danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2023-67-4-331-339dan-1145Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESАнализ процесса превращения в алмаз тонкого слоя графитоподобного углерода на поверхности детонационного наноалмазаAnalysis of transformation of a thin graphite-like carbon layer on the detonation nanodiamond surface into diamondhttps://orcid.org/0000-0001-9950-2120ВитязьП. А.VityazP. A.

Витязь Петр Александрович – академик, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Vityaz Petr A. – Academician, D. Sc. (Engineering), Professor. Chief Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

vitiaz@presidium.bas-net.byhttps://orcid.org/0000-0002-1595-8516СенютьВ. Т.SenyutV. T.

Cенють Владимир Тадеушевич – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Senyut Vladimir T. – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Leading Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

vsenyut@tut.byhttps://orcid.org/0009-0001-2162-2488ПарницкийА. М.ParnitskiyA. M.

Парницкий Александр Михайлович – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Parnitskiy Alexander M. – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

europacorp@tut.byОбъединенный институт машиностроения Национальной академии наук БеларусиJoint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus202301092023674331339Copyright © Витязь П.А., Сенють В.Т., Парницкий А.М., 20232023Витязь П.А., Сенють В.Т., Парницкий А.М.Vityaz P.A., Senyut V.T., Parnitskiy A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1145

Рассмотрен процесс получения наноструктурных алмазных материалов за счет фазового превращения в алмаз тонких пленок на основе неалмазных форм углерода, сформированных на поверхности наноалмаза. Для синтеза наноструктурного алмазного поликристаллического сверхтвердого материала предложены различные варианты исходной шихты на основе наноалмаза с неалмазным углеродом на поверхности (поверхностно-графитизированный наноалмаз, поверхностно-графитизированный наноалмаз с добавкой очищенного наноалмаза, детонационная алмазосодержащая шихта с поверхностным слоем «аморфного» углерода, в т. ч. с добавкой очищенного наноалмаза). Выявлено влияние структуры тонкого неалмазного слоя на параметры перехода графита в алмаз. Для углеродной пленки с неупорядоченной структурой (так называемый аморфный углерод) давление перехода в алмаз составит порядка 10–15 ГПа, что существенно выше давления фазового превращения для тонких пленок графита в данном температурном диапазоне. Показано, что рост давления превращения тонкого слоя «аморфного» углерода вызван его более низкой поверхностной энергией по сравнению с поверхностной энергией графита. Установлено, что область превращения тонкой графитоподобной пленки толщиной порядка 1 нм, сформированной на поверхности наноалмаза размером 2–10 нм, в алмаз будет находиться ниже линии равновесия графит–алмаз в диапазоне температур 1000–2500 °С. Дополнительное введение очищенных частиц наноалмазов приводит к снижению давления превращения тонких слоев неалмазного углерода в алмазную структуру с 10–15 до 2–7 ГПа, что обусловлено влиянием поверхности каталитически активных алмазных наночастиц.

The article considers the process of obtaining nanostructured diamond materials due to phase transformation of thin films based on carbon non-diamond forms on the nanodiamond surface into diamond. For the synthesis of nanostructured diamond polycrystalline superhard material, various variants of the initial mixture based on nanodiamond with non-diamond carbon on the surface are proposed (surface-graphitized nanodiamond, surface-graphitized nanodiamond with addition of purified nanodiamond, detonation diamond-containing charge with a surface layer of “amorphous” carbon, including purified nanodiamond additives). The influence of the structure of a thin non-diamond layer on the parameters of graphite to diamond transition is revealed. For a carbon film with a disordered structure (the so-called “amorphous” carbon), the transition pressure to diamond will be about 10–15 GPa, which is significantly higher than the phase transformation pressure for thin graphite films in this temperature range. It is shown that the increase in the pressure of transformation of a thin layer of “amorphous” carbon is caused by its lower surface energy compared to the surface energy of graphite. It has been established that the region of transformation of a thin graphite-like film with a thickness of about 1 nm, formed on the 2–10 nm nanodiamond surface into diamond will be below the graphite-diamond equilibrium line in the temperature range of 1000– 2500 °C. Additional introduction of purified nanodiamond particles leads to a decrease in the pressure of transformation of thin layers of non-diamond carbon into a diamond structure from 10–15 to 2–7 GPa, which is due to the effect of the surface of catalytically active diamond nanoparticles on the thermodynamic stimulus of phase transformation.

