощених методом температурного градієнта, розроблено конструкцію спеціального тримача, що дозволяє їх нерухомо закріпити. Визначено матеріали для виготовлення підложки-утримувача з метою сумісного використання з приладом УІМВ-1 дисків з...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2013
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69671 |
| 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: | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості / О.М. Супрун, І.С. Білоусов, А.М. Катруша, О.О. Заневський // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 61-66. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859768324405067776 |
|---|---|
| author | Супрун, О.М. Білоусов, І.С. Катруша, А.М. Заневський, О.О. |
| author_facet | Супрун, О.М. Білоусов, І.С. Катруша, А.М. Заневський, О.О. |
| citation_txt | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості / О.М. Супрун, І.С. Білоусов, А.М. Катруша, О.О. Заневський // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 61-66. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Для визначення механічних властивостей монокристалів алмазу, вирощених методом температурного градієнта, розроблено конструкцію спеціального тримача, що дозволяє їх нерухомо закріпити. Визначено матеріали для виготовлення підложки-утримувача з метою сумісного використання з приладом УІМВ-1 дисків з оксиду цирконію, оксиду магнію та нітриду алюмінію. Дослідження їхніх властивостей і випробування на міцність дозволили встановити, що диски, виготовлені з нітриду алюмінію, найбільш придатні для проведення досліджень при 900°С.
Для определения механических свойств монокристаллов алмаза, выращенных методом температурного градиента, разработана конструкция специального держателя, позволяющего их неподвижно закрепить. Определены материалы для изготовления подложки-держателя с целью совместного использования с прибором УИМВ-1 дисков из оксида циркония, оксида магния и нитрида алюминия. Исследование их свойств и испытания на прочность позволили установить, что диски, изготовленные из нитрида алюминия, наиболее пригодны для проведения исследований при 900°С.
The study of the mechanical properties is important because it allows establishing the effect of growth features: the composition of growth system, the temperature, the amount and the type of impurities. To test mechanical properties, diamond samples of 2−4 mm in size and 0.1−0.16 ct in weight were used, being obtained by the method of temperature gradient. The tests were performed at the temperature of 900°C in UIMB-1 plant [1]. The problem was fixing of the samples by a holder of 5 mm in height and 15 mm in diameter. The samples were decided to be fixed in ceramic disks. Thermally stable materials (aluminum nitride, manganese oxide, zirconia) were selected for producing the substrate. The powders of these materials were mixed with the silicate-based binder and pressed under the pressure of 0.2−0.3 GPa in a cylindrical mould. After the pressing, the plates were allowed at the room temperature and sintered at 900°C. The plates made of manganese oxide were destroyed and eliminated from the succeeding tests. Compressive strength of the AlN and ZrO2 plates was measured. The breaking load of the ZrO2 samples did not exceed 1kN. The quality of the samples did not allow evaluation of Rcompr The loading of the AlN samples was 27.05 kN and the compressive strength reached Rcompr = 160 MPa. Naturally, a conclusion was made that the aluminum nitride substrate is the proper material for diamonds to be pressed in. So, the material of the substrates was selected where the crystals of synthetic diamonds should be pressed in. This fact provided successful measurements of the hardness at high temperatures [2].
|
| first_indexed | 2025-12-02T06:09:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
© О.М. Супрун, І.С. Білоусов, А.М. Катруша, О.О. Заневський, 2013
PACS: 62.20.–х
О.М. Супрун, І.С. Білоусов, А.М. Катруша, О.О. Заневський
ПІДБІР МАТЕРІАЛУ ПІДЛОЖКИ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ
МОНОКРИСТАЛІВ АЛМАЗУ ПРИ ВИМІРЮВАННІ
ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ТВЕРДОСТІ
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
вул. Автозаводська, 2, м. Київ, 04074, Україна
Стаття надійшла до редакції 15 липня 2013 року
Для визначення механічних властивостей монокристалів алмазу, вирощених мето-
дом температурного градієнта, розроблено конструкцію спеціального тримача,
що дозволяє їх нерухомо закріпити. Визначено матеріали для виготовлення
підложки-утримувача з метою сумісного використання з приладом УІМВ-1 дисків
з оксиду цирконію, оксиду магнію та нітриду алюмінію. Дослідження їхніх власти-
востей і випробування на міцність дозволили встановити, що диски, виготовлені з
нітриду алюмінію, найбільш придатні для проведення досліджень при 900°С.
