ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

CHARACTERISTICS OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND FOR HIGH TECHNOLOGY

Alfina Sadykova

Master's Student, Department of Technological Equipment, Mechanical Engineering and Standardization, Karaganda Technical University named after A. Saginov,

Republic of Kazakhstan, Karaganda

Vasily Yurchenko

Scientific Supervisor, PhD, Karaganda Technical University named after A. Saginov,

Republic of Kazakhstan, Karaganda

АННОТАЦИЯ

CVD выращенный алмаз - важный класс материалов. Характеристики такого материала очень сильно зависят от условий обработки CVD, а также на этапах постобработки, которые одинаково важны для эффективного использования этого материала в инженерных приложениях. Есть среды, в которых он подвергается воздействию тепла в экстремальных условиях или трется о твердые керамические поверхности. Алмаз - самый твердый из известных материалов с очень низким коэффициентом трения, что, естественно, делает его подходящей трибологической поверхностью.

ABSTRACT

CVD grown diamond is an important class of materials. The characteristics of such a material depend very much on the CVD processing conditions, as well as on the post-processing stages, which are equally important for the effective use of this material in engineering applications. There are environments in which it is exposed to heat in extreme conditions or rubs against hard ceramic surfaces. Diamond is the hardest known material with a very low coefficient of friction, which naturally makes it a suitable tribological surface.

Ключевые слова: алмаз, поверхность, кристалл, метод.

Keywords: diamond, surface, crystal, method.

Но поверхность выращенного алмаза очень шероховатая по своей природе, и ее необходимо выровнять перед тем, как поместить в настоящую среду. В настоящее время хорошо известно, что зарождение и рост алмаза происходит сначала за счет слияния затравочного слоя на поверхности подложки, а затем на поверхности кристаллов алмаза, растущих столбчатым образом [1]. Такой вертикальный рост кристаллов приводит к тому, что верхняя поверхность становится очень шероховатой, и одновременно может присутствовать некоторая собственная пористость из-за подъема таких вертикальных столбов [2]. С другой стороны, сторона зародышеобразования отдельно стоящего алмаза может иметь некоторую пористость из-за случайной коалесценции островков во время обработки методом CVD. Такого отчета об исследовании площади поверхности и пористости поликристаллического алмаза (PCD), выращенного методом CVD, нет.

Более того, трибологическое воздействие может вызвать повышение температуры во влажных атмосферных условиях, что приведет к разрушению алмазного материала. Таким образом, необходимо, чтобы алмаз, выращенный методом CVD, был хорошо охарактеризован с точки зрения износа и трения [3]. Термостабильность до сих пор изучалась многими авторами, но ей не хватает должной оценки температуры окисления, поскольку до сих пор использовались только стандартные печи. Здесь впервые были использованы методы термогравиметрического анализа и дифференциального сканирующего калориметра для точного определения усиления окисления.

Метан или другие составы газа-прекурсора определяют дефекты, присутствующие внутри кристаллов алмаза. Например, высокая концентрация метана может привести к появлению многих дефектов роста CVD, из-за которых выросшее покрытие становится черным / серым; тогда как более чистые условия обработки с низким процентным содержанием метана могут сделать алмазное покрытие белым или прозрачным. Точно так же бор или азот в газах-прекурсорах делают алмаз голубым или желтым из-за атомных дефектов замещения введен в решетку алмаза [4]. Такие дефекты замещения изучаются с помощью фотолюминесценции, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, тогда как точечные, линейные, плоские или объемные дефекты во время CVD-роста могут просматриваться под просвечивающим электронным микроскопом. Этапы последующей обработки, такие как отжиг может потребовать устранить некоторые из этих дефектов [5]. Отжиг также делает алмаз более чистым в отношении графитовых включений. Романовские спектры показывают фазовую чистоту выращенных CVD алмазов. Обычно проводится полировка для уменьшения шероховатости поверхности выращенного алмаза. Трибология таких полированных поверхностей была подробно изучена, но в литературе относительно керамики из нитрида кремния смазывание машинным маслом недостаточно. Более того, из-за очень твердой и шероховатой верхней поверхности, выращенного методом CVD, исследователи не решаются исследовать поверхность только что выращенного PCD с помощью своих дорогих инденторов Берковича или других. Фактически, существует не так много литературы, в которой описаны механические свойства PCD, выращенных методом CVD.

