| Название: | Синтез сверхтвердых кристаллических соединений в системе бор-углерод-азот при высоком давлении и высокой температуре |
| Грантодатель: | РФФИ |
| Область знаний: | 02 - ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ |
| Ключевые слова: | сверхтвердые кристаллические соединения, синтез, алмаз, нитрид бора, карбид бора, нитрид углерода, высокое давление |
| Время действия проекта: | 2012-2014 |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Шахов,ФМ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 12-02-00108 |
| Финансирование 2012 г.: | 500000 |
| Исполнители: |
Коняхин,СВ: лаб. физики кластерных структур (Дидейкина,АТ)
Швидченко,АВ: лаб. физики кластерных структур (Дидейкина,АТ)
Шестаков,МС: лаб. физики кластерных структур (Дидейкина,АТ)
Яшин,ВА : None
|
В тройной системе B-C-N теоретически предсказано существование целого ряда сверхтвердых кристаллических фаз, изоэлектронных углероду и существующих в различных аллотропных модификациях. Алмаз и кубический нитрид бора, объемные кристаллы которых получают при высоком давлении и температуре, нашли наиболее широкое применение в абразивной промышленности благодаря своей высокой твердости и абразивной способности. Сверхтвердые материалы определяют обычно как материалы, обладающие твердостью по Виккерсу более 40 ГПа. Такие материалы, как правило, имеют уникальные свойства, такие как высокий предел прочности при сжатии, высокое сопротивление сдвигу, высокие модули объемного сжатия, высокую температуру плавления, химическую инертность, высокую теплопроводность. Создание материалов, сравнимых по твердости с алмазом, представляет значительный научно-технический интерес. С технической точки зрения, перспективным считается не только создание материала, превосходящего по твердости алмаз, но также и материала, который бы превосходил по твердости кубический нитрид бора, и не уступал ему по химической и температурной стабильности. Это тем более важно, поскольку алмаз не пригоден для обработки карбидообразующих металлов, таких как железо, кобальт и ряда др. Сходные атомные размеры B, C и N позволяют рассчитывать на синтез алмазоподобных кристаллических фаз в этой системе элементов. В работе 1989 года [1] и [2] теоретически показано, что соединение C3N4 может существовать в различных кристаллических состояниях, таких как а-C3N4, b-C3N4, графитоподобный C3N4 (g-C3N4), псевдо-кубический C3N4 и кубический C3N4. Наибольший практический интерес представляет b-C3N4, поскольку теоретически предсказанная твердость такого кристалла сравнима с твердостью алмаза. Это объясняется тем, что химическая связь между углеродом и азотом имеет ковалентный характер, а длина связи мала, по сравнению с более тяжелыми химическими элементами. С фундаментальной точки зрения интерес представляют так же и другие фазы. Кубическая и псевдокубическая фазы C3N4 являются метастабильными при нормальных условиях. В работе [3] сообщается о получении нанокристаллов кубической фазы BC2N. Твердость по Виккерсу этих кристаллов равна 76 ГПа и находится между твердостью алмаза (111) - 115 ГПа и твердость кубического нитрида бора - 62 ГПа. В работе 2002 года [4] сообщается о получении нанокристаллов с-BC4N в алмазных наковальнях. Твердость этих кристаллов на 10% выше, чем в с-BC2N. В работе 2008 года [5] теоретически уточняется структура кубической фазы BC4N. В литературе известно [6] получение из газовой фазы пленок в системе B-C-N (C3N4, BCN и BC3), прочность которых выше, чем у кубического нитрида бора, и приближается к прочности алмаза. Цель настоящей работы - получение объемных кристаллических соединений в системе B-C-N при высоком давлении и температуре. Прямой переход графита в алмаз возможен при температуре более 3000 0С и давлении более 13 ГПа, в то время как каталитический переход графит - алмаз возможен уже при давлении 4 ГПа и температуре 1300 0С. Прямой переход графитоподобной фазы BN-C в алмазоподобную был экспериментально получен в 2005 году при давлении более 18 ГПа и температуре более 2200 К [7]. Прямой переход g-BC1.6 в алмазоподобную BC1.6 фазу наблюдался в 2006 году при давлении 45 ГПа и температуре 2230 К [8]. В работе 2007 года сообщается о прямом фазовом переходе g-BC3 в алмазоподобную структуру d-BC3 при давле-нии 50 ГПа и температуре 2033 К [9].Очевидно, что применение катализаторов также может понизить и параметры синтеза BCN и b-C3N4 и других сверхтвердых кристаллических материалов в системе B-C-N. Из приведенных литературных данных видно, что в системе B-C-N есть много кристаллических фаз, прочность которых превышает прочность кубического нитрида и приближается к прочности алмаза. Однако лишь некоторые соединения удалось получить, причем при давлениях, существенно превышающих давления промышленного синтеза алмаза и кубического нитрида бора, а размер синтезированных кристаллов не превышает 10-ки нанометров. Целью данного проекта является синтез сверхтвердых микрокристаллических соединений, твердость которых приближается к алмазу, а химическая и температурная стабильность сравнима с кубическим нитридом бора. Актуальной задачей является также задача понижения параметров синтеза (давление и температура), как за счет нахождения и использования новых катализаторов процесса, так и за счет использования выделяющейся в процессе синтеза внутренней энергии применяемых химических соединений.
Литература: 1. A.Y. Lie, M.L. Cohen. Science. 245 (1989) 841. 2. A.Y. Liu, R.M. Wentzcovitch. Phys. Rev. B 50 (1994) 103662. 3. N. V. Novikov, S. N. Dub, J. Hard Mater. 2 (1991) 3. 4. Y. Zhao, D.W. He, L.L. Daemen, T.D. Shen, R.B. Schwarz, Y. Zhu, D.L. Bish, J. Huang, J. Zhang, G. Shen, J. Qian, T.W. Zerda. J. Mater. Res. 17 (2002) 3139. 5. X. Luo, X. Zhou, Zh. Liu, J. He, B. Xu, D.Yu, H. Wang, Y. Tian. J. Phys. Chem. C 112 (2008) 9516. 6. Y. S. Gu, Y. P. Zhang, Z. J. Duan, X. R. Chang, Z. Z. Tian, N. X. Chen. J. Mater. Sci. 34 (1999) 3117. 7. V.L. Solozhenko, E. Gregoryantz. Materialstoday. 11 (2005) 44. 8. P.V. Zinin, L.C. Ming, I. Kudryashov, N. Konishi, H. Manghnani, S. K. Sharma. J. Appl. Phys. 100 (2006) 013516. 9. P.V. Zinin, L.C. Ming, I. Kudryashov, N. Konishi, S. K. Sharma. J. Raman Spec. 38 (2007) 1363.
