Надтверді матеріали

НАДТВЕРДІ́ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали, створені на основі речовин, твердість яких пере­вищує твердість еталон­ної речовини. Не існує термобарич. умов пере­ходу речовин у надтвердий стан (на від­міну від речовин, яким характерна над­провід­ність чи надплин­ність), тому й від­сутні фіз. критерії для виділе­н­ня надтвердих речовин в окремий клас, а ґрунтується воно на якості самої властивості, тобто величині твердості. Оскільки існує багато способів ви­значе­н­ня твердості й одержані значе­н­ня для одного і того ж обʼєкту від­різняються між собою залежно від способу й умов ви­значе­н­ня, зі­ставляти твердість різних обʼєктів коректно за умови проведе­н­ня ви­значе­н­ня її величини одним і тим же способом та за однак. технол. параметрів. Еталон. надтвердою речовиною більшість дослідників вважають корунд (Al₂O₃), величина твердості якого за шкалою Мооса складає 9 одиниць. Найпоширенішим способом ви­значе­н­ня твердості є метод Вік­керса. Твердість корунду, ви­значена цим методом, складає 20,6 ГПа. До Н. м. зараховують перед­усім матеріали, виготовлені на основі фаз високого тиску. Такими є алмаз, кубічний нітрид бору (cBN; див. Матеріали на основі кубічного нітриду бору) та вюрцитоподібний нітрид бору (wBN). Надтвердими є також ковалентні карбіди та нітриди (SiC, B₄C, Si₃N₄), бориди (AlB₁₂), силіциди (B₄Si). Серед металоподіб. тугоплавких сполук ві­домо 57 надтвердих боридів, 15 карбідів, 2 нітриди (див. Металоподібні тугоплавкі сполуки та матеріали на їхній основі). Алмаз ві­домий з давніх часів. Однак історія його одержа­н­ня з неалмаз. сировини бере початок в 1772, коли франц. вчений А.-Л. Лавуазьє встановив хім. природу — будову з атомів карбону. 1939 фізик О. Лейпунський на основі аналізу термодинаміч. характеристик встановив, що алмаз є фазою високого тиску, і вказав на можливий спосіб одержа­н­ня його з графіту шляхом пере­кри­сталізації при взаємодії з роз­чин­ником — залізом за температури понад 1400 °С і тиску понад 6 ГПа. Проте тоді ще не були створ. установки, в яких можна досягти за­значених рівнів тисків і т-р одночасно. Хоча амер. фізик П. Бріджмен роз­робив апарати, в яких за кімнат. температури досягали тисків 10 ГПа і вище. Ґрунтуючись на принципах конструюва­н­ня твердотіл. апаратів високого тиску (АВТ), роз­роблених П. Бріджменом, у 1950-х рр. такі апарати були ство­рені. Зокрема, амер. дослідник Г.-Т. Холл запатентував АВТ типу «белт», його деталі, на які припадало найбільше навантаже­н­ня, виготовляють з твердого сплаву. Вперше у світі алмаз синтезували 1953 Г. Ліандер і Е. Лундблад на спец. прес. установці статич. тиску в лабораторії фірми «ASEA» (Швеція). 1954 група дослідників фірми «Дженерал електрик» (США) Г.-Т. Холл, Ф.-П. Банді, Г.-М. Стронґ, Р.-Г. Венторф та ін. незалежно від попередників здійснили успішну пере­кри­сталізацію графіту в алмаз на АВТ типу «белт». У СРСР алмаз уперше синтезовано 1960 в Ін­ституті фізики високих тисків АН СРСР (м. Троїцьк Моск. обл.) групою науковців під керівництвом Л. Верещагіна. Для синтезу вони викори­стали лабораторну установку, що складалася з преса зуси­л­лям 5 МН та АВТ типу «ковадло з за­глибле­н­ням». Створе­н­ня лаборатор. технології стало основою для подальшого удосконале­н­ня фахівцями Ін­ституту надтвердих матеріалів Держплану УРСР (ІНМ, нині НАНУ; Київ) під керівництвом В. Бакуля кон­струкцій АВТ і прес. установок зуси­л­лям 5–10 МН, процесу пере­кри­сталізації графіту з метою роз­робле­н­ня пром. технології синтезу алмазу. За бл. 3 р. було роз­горнуте пром. великомас­штабне виробництво порошків синтет. алмазу й інструментів на його основі. Удосконале­н­ня способів синтезу алмазу, апаратури високого тиску донині є одним із осн. напрямів наук. роз­роблень ІНМ. На від­міну від алмазу, в природі не існує кубіч. нітриду бору. Його ґратка, як і алмазу, складається з двох гранецентрованих під­ґраток. Кубіч. нітрид бору близький до алмазу за твердістю та модулями пружності, а за терміч. та хім. стійкістю пере­вершує його. Упер­ше cBN одержав 1956 Р.-Г. Венторф (фірма «Дженерал електрик») за тиску понад 4 ГПа та температури понад 1475 К із гексагонал. нітриду бору (hBN) з домішками лужних металів, свинцю, сурми та їх нітридів. Апаратура та технол. устаткува­н­ня, роз­роблені для синтезу алмазу, легко були адаптовані для синтезу cBN, порошки якого й інструменти на його основі стали випускати в пром. мас­штабах у 1960-х рр. в США, Європі та СРСР. Історія створе­н­ня матеріалів на основі ковалент. карбідів, нітридів, боридів, силіцидів і металоподіб. тугоплавких сполук повʼязана з історією створе­н­ня та роз­витку порошкової металургії, методами якої здебільшого одержують ці матеріали. За структур. станом виділяють 4 осн. групи Н. м.: монокри­стали, однорідні полікри­стали, однорідні композити, неоднорідні композити. Технологією одержа­н­ня об­умовлені особливості структур. стану, внутр. і поверх­нева дефектність, характер входже­н­ня домішок у структуру, а отже, і фіз.