наноалмазнеалмазные формы углеродадиаграмма состоянияфазовые превращенияхимический потенциалнаноструктурный поликристаллический материалnanodiamondnon-diamond forms of carbonstate diagramphase transformationschemical potentialnanostructured polycrystalline materialРабота выполнена при финансовой поддержке БРФФИ (проект № Т23КИТГ-001)The work was carried out with the financial support of the BRFFR (project No. Т23КИТГ-001)ReferencesСинтез и спекание сверхтвердых материалов для производства инструмента / Н. П. Беженар [и др.]; под ред. П. А. Витязя, В. З. Туркевича. – Минск, 2021. – 337 с.Bezhenar N. R. [et al.], Vityaz P. A., Turkhevich V. Z., eds. Synthesis and sintering of superhard materials for tool making. Minsk, 2021. 337 p. (in Russian).Даниленко, В. В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В. В. Даниленко. – М., 2003. – 272 с.Danilenko V. V. Synthesis and sintering of diamonds by explosion. Moscow, 2003. 272 p. (in Russian)Microstructure features of polycrystalline diamond synthesized directly from graphite under static high pressure / H. Sumiya [et al.] // J. of Mater. Sci. – 2004. – Vol. 39, N 2. – P. 445–450. https://doi.org/10.1023/b:jmsc.0000011496.15996.44Sumiya H., Irifune T., Kurio A., Sakamoto S., Inoue T. Microstructure features of polycrystalline diamond synthesized directly from graphite under static high pressure. Journal of Materials Science, 2004, vol. 39, no. 2, pp. 445–450. https://doi.org/10.1023/b:jmsc.0000011496.15996.44Витязь, П. А. Синтез и применение сверхтвердых материалов / П. А. Витязь, В. Д. Грицук, В. Т. Сенють. – Минск, 2005. – 359 с.Vityaz P. А., Gritsuk V. D., Senyut V. Т. Synthesis and Applications of Superhard Materials. Minsk, 2005. 359 p. (in Russian).Кристаллизация алмаза / Д. В. Федосеев [и др.]. – М., 1984. – 136 с.Fedoseev D. V., Deryagin B. V., Varshavskaya J. G., Semenova-Tyan-Shchanskaya A. S. Diamond crystallization. Moscow, 1984. 136 p. (in Russian).Чайковский, Э. Ф. Фазовая диаграмма углерода и возможность получения алмаза при низких давлениях / Э. Ф. Чайковский, Г. Х. Розенберг // Докл. АН СССР. – 1984. – Т. 279, № 6. – С. 1372–1375.Tchaikovsky E. F., Rosenberg G. H. Phase diagram of carbon and the possibility of obtaining diamond at low pressures. Doklady AN SSSR, 1984, vol. 279, no. 6, pp. 1372–1375 (in Russian).Gamarnik, M. Y. Energetical preference of diamond nanoparticles / M. Y. Gamarnik // Phys. Rev. B. – 1996. – Vol. 54, N 3. – Р. 2150–2156. https://doi.org/10.1103/physrevb.54.2150Gamarnik M. Y. Energetical preference of diamond nanoparticles. Physical Review B, 1996, vol. 54, no. 3, pp. 2150–2156. https://doi.org/10.1103/physrevb.54.2150Diamond synthesis in aluminum matrix in molten alkali-halide at ambient pressure / L. A. Yolshina [et al.] // Diamond and Relat. Mat. – 2015. – Vol. 55. – P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.02.005Yolshina L. A., Muradymov R. V., Vovkotrub E. G., Smirnov S. V. Diamond synthesis in aluminum matrix in molten alkali-halide at ambient pressure. Diamond and Related Materials, 2015, vol. 55, pp. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.02.005Transformations of carbon onions to diamond by low-temperature heat treatment in air / S. Tomita [et al.] // Diamond and Relat. Mat. – 2000. – Vol. 9, N 3–6. – P. 856–860. https://doi.org/10.1016/s0925-9635(99)00217-4Tomita S., Fujii M., Hayashi S., Yamamoto K. Transformations of carbon onions to diamond by low-temperature heat treatment in air. Diamond and Related Materials, 2000, vol. 9, no. 3–6, pp. 856–860. https://doi.org/10.1016/s0925-9635(99)00217-4Синтез многослойного графена методом газофазного осаждения на меди / И. А. Костогруд [и др.] // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://scienceeducation.ru/ru/article/view?id=10279. – Дата доступа: 16.06.2023.Kostogrud I. A., Zamchiy A. O., Baranov E. A., Kalyuzhnyy N. A., Zmovzh D. V. Synthesis of few-layer graphene by chemical vapor deposition on copper foil. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya = Modern problems of science and education, 2013, no. 5. Available at: https://science-education.ru/ru/article/view?id=10279 (access 16 June 2023) (in Russian).Долматов, В. Ю. Детонационные наноалмазы. Получение, свойства, применение / В. Ю. Долматов. – СПб., 2011. – 536 с.Dolmatov V. Yu. Detonation of nanodiamonds. Preparation, properties, application. Saint Peterburg, 2011. 536 p. (in Russian).High pressure transformation of graphene nanoplates: A Raman study / Sh. Lu [et al.] // Chem. Phys. Let. – 2013. – Vol. 585. – P. 101–106. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2013.08.085Lu Sh., Yao M., Yang X., Li Q., Xiao J., Yao Z., Jiang L., Liu R., Liu B., Chen S., Cui T., Liu B. High pressure transformation of graphene nanoplates: A Raman study. Chemical Physics Letters, 2013, vol. 585, pp. 101–106. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2013.08.085Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение / П. А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя. – Минск, 2013. – 381 с.Vityaz P. A., ed. Nanodiamonds of detonation synthesis: preparation and use. Minsk, 2013. 381 p. (in Russian).Barnard, A. S. Crystallinity and surface electrostatics of diamond nanocrystals / A. S. Barnard, M. Sternberg // J. Mater. Chem. – 2007. – Vol. 17, N 45. – P. 4811–4819. https://doi.org/10.1039/b710189aBarnard A. S., Sternberg M. Crystallinity and surface electrostatics of diamond nanocrystals. Journal of Materials Chemistry, 2007, vol. 17, no. 45, pp. 4811–4819. https://doi.org/10.1039/b710189aФизические свойства алмаза: справ. / Н. В. Новиков [и др.]; под ред. Н. В. Новикова. – Киев, 1987. – 188 с.Novikov N. V., ed. Physical properties of diamond. Handbook. Kiev, 1987. 188 p. (in Russian).Ножкина, А. В. Физико-химические процессы на межфазной поверхности алмаза с обрабатываемым материалом / А. В. Ножкина, В. И. Костиков, В. Б. Дудаков // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент-техника, технология его изготовления и применения. – Киев, 2012. – Вып. 15. – С. 351–358.Nozhkina A. V., Kostikov V. I., Dudakov V. B. Physical and chemical processes on the interphase surface of diamond with machined material. Porodorazrushayushchii i metalloobrabatyvayushchii instrument-tekhnika, tekhnologiya ego izgotovleniya i primeneniya [Porous cutting and metalworking tools: technology, manufacturing and application]. Kiev, 2012, iss. 15, pp. 351–358 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.