Ключові слова: алмаз, мікротвердість, механічні властивості, індентування, нітрид
алюмінію
Для определения механических свойств монокристаллов алмаза, выращенных ме-
тодом температурного градиента, разработана конструкция специального дер-
жателя, позволяющего их неподвижно закрепить. Определены материалы для из-
готовления подложки-держателя с целью совместного использования с прибором
УИМВ-1 дисков из оксида циркония, оксида магния и нитрида алюминия. Исследо-
вание их свойств и испытания на прочность позволили установить, что диски,
изготовленные из нитрида алюминия, наиболее пригодны для проведения исследо-
ваний при 900°С.
Ключевые слова: алмаз, микротвердость, механические свойства, индентирова-
ние, нитрид алюминия
Вимірювання мікротвердості надтвердих матеріалів, особливо алмазу,
має великий практичний інтерес, оскільки це найбільш швидкий, простий,
неруйнівний метод аналізу. Разом з тим даний метод є високочутливим для
дослідження механізмів пластичної деформації, старіння, наклепу,
відновлення, рекристалізації та інших фазових і структурних перетворень [1].
Тому твердість займає окреме місце серед методів контролю якості та вла-
стивостей матеріалів. Результати багатьох досліджень свідчать про те, що
мікротвердість матеріалу пов’язана з багатьма механічними та фізичними
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
62
характеристиками, у першу чергу з границями міцності, текучості, втоми, з
повзучістю й тривалою міцністю. Мікротвердість також взаємопов’язана з
деякими магнітними й електричними властивостями.
Вивчення механічних властивостей та механічної поведінки синтетичних
алмазів, вирощених методом температурного градієнта, є досить важливим,
оскільки дозволяє виявити вплив на механічні властивості різних особливо-
стей росту, зокрема складу ростової системи, тиску, температури, кількості
та типу домішок.
Для вивчення механічних характеристик було використано зразки алмазу
розмірами 2−4 mm (масою 0.1−0.16 ct), вирощені методом температурного
градієнта, з використанням відповідних розчинників [2]. Монокристали ал-
мазу мали кубооктаедричний габітус з незначним розвитком граней ромбо-
додекаедра (110) та тетрагонтриоктаедра (311) (рис. 1).
а б в
Рис. 1. Монокристали алмазу: а − типу IIb, масою 0.1 ct; б − типу Ib, масою 0.16 ct;
в − типу IІa, масою 0.14 ct
Дослідження проводили при температурі 900°С з використанням уста-
новки УІМВ-1 (рис. 2) [3]. Вимірювання мікротвердості здійснювали мето-
дом вдавлювання в нагріту поверхню зразків 1 та індентора 3, які за допомо-
гою вертикальних штоків 4 з’єднані з тягарцями 5. Зразки та індентор
нагрівали молібденовим нагрівачем. Залишковий тиск повітря в робочій ка-
мері при нагріві складав близько 0.0013 Ра. Тягарці опиралися на рухому
площадку, при опусканні якої індентор разом з тягарцями опускався на зраз-
ки лише під дією сили тяжіння, завдяки чому навантаження відбувалося
рівномірно. Вiсі індентора та тримача зразків були зміщені одна відносно
одної на 5 mm.
Складність вимірювання мікротвердості при високих температурах ста-
новить закріплення зразків у тримачі 2 (рис. 2), який має форму диска
діаметром 15 mm і висотою 5 mm. Нами була розроблена методика
підготовки зразків монокристалів алмазу з їхнім фіксуванням у спеціально
розроблених керамічних дисках.