-хім. властивості матеріалів. Для кожної групи виділяють 3 під­групи, що від­різняються способами отрима­н­ня Н. м. До 1-ї належить одержа­н­ня за екс­тремально високих статич. і динаміч. тисків; до 2-ї — гаряче ізо­статичне пресува­н­ня за високого тиску в газо­статах, електророзрядне спіка­н­ня під високим тиском. При цих способах досягають робочого тиску 10–20 МПа, але реалізують всебічне стиска­н­ня за ізотерміч. умов. До 3-ї групи від­носять плазм. осадже­н­ня, детонаційне напиле­н­ня, тобто способи, при яких високого тиску досягають в твердому тілі в результаті пере­хід. термодинаміч. процесів. Нині процеси одержа­н­ня Н. м. ви­вчають у дослідниц. центрах при провід. фірмах Пд.-Афр. Респ., США, Японії, Китаю, в академ. і галуз. ін­ститутах РФ та Білорусі. В Україні провід. наук. центром в цій галузі, окрім ІНМ, є Ін­ститут про­блем матеріало­знавства НАНУ (ІПМ). В ІНМ під керівництвом В. Туркевича досліджують фазові рівноваги та пере­творе­н­ня за екс­тремально високих тисків і т-р, що є наук. основою роз­робле­н­ня нових технологій створе­н­ня Н. м. Особливий інтерес становлять системи, що є основою формува­н­ня полікри­сталів і композитів на основі cBN. Групи науковців, які очолювали І. Петруша та М. Беженар, успішно реалізували одержані фундам. результати для створе­н­ня таких матеріалів, як теплоніт, киборит та ін. Дослідж. в ІПМ фазових пере­творень в карбоні та нітриді бору, виконані під керівництвом І. Францевича, В. Трефілова, О. Пилянкевича, О. Курдюмова, при­звели до створе­н­ня полікри­сталіч. матеріалу на основі wBN та cBN — гексаніту, синтезу ультрадис­перс. алмаз. порошку з графіту дією на нього детонац. хвилі та його спіка­н­ня в умовах детонації. У цьому ж ін­ституті були продовжені роботи зі синтезу алмазу з вибух. речовин одним із першовід­кривачів цього способу В. Даниленком. З ініціативи М. Новікова в ІНМ колективом вчених на чолі з С. Івахненком створ. технологію вирощува­н­ня структурно досконалих монокри­сталів алмазу в умовах високих тисків і т-р. Виконані дослідж. до­зволили ви­значити закономірності фазових пере­творень та пере­несе­н­ня карбону в метал. роз­чин­никах і роз­робити методи вирощува­н­ня великорозмір. структурно досконалих монокри­сталів алмазу типів Ib, IIa і IIb. Отримані результати стали основою технології виробництва алмаз. продукції для викори­ста­н­ня в електроніці, лазер. техніці, прецизій. мех. оброблен­ні, бурових інструментах. Фундам. дослідж. процесу спіка­н­ня алмаз. порошків під дією високого тиску та високої температури, виконані в ІНМ під керівництвом О. Шульженка, при­звели до створе­н­ня алмазно-твердо­сплав. пластин, термо­стійкого алмаз. полікри­сталіч. матеріалу «АЛТЕКС». Нині тривають роботи з отрима­н­ня нових алмаз. Н. м. різного функціонал. при­значе­н­ня. Одним із напрямів формува­н­ня алмаз. полікри­сталіч. матеріалів із високим рівнем фіз.-мех. властивостей є спіка­н­ня в умовах високого тиску композитів на основі алмаз. нанопорошків, ці роботи очолює О. Бочечка. Знач. обсяг структур. дослідж. вказаних матеріалів виконано спів­роб. ІПМ Г. Олєйник і спів­роб. ІНМ В. Ткачом. Важливим напрямом одержа­н­ня Н. м. є осадже­н­ня алмазоподіб. вуглецевих покрит­тів із фільтрованої вакуумно-дугової плазми. В Україні такі матеріали роз­робляють у ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ в лаб. надтвердих аморф. алмазоподіб. і полікри­сталіч. алмаз. покрит­тів від­ділу іонно-плазм. обробле­н­ня матеріалів під керівництвом В. Стрельницького. Матеріали на основі тугоплавких надтвердих речовин виготовляють насамперед у ви­гляді сплавів, композиц. матеріалів з різним вмістом звʼязувал. фази (матриці) — полімерів, кераміки або метал. сплавів. На полімер. звʼязці створюють матеріали з наповнювачем із нітридів кремнію і бору, матеріали антифрикцій. при­значе­н­ня, абразивні стрічки, притири, круги із карбіду бору. На керам. звʼязці виробляють осн. масу абразив. кругів із електрокорунду та карбокорунду. На метал. звʼязці виготовлюють вольфрам. і без­вольфрам. тверді сплави інструментал. й антифрикцій. при­значе­н­ня. Дослідж. процесів формува­н­ня таких матеріалів лежить в основі діяльності ІПМ. Їх здійснюють наук. школи, засн. І. Францевичем, І. Федорченком, В. Трефіловим, В. Скороходом, Г. Самсоновим, Г. Гнесіним. В ІНМ знач. обсяг дослідж. зі створе­н­ня таких матеріалів виконано колективами фахівців під керівництвом П. Кислого, В. Бондаренка, А. Майстренка, Т. Пріхни. Дослідж. у галузі одержа­н­ня Н. м. в Україні висвітлюють період. вид. «Надтвер­ді матеріали» та «Порошковая ме­­тал­лургия».

Завантажити статтю