Дослідження закономірностей синтезу алмазів з ростових систем, що містять нетрадиційні розчинники вуглецю на основі цинку - Автореферат

В звязку з викладеним вище актуальним є вивчення особливостей утворення алмазу в двох-та трьохкомпонентній системах Zn-C i Zn-Mg-C, починаючи з побудови невідомої раніше діаграми плавкості системи Zn-C при високому тиску, дослідження фазових рівноваг в системі Zn-Mg-C при високому тиску та послідуючим визначенням оптимальних складів розчинників і р, Т - умов синтезу в цих системах. Задачі досліджень включали вивчення методами металографічного, рентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізів одержаних при тиску 7,7 ГПА сплавів цинку з графітом та цинку з магнієм і графітом з метою експериментальної побудови діаграми плавкості системи Zn-C і вивчення фазових рівноваг в системі Zn-Mg-C; розглядання особливостей процесу синтезу алмазу в системах Zn-C i Zn-Mg-C на основі характеру рівноваг алмазу з розплавом і сполуками, які утворюються в цих системах; визначення оптимальних складів розчинників і р, Т - параметрів синтезу; дослідження морфології і фізичних властивостей одержаних в системах Zn-C i Zn-Mg-C кристалів алмазу (встановлення концентрації парамагнітної домішки азоту, вимірювання електропровідності); вивчення контактної взаємодії цинку з графітом в умовах високих температур і тисків з використанням методики визначення змочування твердих тіл металічними розплавами в умовах високих тисків і температур. Експериментально побудована діаграма плавкості системи Zn-C i встановлені фазові рівноваги в системі Zn-Mg-C при тиску 7,7 ГПА дозволили визначити оптимальні р-Т-С параметри синтезу алмазу в цих системах. Виявилось, що мінімальна температура синтезу в системі Zn-Mg-C складає 1350 °°С при евтектичному співвідношенні компонентів в сплаві-розчиннику, тобто алмази були одержані при температурах, близьких до систем, що містять перехідні метали, наприклад, в системі Ni-C синтез алмазу іде при Т=1400 °С і р=5,4 ГПА. Як відомо, для дослідження закономірностей синтезу алмазу в тій чи іншій системі, необхідне вивчення діаграм стану цих систем, які дадуть змогу визначити мінімальні температуру і тиск, які потрібні для синтезу, а також області стабільних рівноваг алмазу з розплавом.В роботі вирішена важлива наукова задача, яка полягає в визначенні оптимальних параметрів синтезу алмазу в системах з нетрадиційними розчинниками вуглецю - цинком і магнієм на основі вивчення фазових рівноваг в системах Zn-C і Zn-Mg-C. Система Zn-C характеризується наявністю евтектичної рівноваги PUZN ZNC2 при температурі 750°С і перитектичної Р CUZNC2 при температурі 1800°С. Синтез алмазу в системі Zn-C реалізується при температурах вище температури плавлення перитектики за участю карбіду цинку, тобто алмаз кристалізується з пересиченого розчину вуглецю в розплаві. Встановлено зниження куту змочування від 137 при температурі 1600°С до 100 при температурі 2800°С, тобто розчинність вуглецю в цинку збільшується при підвищенні температури, що, очевидно, повязано з впливом високого тиску. Таким чином, алмази були одержані при температурах, близьких до систем з перехідними металами, наприклад, в системі Ni-C синтез алмазу йде при температурі 1400 °С і тиску 5,4 ГПА.

В роботі вирішена важлива наукова задача, яка полягає в визначенні оптимальних параметрів синтезу алмазу в системах з нетрадиційними розчинниками вуглецю - цинком і магнієм на основі вивчення фазових рівноваг в системах Zn-C і Zn-Mg-C.

За результатами роботи зроблено наступні висновки: 1. Вперше побудовано діаграму плавкості системи Zn-C при тиску 7,7 ГПА. Система Zn-C характеризується наявністю евтектичної рівноваги PUZN ZNC2 при температурі 750°С і перитектичної Р CUZNC2 при температурі 1800°С.

2. Синтез алмазу в системі Zn-C реалізується при температурах вище температури плавлення перитектики за участю карбіду цинку, тобто алмаз кристалізується з пересиченого розчину вуглецю в розплаві. Алмази, одержані в системі цинк-вуглець, мають октаедричний габітус. Температурний інтервал синтезу алмазу при тиску 7,7 ГПА складає 1800-2300°С.

