Совместная работа ученых из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» и ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» посвящена изучению процесса превращения алмаза в графит. Эта работа имеет значение для создания инновационных методов обработки алмазов и увеличения области их использования в различных технических приложениях. Статья об этом опубликована в журнале Международный журнал по изворотливых металлов и твердых материалов .
В обычных условиях алмаз представляет собой метастабильную форму углерода. Под воздействием высоких температур при нормальном атмосферном давлении алмаз переходит в графит. Исследования показали, что трансформация начинается с граней кристалла, и этот процесс протекает последовательно и с возможностью прогнозирования. Неполная трансформация в графит изменяет структуру поверхности алмаза, что создает перспективы для его использования в современных устройствах и оборудовании.
«Для создания инструментов и устройств с применением алмазов недостаточно простого введения кристаллов в металлическую среду. Необходимо их надежное закрепление в металлической матрице. Основная трудность заключается в том, что некоторые металлы, такие как медь, обладают плохой смачивающей способностью по отношению к поверхности алмаза. Поэтому поверхность кристаллов предварительно обрабатывается металлом, обеспечивающим смачивание алмаза или формирующим карбидные фазы – твердые соединения металла с углеродом, повышающие прочность сцепления. К примеру, при создании композита с использованием меди, на поверхность алмазных кристаллов наносят тонкий слой железа или вольфрама. Создание слоя графита на поверхности алмаза также способствует надежному соединению с металлом. Такой метод позволяет алмазу прочно фиксироваться в изделиях и выдерживать значительные нагрузки, — отмечает ведущий научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, доктор химических наук Борис Борисович Бохонов.
Сотрудники ИХТТМ СО РАН осуществляют подготовку поверхности алмазов для последующего использования в композиционных материалах, а эксперты ИГиЛ СО РАН изготавливают композитные образцы, соединяя обработанные алмазы с металлической матрицей посредством спекания. В процессе исследований выявлены несколько необычных характеристик. В частности, установлено, что покрытия способны образовываться избирательно на конкретных гранях синтетических алмазов.
Современные технологии позволяют точно наносить металлический слой на квадратные или шестиугольные участки, образуя поверхность кристалла. Это создает многообещающие возможности, поскольку наличие различных металлов на разных гранях может изменить свойства материалов и регулировать их теплопроводность.
Электроискровое спекание осуществляют в Институте гидродинамики им. Л.И. Семеннова СО РАН на специализированном оборудовании, функционирующем в вакууме. Метод предполагает, что смесь порошков помещают в пресс-форму, где она одновременно сжимается и подвергается воздействию электрического тока. Процедура направлена на получение композиционного материала, включающего металлическую основу и внедренные частицы алмаза.
«Изучение превращения алмаза в графит сопряжено с рядом технических трудностей. Ключевая проблема заключается в том, что формирование графита приводит к прохождению электрического тока через исследуемый образец. Управление величиной этого тока становится затруднительным, поскольку часть тока проходит и через графитовую оснастку. В связи с этими сложностями эксперименты по изучению графитизации алмаза проводились в отдельных высокотемпературных печах, где поддерживались условия высокого вакуума и температуры в диапазоне 1600—1800 °C. Так пояснила ведущий научный сотрудник Института геологии алмазов СО РАН, доктор технических наук Дина Владимировна Дудина.
В процессе исследования применялись разнообразные методики. Ключевым инструментом в данной работе выступил растровый электронный микроскоп. Для более подробного изучения структуры и морфологии полученных материалов также использовались рентгеновская диагностика и оптическая микроскопия.
Первоначально ученые исследовали превращение синтетического алмаза в графит и установили, что графит формируется вдоль граней кристалла. Природные алмазы создаются на значительной глубине под поверхностью Земли, приблизительно на отметках от 100 до 200 километров, при очень высоких температурах и давлении. Искусственный алмаз получают в лабораторных условиях, используя установку с высоким давлением, специализированные катализаторы и высокие температуры, а также чистый углерод в качестве исходного материала. Поскольку механизмы формирования природных и синтетических алмазов различны, в структуре кристаллов также наблюдаются различия.
«По словам Бориса Бохонова, планируется проведение экспериментов с использованием метода дифракции обратнорассеянных электронов для определения ориентации графита по отношению к алмазной структуре. Окончательные выводы будут сформулированы после исследования образцов с использованием аналитического оборудования станции «Микрофокус» в Центре коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов.
При сопоставлении графитизации плоскогранных кристаллов природных и искусственных алмазов значительных отличий не выявлено. Как правило, графитизация протекает упорядоченно, параллельно граням алмаза или под заданным углом к ним. Однако при анализе кривогранных природных алмазов заметно, что процесс превращения алмаза в графит охватывает всю поверхность кристалла. В любом случае, формирующийся графит сохраняет ориентационную связь с кристаллической структурой алмаза.
Изучение этой характеристики дало возможность контролировать формирование тонких слоев графена – материала, образованного атомами углерода, расположенными в шестиугольной решетке. Выявив закономерности роста графита на алмазе, ученые создали способ нанесения графеновых покрытий на алмазные поверхности. Полученные гибридные материалы отличаются высокой прочностью и хорошей электропроводностью.
Данный материал создан при содействии гранта, предоставленного Министерством науки и инноваций Российской Федерации, в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Материалы и фотографии предоставлены Управлением СО РАН по пропаганде и популяризации научных достижений