Для виготовлення керамічних дисків було вивчено процес спікання ма-
теріалу тримача зразка з можливістю закріплення в них алмазних кристалів.
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
63
Диски виготовляли з термостійких матеріалів –
нітриду алюмінію, оксиду магнію та оксиду цир-
конію з використанням зв’язуючого на основі си-
лікатного клею. Порошки цих матеріалів зернис-
тістю 40−100 μm змішували зі зв’язкою та форму-
вали шляхом пресування при тиску 0.2−0.3 GPа в
циліндричній прес-формі діаметром 15 mm. Після
спресовування витримували при t = 900°С з попе-
редньою сушкою при 110−120°С.
Пластинки, виготовлені з оксиду магнію, після
термічної обробки зазнали руйнування, тому цей ма-
теріал одразу вилучили з подальших експериментів.
Для досліджень з визначення міцності на сти-
скання було обрано диски з AlN та ZrO2.
Руйнівне навантаження, яке прикладалося до
зразків з оксиду цирконію, не перевищувало 1 kN.
Якість виготовлених зразків не дозволяла отримати
більш точні значення руйнівного зусилля і визначи-
ти величину Rcompr. Навантаження, яке прикладали
до зразків з нітриду алюмінію, в середньому стано-
вило 27.05 kN. Міцність на стискання зразків, виго-
товлених з AlN, досягало Rcompr = 160 МPа.
Дані з температурної сушки й термообробки,
міцності на стискання, а також зовнішній вид
дисків з нітриду алюмінію, оксиду магнію та ок-
сиду цирконію наведено в таблиці.
Після проведення досліджень було зроблено
висновок про те, що запресовувати алмази для по-
дальших досліджень найбільш доречно у підлож-
ку-утримувач, виготовлену з нітриду алюмінію.
Після попереднього спресовування диска нітриду
алюмінію зразки алмазів розміщували так, щоб
центр зразка збiгався з віссю індентора. З метою
збільшення міцності диска його формували із за-
пресованими в ньому алмазами з гранями (100), які
збiгаються з верхньою поверхнею диска (рис. 3).
На запресованих таким чином кристалах синтетичного алмазу типу IIb,
вирощених методом температурного градієнта, проводили дослідження ме-
тодом локального навантаження жорстким індентором. За допомогою цього
методу було отримано значення твердості по Мейєру, розраховано пружну,
пластичну та загальну деформацію, границю текучості, побудовано криву
деформації алмазу даного типу [4].
Рис. 2. Схема комірки ус-
тановки УІМВ-1[3]: 1 −
диск зі зразками синтетич-
ного алмазу, 2 − тримач
диска зі зразками, 3 − ал-
мазний індентор Беркови-
ча, 4 − шток, який з’єднує
важки з індентором, 5 −
тягарці масою 50−1000 g
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
64
Таблиця
Параметри термічної обробки дисків із термостійких матеріалів
τ1 τ2 τ3Матеріал № зразка
h
P, kN Зображен-
ня зразків
1-1 25.6
AlN
1-2 28.5
2-1
MgO
2-2
−
3-1 1
ZrO2
3-2
12 12 10
0.9
Примітки. τ1 – час витримки зразків при кімнатній температурі; τ2 – час сушки
при 110−120°С; τ3 – час відпалу при 900°С; Р – навантаження при випробуванні на
міцність.
а б
Рис. 3. Зображення зразків алмазів, запресованих у підложку-утримувач із нітриду
алюмінію
Таким чином, в результаті проведених досліджень було підібрано ма-
теріал для виготовлення підложок-утримувачів, розроблено спосіб
закріплення в них зразків синтетичного алмазу, що дозволило успішно про-
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
65
водити вимірювання твердості при високих (до 900°С) температурах. Вста-
новлено, що після циклічного багаторазового нагрівання й охолодження
підложка не зазнає руйнування.
