ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ
СИНТЕТИЧЕСКОГО МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА

Хайдаров Камбарали

канд. физ-мат. наук, зав. лаборатории Сверхтвердых материалов,

Институт физико-технических проблем и материаловедения

им. акад. Ж. Жеенбаева НАН КР,

Кыргызская Республика, г. Бишкек

E-mail: kyrgyzalmaz@mail.ru

Минбаева Баарыгул Донбаевна

мл. науч. сотр. лаборатории сверхтвердых материалов,

Институт физико-технических проблем и материаловедения

им. акад. Ж. Жеенбаева НАН КР,

Кыргызская Республика, г. Бишкек

E-mail: baarigul @mail.ru

THE INFLUENCE OF THE LASER RADIATION ON THE STRENGTH
OF THE SYNTHETIC MONOCRYSTAL DIAMOND

Kambarali Khaidarov

candidate of physical and mathematical sciences, manager of laboratory Super solid materials,

Institute of Physical and Technical Problems and Materials Science

named acad. J. Jeenbaeva NAS KR,

Kyrgyzstan, Bishkek

Barygul Minbaeva

junior researcher of laboratory Super solid materials, Institute of Physical and Technical Problems and Materials Science named acad. J. Jeenbaeva NAS KR, Kyrgyzstan, Bishkek

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований влияния лазерного излучения на прочность синтетического монокристаллического алмаза. Обнаружено увеличение разрушающей нагрузки образцов различных типов при определенных плотностях потока энергии лазерного излучения.

ABSTRACT

The results of the researches of the influence of the laser radiation on the strength of the synthetic monocrystal diamond are given. The increase in breaking load of various samples at specific laser radiation energy density fluxes is found.

Ключевые слова: синтетический алмаз; монокристалл; лазерные излучения; плотность потока энергии; прочность; графит.

Keywords: synthetic diamond; monocrystal; laser radiation; energy density flux; strength; graphite.

Свойства искусственно выращенных алмазов давно изучаются во многих работах, например, [2; 4; 5; 7; 8]. Несмотря на это, исследований, направленных на модификацию физико-механических свойств синтетического алмаза (СА), в том числе воздействием лазерного излучения, малочисленны. В работах [1; 3] сообщались о влиянии лазерного излучения (ЛИ) на механические свойства и структуру поликристаллов СА.

В данной работе представлены результаты изучения прочностных свойств монокристаллов СА после взаимодействия с лазерным излучением. Исследовано изменения разрушающей нагрузки монокристаллических образцов различных размеров в зависимости от плотности потока энергии падающего лазерного излучения в диапазоне 0,6÷14,3 кДж/см² на длине волны 1064 нм. Исследованы образцы двух типов: I-прозрачно-желтого и II-темного цвета. Обнаружено увеличение разрушающей нагрузки образцов обоих типов при определенных плотностях потока энергии лазерного излучения. Определены области значения плотности потока энергии лазерного излучения, при которых происходит разупрочнение кристаллов алмаза, связанное с полиморфным превращением алмаза в графит.

2.1. Методика эксперимента и подготовка образцов.

Монокристаллы СА для исследований были выращены в условиях высокого давления и высоких температур в системе «графит – металл-растворитель». В качестве металла-растворителя использовался сплав никеля с марганцем. Монокристаллы СА кубооктаэдрического габитуса зернистостью 400/315, 500/400 и 630/500 мкм извлекались из продуктов пресс – спекания и классифицировались по зернистости и форме известными способами [4].

Исследования проводились на монокристаллах СА зернистостью 630/500, 500/400 и 400/315 мкм, поскольку порошки СА этих размеров представляют не только научный, но и практический интерес. Последний связан с тем, что именно указанные зернистости монокристаллов СА являются основным компонентом для создания композиционных алмазосодержащих материалов инструментального назначения, используемых при резке природного камня и других неметаллических высокотвердых материалов.