3. Визначено залежність крайового куту змочування графіту розплавом цинку від температури при тиску 7,7 ГПА (час нагріву складав 30 с). Встановлено зниження куту змочування від 137 при температурі 1600°С до 100 при температурі 2800°С, тобто розчинність вуглецю в цинку збільшується при підвищенні температури, що, очевидно, повязано з впливом високого тиску. В області контакту краплі розплаву цинку з поверхнею графіту в інтервалі 2100-2400°С виявлено шар алмазів октаедричного габітусу, що свідчить про можливість спонтанного алмазоутворення в системі Zn-C.

4. В потрійній системі цинк-магній-вуглець виявлено потрійну евтектику за участю вуглецю. При евтектичному співвідношенні компонентів в сплаві-розчиннику 70 ат. % Zn - 15 ат. % Mg - 15 ат. % С мінімальна температура синтезу алмазів складає 1350 °С (7,7 ГПА, тривалість синтезу 2 хв). Таким чином, алмази були одержані при температурах, близьких до систем з перехідними металами, наприклад, в системі Ni-C синтез алмазу йде при температурі 1400 °С і тиску 5,4 ГПА.

5. Область синтезу алмазу при тиску 7,7 ГПА в потрійній системі по температурі більш широка, ніж в подвійній системі Zn-C. Нижня температурна межа цієї області лежить при більш низькій температурі (1350°С), ніж для подвійної системи Zn-C (1800°С), тоді як її верхня межа, яка визначена, в основному, р-Т діаграмою вуглецю, для цих двох систем приблизно однакова і відповідає 2300°С при 7,7 ГПА. Таким чином, перевага потрійної системи над подвійними системами Zn-C i Mg-C, що її складають, відносно температури синтезу очевидна.

6. Вимірено електроопір кристалів алмазу, одержаних в системах Zn-C і Zn-Mg-C. Алмази, одержані в системі Zn-C, є ізоляторами. Змінюючи концентрацію магнію в ростовій системі Zn-Mg-C можна одержати синтетичні алмази з різним електроопором: з підвищенням вмісту магнію зменшується їх електроопір.

7. Розроблено рекомендації з управління ступенем перетворення графіту в алмаз, електропровідністю та габітусом кристалів. Це забезпечується, в першу чергу, за рахунок зміни співвідношення між компонентами в системі Zn-Mg-C, а також за рахунок зміни р, Т - параметрів синтезу. Для збільшення ступеню перетворення, зниження р, Т - умов синтезу, зменшення часу процеса синтезу необхідно використовувати сплав евтектичного складу 70 ат. % Zn - 15 ат. % Mg - 15 ат. % С. При цьому алмаз кристалізується безпосередньо з розплаву і оточений рідиною, що позитивно впливає на його якість. Для вирощування великих монокристалів кубічного габітусу рекомендується використовувати сплави, багаті магнієм.

1. Смачиваемость расплавом цинка графита в условиях высокого давления / А.А. Шульженко, И.Ю. Игнатьева, А.С. Осипов, Т.И. Смирнова // Сверхтвердые материалы. - 1999. - № 2. - С. 33-36.

2. Металлографическое и рентгеноспектральное исследование сплавов системы Zn-C, полученных при высоком давлении / А.А. Шульженко, И.Ю. Игнатьева, А.С. Осипов, Т.И. Смирнова // Сверхтвердые материалы. -1999. - № 5. - С. 14-18.

3. Peculiarities of interaction in the Zn-C system under high pressures and temperatures / A.A. Shulzhenko, I.Yu. Ignatyeva, A.S. Osipov, T.I. Smirnova // Diamond and Related Materials. - 2000. - V. 9. - P. 129-133.

4. Диаграмма состояния системы Zn-C при давлении 7,7 ГПА / А.А. Шульженко, И.Ю. Игнатьева, А.С. Осипов, Т.И. Смирнова, С.Н. Дуб, Н.Н. Белявина, В.Я. Маркив // Сверхтвердые материалы. - 2000. - № 4. - С. 10-13.

5. Особенности синтеза алмазов в ростовых системах, содержащих цинк и магний. / А.А. Шульженко, И.Ю. Игнатьева, А.С. Осипов, Т.И. Смирнова, Н.Н. Белявина, В.Я. Маркив // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов: Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ НАН Украины, 2000. - С. 15-22.

Размещено на .ru