1. М.М. Алексюк, Механические испытания материалов при високих температу-
рах, Наукова думка, Киев (1980).
2. Сверхтвердые материалы. Получение и применение, Т. 1. Синтез алмаза и по-
добных материалов, А.А. Шульженко (ред.), ИСМ им. Бакуля, ИПЦ «Алкон»
НАНУ, Киев (2003).
3. Н.Т. Гудцов, М.Г. Лозинский, ЖТФ 22, 1249 (1952).
4. Ю.В. Мильман, Е.М. Пидгорнюк, А.Н. Катруша, С.И. Чугунова, А.А. Голубенко,
С.А. Ивахненко, Сверхтвердые материалы № 5, 37 (2012).
O.M. Suprun, I.S. Bilousov, A.M. Katrusha, O.O. Zanevskii
SELECTION OF THE SUBSTRATE MATERIAL FOR THE HOLDERS OF
DIAMOND SINGLE CRYSTALS AT THE MEASUREMENTS OF HIGH-
TEMPERATURE HARDNESS
The study of the mechanical properties is important because it allows establishing the
effect of growth features: the composition of growth system, the temperature, the amount
and the type of impurities.
To test mechanical properties, diamond samples of 2−4 mm in size and 0.1−0.16 ct in
weight were used, being obtained by the method of temperature gradient. The tests were
performed at the temperature of 900°C in UIMB-1 plant [1]. The problem was fixing of
the samples by a holder of 5 mm in height and 15 mm in diameter. The samples were de-
cided to be fixed in ceramic disks.
Thermally stable materials (aluminum nitride, manganese oxide, zirconia) were se-
lected for producing the substrate. The powders of these materials were mixed with the
silicate-based binder and pressed under the pressure of 0.2−0.3 GPa in a cylindrical
mould. After the pressing, the plates were allowed at the room temperature and sintered at
900°C.
The plates made of manganese oxide were destroyed and eliminated from the suc-
ceeding tests. Compressive strength of the AlN and ZrO2 plates was measured. The
breaking load of the ZrO2 samples did not exceed 1kN. The quality of the samples did not
allow evaluation of Rcompr The loading of the AlN samples was 27.05 kN and the com-
pressive strength reached Rcompr = 160 MPa. Naturally, a conclusion was made that the
aluminum nitride substrate is the proper material for diamonds to be pressed in.
So, the material of the substrates was selected where the crystals of synthetic dia-
monds should be pressed in. This fact provided successful measurements of the hardness
at high temperatures [2].
Keywords: diamond, microhardness, mechanical properties, identitation, aluminium ni-
tride
Fig. 1. Diamond single crystals: а − type IIb, weight 0.1 ct; б − type Ib, weight 0.16 ct; в −
type ІIa, weight 0.14 ct
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
66
Fig. 2. The cell design for YIMB-1 [3]: 1 − disk with synthetic diamond samples, 2 −
holder of the disk with the samples, 3 – Berkovich diamond indentor, 4 − rod, which con-
nects weights with the indentor, 5 − sinkers of 50−1000 g in weight
Fig. 3. Diamond samples pressed into the aluminum nitride substrate-holder
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69671 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-02T06:09:04Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Супрун, О.М. Білоусов, І.С. Катруша, А.М. Заневський, О.О. 2014-10-18T12:42:21Z 2014-10-18T12:42:21Z 2013 Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості / О.М. Супрун, І.С. Білоусов, А.М. Катруша, О.О. Заневський // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 61-66. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 0868-5924 PACS: 62.20.–х https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69671 Для визначення механічних властивостей монокристалів алмазу, вирощених методом температурного градієнта, розроблено конструкцію спеціального тримача, що дозволяє їх нерухомо закріпити. Визначено матеріали для виготовлення підложки-утримувача з метою сумісного використання з приладом УІМВ-1 дисків з оксиду цирконію, оксиду магнію та нітриду алюмінію. Дослідження їхніх властивостей і випробування на міцність дозволили встановити, що диски, виготовлені з нітриду алюмінію, найбільш придатні для проведення досліджень при 900°С. Для определения механических свойств монокристаллов алмаза, выращенных методом