Процессы и технологии синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов на основе разработанных сплавов-катализаторов Ni–X(Mo, Cr, Ti, B) (26.10.2009)

Автор: Лаптев Александр Иванович

I(111) I(220)

№1 "Баллас"

1 0,4 44 110 4,8 38 7,9 0,084 1,16

2' 0,46 411 893 2,1 111 53 0,22 3,7

2" 0,8 180 225 2,2 145 66 0,36 1,24

3 0,3 217 723 1,3 215 165 0,23 1,0

4 23,8 1,6 0,067 5,4 9,8 0,18 0,44 0,164

5 6,1 0,4 0,065 20,5 4,5 0,22 0.3 0,087

№2 "Карбонадо"-8,5

1 14,9 12,5 0,84 35,9 12,6 2,1 3,8 1,0

2 28,2 303 10,7 44 126 2,86 0,64 2,4

3 54,6 8,0 0,15 62,5 22,3 0,36 0,87 0,36

4 2,9 0,24 8,3 8,2 8,26 1,0 0,35 0,02

5 292 2,36 0,008 166 18,8 0,11 1,76 0,12

№3 "Карбонадо"-8,5 Начало синтеза.

1 14,3 20,3 1,4 13,9 18,8 1,35 1,03 1.08

2 1,9 1,2 0,63 0,5 3,.0 6,0 3,8 0.4

3 3,4 23,6 6.9 5,4 17,2 3,2 0,63 1,37

4 20,0 593 29,7 26,3 368 14,0 0,76 1,61

№4 "Карбонадо"-12

1 256 21 0,082 82 8 3,12 3.12 2,6

2 16 5,6 0,35 21 2.8 0,76 0.76 2

3 421 3,9 0,009 133 108 3,16 3,17 0,036

4 15 502 33,5 22 120 0,68 0,68 4,2

5 651 558 0,86 106 118 6.14 6,1 4,7

2 Применение графитов различных марок для синтеза АПКМ

Многими исследователями отмечается важное значение влияния структуры исходного графита на алмазообразование. Например, в литературе широко распространена коллоидная теория синтеза алмазов. Основными положениями которой, являются:

1. Синтез алмазов происходит преобразованием графитовой структуры в алмазную. При этом углеродный материал с неупорядоченной структурой должен быть графитирован.

2. Только те металлы могут служить катализаторами процесса через раствор, которые в расплавленном состоянии способны растворять углерод так, чтобы вместе с атомарным углеродом в нем присутствовали микрогруппировки с графитной структурой (коллоидные частицы).

Напротив, Уэнторф считает, что исходный графит не обязательно должен иметь совершенное строение. По нашему мнению вопрос по влиянию кристаллического строения исходного графита на процесс алмазообразования до настоящего времени является дискуссионным и требует подробного освещения.

При изучении синтеза алмазных порошков из природных углеродных материалов нами установлено, что для осуществления этого процесса возможно применение природных графитов, предварительно термообработанных в вакууме при температуре не ниже 900 (С с целью удаления газовых примесей. При этом степень структурного совершенства их не изменилась. Использование для синтеза алмазов термоантрацита с содержанием летучих веществ до 25 % не представляется возможным. Применение отжига при 2000-2400 (С в вакууме приводит к снижению несгораемого остатка состоящего из оксидов Si, Al, Ti, Mg, Mn, V с 5,4 до 0,14 % и возможности алмазообразования при синтезе алмазов из термоантрацита. Существенное влияние на процесс синтеза алмазов оказывает как структурное строение углеродного материала, так и химический состав, и количество примесей, присутствующих в углеродном материале.

Влияние свойств графита на процесс синтеза и свойства АПКМ изучено значительно меньше. Нужно отметить, что только при синтезе алмазных композитов практически весь углерод исходного графита превращается в алмаз. Поэтому свойства АПКМ зависят не только от условий их получения, но и от свойств исходной графитовой заготовки.

В настоящей работе для изучения влияния свойств исходных графитов на свойства АПКМ для синтеза были выбраны четыре типа графитов: три партии графитов марки МГОСЧ, одна партия графита МГ-1ОСЧ, одна партия графита МПГ-6 и пироуглерод. Повышенное внимание к графиту МГОСЧ уделено потому, что он является базовым для синтеза поликристаллических алмазов. Отличие графитов МГ-1 и МПГ-6 от графита МГОСЧ состоит в отличие технологии их изготовлении для повышения плотности и прочности.

Синтез АПКМ "карбонадо" проводили при давлении 8,0-9,0 ГПа, температуре 1800-2000 К, в качестве катализатора использовали никель. После синтеза "карбонадо" дробили, отсеивали фракции 1000/800, 630/500 и 400/315 и проводили испытания на прочность по ГОСТ 9206-80.

Изучение структуры графитов проводили до и после синтеза АПКМ на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в Cu-K( излучении с графитовым монохроматором, в режиме пошагового сканирования (шаг 0,1(, экспозиция в точке от 3 до 10 сек.). Обработка результатов проводилась по специальным программам PHАN %, OUTSET и PROFILE (МИСиС).

Анализ процесса синтеза АПКМ показал, что при применении графита МПГ-6 необходимо увеличение температуры нагрева на 50-100 градусов для его осуществления. Кроме того, наблюдается протекание инкубационного периода в течение 1,5-2 секунд, т.е. после создания давления и температуры в КВД синтез алмаза начинается не сразу, а по истечении определенного времени. При синтезе из графитов МГОСЧ и МГ-1ОСЧ инкубационный период образования композитов не наблюдался. Наличие инкубационного периода наблюдалось и ранее при синтезе алмазных поликристаллов из углеродных материалов, не прошедших стадию высокотемпературной графитации.

При образовании АПКМ не вся графитовая заготовка превращается в алмаз. Непрореагировавший графит представляет собой цилиндр диаметром 4 мм, высотой 2 мм. Рентгеновская съемка образца с торцевой поверхности, со стороны алмазного композита, параллельно оси камеры высокого давления, показала, что графит приобретает высокую текстуру в направлении [0001], параллельном оси камеры высокого давления, где имеет место градиент по давлению. Полюсная плотность для графита в этом случае составляла 4-8 ед. по сравнению с 1-1,5 ед. в исходном состоянии.

Необходимо отметить особенности структурных изменений в графите после термобарической обработки. При изучении фазового состава графитов в исходном состоянии оказалось, что все они представляют собой неоднородные материалы и имеют несколько фаз с разной степенью графитации. В связи с этим большое значение имеет выбор метода расчета интегральной степени графитации. Расчет степени графитации различных фаз графита, полученный из центра масс линии d002, проводили по формуле (1):

где: (1МГОСЧ1 - степень графитации первой фазы графита МГОСЧ первой партии; d002 - межплоскостное расстояние данной фазы графита, 3,44 -максимальное межплоскостное расстояние графитированной фазы, при превышении данного расстояния считали фазу со степенью графитации ( =0; 3,354 - межплоскостное расстояние графита с совершенной структурой.

Кроме того, определяли усредненную степень графитации для различных графитов из отношения интегральных интенсивностей линий I112/I110 и по графику, представленному Касаточкиным В.И. и Каверовым А.Т. (Доклады АН СССР. –1957. –Т.117, № 5. –С. 837-840). Результаты рентгеноструктурного изучения графитов представлены в таблице 3.


загрузка...