Определение показателя прочности образцов СА проводилось (согласно требованиям [6]) на приборе ДА-2М конструкции ИСМ НАН Украины. По показателю прочности монокристаллы зернистостью 630/500 мкм соответствовали шлифпорошкам марки АС80, а монокристаллы зернистостей 500/400 и 400/315 мкм – АС100 [6]. Исследуемые монокристаллы имели в основном кубооктаэрический габитус.

При визуальном наблюдении монокристаллов СА по цвету было обнаружено, что большая часть кристаллов имеет прозрачно-жёлтый цвет, а на долю непрозрачных кристаллов приходится всего 10÷15 % от их общего количества.         По цветному признаку исследуемые кристаллы разделялись на две группы: I-тип – прозрачно-желтые и II-тип – темные.

Эксперименты по изучению воздействия лазерного излучения (ЛИ) на монокристаллы алмаза проводились с использованием твердотельного неодимового лазера непрерывного режима на длине волны 1064,1 нм. В работе плотность мощности ЛИ, которой воздействовали на образцы монокристаллического СА, изменялась двумя способами. В одном случае варьировалось время облучения образца ЛИ, а интенсивность ЛИ была постоянной. В другом случае изменялась интенсивность ЛИ при неизменном времени облучения. Интенсивность ЛИ изменяли за счет варьирования силы тока, питающего лампу накачки. Прямые измерения интенсивности ЛИ в работе не проводились. О плотности потока энергии (мощности) ЛИ судили по изменениям силы тока накачки. Зависимость между этими величинами определялось заранее, и она была практически прямолинейной.

Плотность потока энергии ЛИ, воздействующего на образец, рассчитывалась по формуле:

                                                                   (1)

где: Р-мощности ЛИ, t-время облучения, S-площадь пучка ЛИ.

2.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

За основную характеристику прочности образца монокристаллов СА принята величина нагрузки, при которой разрушается данный образец, так называемый показатель прочности [6].

В процессе экспериментальных работ наибольший интерес вызывали монокристаллы СА зернистостью 630/500 мкм в связи с тем, что именно в этих образцах наблюдался упрочняющий эффект воздействия ЛИ при постоянной плотности потока энергии Е=0,6 кДж/см².

Было интересно выяснить, будет ли возрастать прочность указанных образцов при изменении Е лазерного излучения на поверхности СА путем изменения мощности излучения и при постоянном времени воздействия. Результаты соответствующих экспериментов приведены в табл. 1. Эти результаты указывают на то, что оптимальной мощностью ЛИ, при которой наблюдается максимальное возрастание разрушающей нагрузки, соответствует значению 32,5 Вт. Эта зависимость наблюдается как для желтых, так и для темных кристаллов.

Таблица 1.

Разрушающие нагрузки (Н) для монокристаллов СА 630/500 при изменении мощности ЛИ при постоянном времени воздействия ЛИ

Результаты, заслуживающие внимания, получаются, если воспользоваться не величиной разрушающей нагрузки, а коэффициентом ее изменения, рассчитанным по формуле

                                              (2)

где: Р₀ и Р₁ – значения разрушающей нагрузки, соответственно, до и после воздействия ЛИ.

Значения коэффициента К для монокристаллов СА с зернистостью 630/500 мкм в зависимости от плотности потока энергии ЛИ в двух режимах облучения: а) при изменении времени облучения при постоянной мощности и б) при изменении мощности ЛИ при постоянном времени облучения представлены в табл. 2 и 3, соответственно. В этих таблицах отрицательные значения К соответствуют разупрочнениям кристаллов.

Таблица 2.

Коэффициент изменения прочности (%) монокристаллов СА зернистости 630/500 мкм с ростом плотности потока энергии ЛИ (Е) при различных временах облучения при постоянной мощности ЛИ

Таблица 3.

Коэффициент изменения прочности (%) монокристаллов СА зернистости 630/500 мкм с увеличением плотности потока энергии ЛИ (Е) при различной мощности ЛИ при постоянном времени облучения

Анализ приведенных данных показывает, что коэффициент упрочнения для темных образцов 2÷39 %, тогда как коэффициент разупрочнения меняется для темных кристаллов в интервале 7÷20 %, а для прозрачно-желтых кристаллов – 2÷40 %, что в два раза превышает коэффициент разупрочнения темных кристаллов.