Помимо синтеза, очень важна характеристика PCD, выращенных методом CVD. Некоторые методы, которые часто используются для порошковых образцов, такие как анализ площади поверхности по методу БЭТ, TGA-DSC, измерения размера частиц Zetasizer, описываются здесь впервые для CVD поликристаллических алмазных покрытий. Более того, черные и белые сорта алмаза были выращены и охарактеризованы, но их соответствующие дефекты роста не часто сообщались. Здесь авторы попытались выяснить дефекты роста CVD, которые присутствуют в их выращенных CVD алмазах. После этого образцы PCD были отполированы, чтобы сделать их пригодными для трибологических применений. Позже такие полированные алмазные поверхности были механическики описаны для изучения трибологического воздействия на шарики из нитрида кремния под машинными масляными смазками.

Материалы и методы

Обработка поликристаллического алмаза (PCD)

Образцы поликристаллического алмаза были изготовлены на основе CSIR-CGCRI реактором DT1800, усиленного микроволновой плазмой CVD (MPCVD) на пластинах монокристаллического кремния. Осаждение проводили в течение 4–10 суток для получения алмазных покрытий толщиной 0,5–0,8 мм. Давление и температура в реакторе поддерживались в пределах 110–120 Торр и 900–1100 ° C. Для выращивания алмазных покрытий с входной микроволновой мощностью 9 кВт использовалось 1–3% метана газоводородной смеси. Затем ПКА были изготовлены автономно путем влажного химического травления кремниевых пластин раствором HF:HNO₃:CH₃COOH в соотношении 1:1:1. Такие отдельно стоящие алмазные пластины были вырезаны на диски меньшего диаметра 6 мм с помощью лазерного резака. Затем образец алмаза был установлен горячим способом для полировки выращенной шероховатой поверхности [6]. Механическое полирование производилось с использованием полировального станка Leco, Германия, а затем для химико-механического полирования образцов PCD использовалась машина модели CP4, Bruker, США. Алмазные диски на металлической и на медной связках использовались с разным размером зерна для механической полировки с использованием воды в качестве охлаждающего агента. С другой стороны, химико-механическую полировку алмазных образцов проводили по оксидно-керамическому диску с использованием K₂ S₂ O_8. раствор и концентрированная серная кислота вместе с алмазными пастами. Отдельно был проведен отжиг нескольких образцов алмаза при 600 ° C в течение 1 ч в стандартной воздушной печи.

Физические характеристики PCD

Размер частиц детонационного наноалмаза в затравочной суспензии измеряли прибором Malvern make Zetasizer. Для измерения площади поверхности использовали анализатор площади поверхности Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ); и изотерма адсорбции азота (метод Барретта-Джойнера-Халенда ) была использована для измерения размера и объема пор в отдельно стоящих алмазных покрытиях. Перед измерением образцы дегазировали в вакууме при 100 ° C в течение 1 ч. Термогравиметрический и дифференциальный сканирующий калориметрический анализ отдельно стоящего образца алмаза проводился при скорости нагрева 10 ° C мин ^-1 на синхронном термическом анализаторе (STA 449F, Netzsch, Германия). Рентгеновские дифрактограммы были записаны в диапазоне 20, 30 ° −100 ° при низкой скорости сканирования 1 ° мин − ^1.на рентгеновском дифрактометре с излучением Cu Kα (при 40 кВ и 40 мА). Просвечивающая электронная микроскопия использовалась для оценки дефектов, присутствующих внутри решетки алмаза. Спектрофотометр FTIR / FIR снабженный устройством для измерения отражательной способности с углами падения и отражения, установленными на 22,5°, использовался для исследования непрозрачных и полупрозрачных образцов PCD. Исследования фотолюминесценции, включая измерения излучения проводили на флуоресцентном спектрофотометре, используя ксеноновую дуговую лампу мощностью 60 Вт в качестве источника накачки. Рамановские спектры были получены с использованием STR500, Cornes Technologies, (ранее известный как Seki Technotron) микро-рамановский спектрометр с лазером на ионах аргона (514,5 нм). Разрешение было около 1 см.⁻¹ с размером решетки 1200. Во всех рамановских экспериментах размер лазерного пятна составлял 1-2 мкм, и использовалось 20 секунд, которое повторялось трижды для регистрации рамановских сигналов во время каждого измерения.

