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 об’єкту відрізняються між собою залежно від способу й умов визначення, зіставляти твердість різних об’єктів 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 пов’язана 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 зв’язувал. фази (матриці) — полімерів, кераміки або метал. сплавів. На полімер. зв’язці створюють матеріали з наповнювачем із нітридів кремнію і бору, матеріали антифрикцій. призначення, абразивні стрічки, притири, круги із карбіду бору. На керам. зв’язці виробляють осн. масу абразив. кругів із електрокорунду та карбокорунду. На метал. зв’язці 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».
Рекомендована література
- Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах // УХ. 1939. Т. 8, № 10;
- Стрельницький В. Є. Рентгенографічне дослідження метастабільної модифікації кубічного алмазу // Доп. АН УРСР. Сер. А. 1976. № 5;
- Курдюмов А. В., Пилянкевич А. Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. К., 1979;
- Францевич И. Н., Гнесин Г. Г., Курдюмов А. В. и др. Сверхтвердые материалы. К., 1980;
- Верещагин Л. Ф. Избранные труды. Твердое тело при высоких давлениях. Москва, 1981;
- Трефилов В. И., Ночевкин С. А., Саввакин Г. И. и др. Формирование микроструктуры поликристаллов в процессе спекания порошков алмаза детонационного синтеза // Докл. АН СССР. 1985. Т. 283, № 6;
- Синтетические сверхтвердые материалы: В 3 т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов. К., 1986;
- Шульженко А. А., Гаргин В. Г., Шишкин В. А., Бочечка А. А. Поликристаллические материалы на основе алмаза. К., 1989;
- Шульженко А. А., Божко С. А., Соколов А. Н. и др. Спекание и свойства кубического нитрида бора. К., 1993;
- Даниленко В. В. Синтез и спекание алмаза взрывом. Москва, 2003;
- Научная школа Института сверхтвердых материалов. К., 2017;
- Туркевич В. З. Синтез та спікання надтвердих матеріалів: термодинаміка та кінетика // Вісн. НАНУ. 2018. № 1;
- Лысаковский В. В., Новиков Н. В., Ивахненко С. А. и др. Выращивание структурно совершенных монокристаллов алмаза при высоких давлениях и температурах // СМ. 2018. № 5;
- Шульженко А. А., Соколов А. Н., Гаргин В. Г. Новые сверхтвердые материалы на основе алмаза: получение, свойства // Там само;
- Бочечка О. О. Фізико-хімічні основи спікання алмазних порошків під дією високого тиску та високої температури. К., 2019.
Завантажити статтю
