Лекция 18. СВЕРХТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА

• Твёрдость – свойство материала оказывать

сопротивление вдавливанию в него более твёрдого недеформируемого наконечника (индентора).

•Сверхтвёрдые материалы – моно- и поликристаллические вещества, микротвёрдость которых больше микротвёрдости корунда.

•Из природных сверхтвёрдых материалов существует только алмаз, все остальные – синтетические материалы.

•В 1811 г. Моосом была предложена шкала для определения твёрдости различных материалов, в соответствии с которой некоторые материалы принимают за эквивалент твёрдости:

•алмаз – 10;

•корунд (Al2O3) – 9;

•кварц – 7;

•апатит Ca10(F, Cl)2(PO4)6 – 5;

•кальцит – CaCO3 - 3;

•тальк (Mg/Fe/Ni)3(Si4O10)(OH)2 – 1.

Причины необходимости производства СТМ

•Появление новых труднообрабатываемых материалов (керамика, жаро- и коррозионностойкие сплавы, угольные волокна).

•Ужесточение требований к качеству поверхностей (шероховатость, точность размеров). Только СТМ позволяют проводить обработку материалов при минимальной температуре в зоне резания исключая дефектность и изменение в структуре. Также СТМ позволяют сократить затраты времени на обработку.

•Необходимость экономии вольфрама.

Свойства класса СТМ обеспечивают:

•направленная ковалентная связь атомов в кристаллической решётке;

•высокая локализация валентных электронов и образование наиболее энергетически устойчивых электронных конфигураций на субатомном уровне;

•симметричное строение атомных связей в кристалле;

•число ковалентных связей не менее трёх.

Пирамиды твёрдости зависимость твёрдости материала от его

химического состава, выраженная графически

•Твердость вещества может быть аналитически выражена через энергию межатомных связей, уровень ковалентности, межатомное расстояние, характеристики сопротивления деформированию (b) и разрушению (L).

•Межатомное расстояние в сверхтвёрдых материалах должны быть малыми, ковалентные связи жёсткими и направленными, число связей больше 3-х, упаковка должна быть наиболее плотной. Таким условиям по своему строению удовлетворяют следующие элементы:

Be, B, C, N, O, Al, Si, P.

•Наиболее прочные и твёрдые из веществ являются соединениями этих элементов с переходными металлами:

Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W.

Формы существования углерода:

•1. алмаз sp3 – гибридизация ;

•2. графит sp2 – гибридизация :

•а) гексагональный;

•б) ромбоэдрический;

•в) аморфный;

•г) неупорядоченный;

Свойства алмаза

•(«ал - мас» - твердейший)

•Высокая твёрдость 10000 кгс/мм2.

•Высокий модуль упругости 90000 кгс/мм2.

•Хрупкость по некоторым направлениям.

•Высокая теплопроводность (выше, чем у других твердых неметаллов).

•Высокая износостойкость.

•Изолятор или полупроводник.

•Инертен к воздействию кислот и щелочей.

•Термическая стойкость

-на воздухе – до 850 – 900°C (затем сгорает)

-в вакууме – графитизируется при 1000 –1200°С.

•Люминесценция – светится в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах. Наибольшей износостойкостью обладают нелюминесцентные алмазы.

•Сцинтилляция – возникновение световых вспышек и импульса электрического тока при попадании быстрых заряжённых частиц (на этом свойстве основаны сцинтилляционные счётчики).

•Адгезионная способность к металлам (Ni, Co и др.).

•Диффузионная способность в металлы.

•Адгезия к животным жирам.

Научные предпосылки для синтеза алмаза:

•1. Алмаз, уголь, графит – одно химическое вещество, следовательно алмаз можно изготовить из графита.

•2. Удельный вес алмаза (плотность) – 3,5 г/см3, графит – 2,2 г/см3, уголь – 1,3 г/см3. То есть, необходимы высокие давления для создания более плотной упаковки.

•3. Алмаз в природе зарождается в глубине земли, где существуют высокие температура и давление. Необходимо создать эти условия.

•4. Алмаз встречается в каменных и железных метеоритах, значит железо – подходящая среда для появления алмаза.