Механические и трибологические характеристики PCD

Полированные поверхности образцов PCD просматривали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа ZEISS Supra 35 (Германия) с приставкой EDAX. Шероховатость поверхностей PCD оценивали с помощью контактного профилометра. Нанотвердость и модуль Юнга были измерены методом наноиндентирования на плоском участке поликристаллического алмаза, выращенного методом химического осаждения из паровой фазы, и на боковых поверхностях зародыша. Типичная нагрузка 1000 мН использовалась для экспериментов по наноиндентированию. Стандартный наноиндентор (Fischerscope H100XY _P, Fischer, Швейцария). Машина для наноиндентора работала в соответствии со стандартом DIN 50359-1. Он предлагал диапазон нагрузок 0,4–1000 мН. Он был оборудован индентором Берковича. Индентор имел радиус острия 150 нм. Аппарат использовался в лабораторных условиях окружающей среды (23 ± 4 ° C, относительная влажность 70 ± 5%). Разрешение измерения глубины машины составляло 1 нм. Разрешающая способность устройства для измерения силы составляла 0,2 мкН. Машина была откалибрована с помощью независимой оценки на основе наноиндентирования H ≈ 4,14 ± 0,1 ГПа и E ≈ 84,6 ± 3,5 ГПа для стекла BK7 (Schott, Германия). Этот материал предоставлен поставщиком как стандартный образец. Узел трибометра «шар на диске» использовался для высокоточных и повторяемых испытаний на трение износа во вращательных режимах. Встречная грань представляла собой шар Si ₃ N _4, который был прикреплен к грузовому рычагу, и грузовой рычаг находился непосредственно в контакте с экспериментальной поверхностью диска PCD. Шар из Si ₃ N ₄ диаметром 3 мм совершал круговое движение с приложением нормальной нагрузки 5 Н к поверхности PCD с использованием машинной смазки в лабораторных условиях. Скорость мяча составляла 0,04 м/с. После каждого трибологического эксперимента проводилось исследование на оптическом микроскопе (Olympus BX 51), чтобы узнать радиус изношенного шарика из нитрида кремния.

Список литературы:

1. Азарова Н.В., Матюха П.Г., Полтавец В.В. Удельная себестоимость процесса плоского шлифования ванадиевой быстрорежущей стали кругами из сверхтвердых материалов // Сверхтвердые материалы. – 2008. – № 2. – С. 65-71.
2. Иванов Ю.Ф., Алешина Е.А., Колубаев Е.А., Колубаев А.В., Сизова О.В., Громов В.Е. Закономерности формирования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда при трении // Физ. мезомех. – 2006. – Т. 9. – № 6. – С. 83-90.
3. Куприянов В.А. Мелкоразмерный инструмент для резания труднообрабатываемых материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 136 с.
4. Лоскутов В.В. Шлифование металлов: Учебное пособие для профессинально-технических училищ. – М.: Машгиз, 1962. – 280 с.
5. Матюха П.Г., Габитов В.В. Удельная себестоимость шлифования стали Р6М5Ф3 в зависимости от способа правки и электроэрозионных воздействий на рабочую поверхность кубонитового круга // Сверхтвердые материалы. – 2009. – № 5. – С. 63-69.
6. Никитин А.В. Шлифование труднообрабатываемых материалов импрегнированными кругами как способ их режущих свойств // Инструмент и технологии. – 2010. – №28. – Вып. 2 – С. 52-58.
7. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. / Ю.М. Ковальчук, В.А. Букин, Б.А. Глаговский и др.; Под общей ред. Ю.М. Ковальчука – М.: Машиностроение, 1984. – 288 с.
8. Прогрессивные методы абразивной обработки металлов / И.П. Захаренко, Ю.Я. Савченко, В.И. Лавриненко, С.М. Дегтяренко; Под ред. И.П. Захаренко. – К.: Техника, 1990. – 152 с.
9. Производство высокомарганцовистой стали Гадфильда. Часть 1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.olvia.org
10. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 240 с.
11. Труднообрабатываемые материалы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://iron–lab.ru
12. Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Жигалко Н.И. Основы резания материалов и режущий инструмент. – Минск: Высшая школа, 1975. – 528 с.