температурного градиента, разработана конструкция специального держателя, позволяющего их неподвижно закрепить. Определены материалы для изготовления подложки-держателя с целью совместного использования с прибором УИМВ-1 дисков из оксида циркония, оксида магния и нитрида алюминия. Исследование их свойств и испытания на прочность позволили установить, что диски, изготовленные из нитрида алюминия, наиболее пригодны для проведения исследований при 900°С. The study of the mechanical properties is important because it allows establishing the effect of growth features: the composition of growth system, the temperature, the amount and the type of impurities. To test mechanical properties, diamond samples of 2−4 mm in size and 0.1−0.16 ct in weight were used, being obtained by the method of temperature gradient. The tests were performed at the temperature of 900°C in UIMB-1 plant [1]. The problem was fixing of the samples by a holder of 5 mm in height and 15 mm in diameter. The samples were decided to be fixed in ceramic disks. Thermally stable materials (aluminum nitride, manganese oxide, zirconia) were selected for producing the substrate. The powders of these materials were mixed with the silicate-based binder and pressed under the pressure of 0.2−0.3 GPa in a cylindrical mould. After the pressing, the plates were allowed at the room temperature and sintered at 900°C. The plates made of manganese oxide were destroyed and eliminated from the succeeding tests. Compressive strength of the AlN and ZrO2 plates was measured. The breaking load of the ZrO2 samples did not exceed 1kN. The quality of the samples did not allow evaluation of Rcompr The loading of the AlN samples was 27.05 kN and the compressive strength reached Rcompr = 160 MPa. Naturally, a conclusion was made that the aluminum nitride substrate is the proper material for diamonds to be pressed in. So, the material of the substrates was selected where the crystals of synthetic diamonds should be pressed in. This fact provided successful measurements of the hardness at high temperatures [2]. uk Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості Selection of the substrate material for the holders of diamond single crystals at the measurements of high-temperature hardness Article published earlier |
| spellingShingle | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості Супрун, О.М. Білоусов, І.С. Катруша, А.М. Заневський, О.О. |
| title | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| title_alt | Selection of the substrate material for the holders of diamond single crystals at the measurements of high-temperature hardness |
| title_full | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| title_fullStr | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| title_full_unstemmed | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| title_short | Підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| title_sort | підбір матеріалу підложки для закріплення монокристалів алмазу при вимірюванні високотемпературної твердості |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69671 |
| work_keys_str_mv | AT suprunom pídbírmateríalupídložkidlâzakríplennâmonokristalívalmazuprivimírûvannívisokotemperaturnoítverdostí AT bílousovís pídbírmateríalupídložkidlâzakríplennâmonokristalívalmazuprivimírûvannívisokotemperaturnoítverdostí AT katrušaam pídbírmateríalupídložkidlâzakríplennâmonokristalívalmazuprivimírûvannívisokotemperaturnoítverdostí AT zanevsʹkiioo pídbírmateríalupídložkidlâzakríplennâmonokristalívalmazuprivimírûvannívisokotemperaturnoítverdostí AT suprunom selectionofthesubstratematerialfortheholdersofdiamondsinglecrystalsatthemeasurementsofhightemperaturehardness AT bílousovís selectionofthesubstratematerialfortheholdersofdiamondsinglecrystalsatthemeasurementsofhightemperaturehardness AT katrušaam selectionofthesubstratematerialfortheholdersofdiamondsinglecrystalsatthemeasurementsofhightemperaturehardness AT zanevsʹkiioo selectionofthesubstratematerialfortheholdersofdiamondsinglecrystalsatthemeasurementsofhightemperaturehardness |