Анализ процесса превращения в алмаз тонкого слоя графитоподобного углерода на поверхности детонационного наноалмаза

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.

1. Синтез и спекание сверхтвердых материалов для производства инструмента / Н. П. Беженар [и др.]; под ред. П. А. Витязя, В. З. Туркевича. – Минск, 2021. – 337 с.

2. Даниленко, В. В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В. В. Даниленко. – М., 2003. – 272 с.

3. 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.0000011496.15996.44

4. Витязь, П. А. Синтез и применение сверхтвердых материалов / П. А. Витязь, В. Д. Грицук, В. Т. Сенють. – Минск, 2005. – 359 с.

5. Кристаллизация алмаза / Д. В. Федосеев [и др.]. – М., 1984. – 136 с.

6. 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.

7. 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.54.2150

8. Diamond 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.2015.02.005

9. Transformations 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)00217-4

10. Синтез 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.

11. Долматов, В. Ю. Детонационные наноалмазы. Получение, свойства, применение / В. Ю. Долматов. – СПб., 2011. – 536 с.

12. 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.2013.08.085

13. Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение / П. А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя. – Минск, 2013. – 381 с.

14. 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/b710189a

15. Физические свойства алмаза: справ. / Н. В. Новиков [и др.]; под ред. Н. В. Новикова. – Киев, 1987. – 188 с.

16. 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.