Анализ результатов зависимости разрушающей нагрузки от плотности энергии Е ЛИ показывает, что значения Е, приводящие к упрочнению образцов I-типа, имеет меньшую величину, чем для образцов II-типа. Дальнейшее увеличение Е приводит к разупрочнению образцов обоих типов. Однако этот процесс более интенсивно идет в прозрачно-желтых кристаллах, чем в темных образцах. Для последних разупрочнение наступает при более высоких плотностях энергии ЛИ. Такое поведение Р(Е) объясняется тем, что в прозрачно-желтых монокристаллах СА содержится меньшее количество различного рода дефектов, в том числе примесей графита и металла-растворителя, чем в темных кристаллах. Образцы I-типа оптически пропускает большую часть лазерного излучения по сравнению с образцами II-типа. Поглотителями ЛИ являются примеси металла-растворителя и графита, захватываемые растущим кристаллом, а алмазная матрица прозрачна для длины волны 1064 нм. За счет поглощенной энергии лазерного ИК – излучения примеси металла разогреваются до высоких температур, вплоть до температуры плавления. Расплавленные металлические примеси заполняют микротрещин и микропоры алмазной матрицы и, тем самым, приводят к увеличению разрушающей нагрузки. При дальнейшем увеличении Е расплавленный металл выходит на поверхность кристалла и, возможно, испаряется, наряду с этим, по-видимому, происходит частичная графитизация алмаза, эти процессы в совокупности приводят к разупрочнению кристаллов алмаза при больших значениях энергии ЛИ.

Поскольку образцы II-типа, содержат большое количество примесных дефектов, поэтому в них ЛИ поглощается примесными включениями, находящимися в приповерхностном слое кристалла. В отличие от образцов I-типа, здесь нагрев идет от поверхности в глубь кристалла. Поэтому в образцах II-типа увеличение разрушающей нагрузки наблюдается при более высоких энергиях ЛИ.

Выводы:

1. Обнаружено увеличение показателя прочности монокристаллов СА после воздействия ЛИ, связанное с заполнением микротрещин и микропор алмазной матрицы расплавленной металлической примесью.
2. Определены значения энергии потока падающего ЛИ, при которых происходит разупрочнение кристаллов алмаза, связанное с полиморфным превращением алмаза в графит.

Список литературы:
1.    Жеенбаев Ж., Хайдаров К., Минбаева Б.Д. Влияние лазерного излучения на прочность фазового состояние синтетического поликристаллического алмаза. Изв. НАН КР, – Бишкек. 2002. – 4 – 11–14 с.
2.    Кожогулов О.Ч., Хайдаров К., Мальнев В.И. Исследование механических свойств алмазов АРК // Сверхтвердые материалы. 1993 – XII – С. 24–26.
3.    Минбаева Б.Д., Хайдаров К. Влияние лазерного излучения на структуру синтетического поликристаллического алмаза. Научный журнал «Физика», – Бишкек. 2013, № 3, С. 41–45.
4.    Новиков Н.В., Федосеев Д.В., Шульженко А.А.,и др. Синтез алмазов. Под ред. Новикова Н.В. – Киев: Наук. Думка,1987. – 160 с.
5.    Получение, свойства сверхтвердых материалов и перспективные технологии их применения: Сб. науч. тр. // АН УССР. Институт сверхтвердых материалов. – Киев.1990. – 148 с.
6.    Порошки алмазные. Технические условия. – ГОСТ 9206 – 88Е. – М: Изд. стандартов – 1987. – 45 с.
7.    Физико-химические свойства сверхтвердых материалов и методы их анализа. Сб. науч. тр. / АН УССР. Ин-т сверхтвердых материалов. – Киев. 1987 – 116 с.
8.    High Pressure Science and Technology: Proc. XIth AIRAPT Iut. Conf.: In 4 vol. / International Association for the Advancement of High Pressure Science and Technology. – Kiev: Naykova Dumka. – 1989. – vol. 1–4