Термомеханіка спонтанної кристалізації алмазів в апаратах високого тиску

На зламах зразків, отриманих в результаті синтезу при W 2,5 кВт, зафіксована найбільша за площею зона кристалізації алмазів, яка займає майже 90 % загальної площі зламу (див. мал. 14, б). Основна маса алмазів, що кристалізувалися в даних умовах, має правильну багатогранну форму з гранями, що добре сформувалися (рис. 16, а). Причому можна виділити зони з переважним утворенням кристалів як кубооктаедричного (рис. 16, б), так і октаедричного габітусів

Підвищення при синтезі потужності струму нагріву до 2,8 кВт призводить не тільки до зменшення області кристалізації алмазів (див. мал. 14, б), але і до появи ділянок, в яких спостерігається руйнування граней кристалів, що сформувалися.

В розділі наведені також результати моделювання інших технологічних процесів в АВТ та вироблені практичні рекомендації відносно ефективності їх застосування.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

На основі проведених досліджень вперше вирішена важлива науково-технічна проблема опису процесу спонтанної кристалізації алмазів в АВТ методами термомеханіки матеріалів і комп'ютерного матеріалознавства. Результати виконаних досліджень підтверджують можливість і доцільність ефективного використання розроблених методів комп'ютерного моделювання для створення і застосування нових технологій синтезу надтвердих матеріалів та інших технологічних процесів при екстремально високих тиску і температурі. Основні висновки за результатами виконаної роботи полягають у наступному:

1. Обґрунтований термомеханічний критерій фазового перетворення графіт алмаз, виходячи з врахування величини вільної енергії пружного деформування середовища і величини активаційного бар'єру фазового переходу:

розрахована величина тиску прямого переходу графіт алмаз, яка вища за рівноважний тиск (у 2,5 рази при T = 1563 К), і задовільно узгоджується з раніше опублікованими експериментальними даними в інтервалі температур 800-3600 К;

обґрунтована необхідність врахування температурних залежностей КТР алмазу і графіту; при цьому поправка величини розрахункового тиску перетворення в області високих температур досягає - 2 ГПа;

показано, що в інтервалі температур 800-0 К активаційний бар'єр переходу обумовлений в більшій мірі зменшенням температурної частини вільної енергії, а в інтервалі температур 800-5000 К його можна пояснити наявністю внутрішньої енергії пружного деформування системи графіт-алмаз;

при кристалізації алмазу з розчину вуглецю в металевому розплаві тиск зародкоутворення незначно перевищує рівноважний (~ 0,1 ГПа). Це пояснюється наявністю металевого розплаву з нульовим опором зсуву і, отже, зниженням внутрішньої вільної енергії в системі алмаз-металевий розплав-графіт;

вперше розрахунковим шляхом визначено тиск перетворення в процесі зростання алмазу і показано, що після первинного зародкоутворення термодинамічно вигідним процесом є зростання алмазного зародка в порівнянні з подальшим зародкоутворенням, оскільки відбувається при меншому тиску при заданій температурі.

2. Вперше обґрунтована і розроблена математична модель процесу спонтанної кристалізації алмазів в АВТ, що дозволяє моделювати термомеханічний стан реакційного об'єму на ефективному рівні порошкової суміші алмазу, графіту і частинок сплаву-розчинника і умови локального зростання одиничного кристала алмазу в металевому розплаві.

3. Розвинена і широко застосована методика комп'ютерного моделювання термомеханічного стану реакційної комірки АВТ при спонтанній кристалізації алмазів. Використання розробленого програмного забезпечення дозволяє проводити сумісний розрахунок полів температури, тиску, концентрації алмазу в реакційному об'ємі і розподілу напружень в локальній системі алмаз-металевий розплав-графіт.

4. Вперше проведений комплексний термомеханічний розрахунок реакційної зони АВТ і описані термомеханічні особливості процесу синтезу алмазів на різних масштабних рівнях:

вперше розраховано розподіл тиску в реакційному об'ємі АВТ в процесі кристалізації алмазів з врахуванням гістерезису перетворення графіт алмаз, який описується за допомогою обґрунтованого термомеханічного критерію фазового переходу, і проведене порівняння результатів для різних варіантів врахування умов фазового переходу. Встановлено, що при 10 %-ній концентрації алмазних частинок тиск в центрі реакційного об'єму складає 4,7 і 5,1 ГПа відповідно для першого (без урахування гістерезису) і другого (з врахуванням гістерезису перетворення) варіантів врахування умов фазового переходу;

в результаті розрахунку механічного стану локальної системи алмаз-металевий розплав-графіт кількісно доведена істотна неоднорідність розподілу напружень в ній, яка визначається відмінністю значень пружних модулів складових фаз і концентрацією напружень поблизу міжфазної границі розплаву і графіту;

встановлений ступінь впливу концентрації алмазу на неоднорідність і негідростатичність напруженого стану в локальній системі. Показано, що стрибок тангенціальних напружень на міжфазній границі металевого розплаву і графіту збільшується із зростанням алмазної частинки і може досягати 7,5 ГПа при концентрації алмазу 12 %;

проведений порівняльний аналіз зміни тиску в реакційному об'ємі на різних масштабних рівнях, який показав, що при зростанні алмазної частинки тиск на неї збільшується, тоді як зміна ефективного тиску в досліджуваній точці реакційного об'єму має змінний характер.

5. Проведений порівняльний чисельний аналіз ефективності роботи різних типів АВТ для синтезу алмазів:

вперше розраховані об'єми областей спонтанної кристалізації алмазів різного габітусу в АВТ типу “ковадла з заглибленнями” і циліндричного типу залежно від способу розміщення реакційних компонентів, конструкційних особливостей реакційної комірки, концентрації алмазів, потужності струму нагріву і рівня тиску;

на прикладі реакційної комірки АВТ циліндричного типу встановлено, що врахування концентрації алмазу при розрахунках об'ємів зон кристалізації змінює значення діапазону потужності струму нагріву, при якому зона кристалізації алмазу займає весь реакційний об'єм, більш, ніж на 50 %;

встановлені найефективніші схеми нагріву реакційних комірок, оптимальні значення потужності струму нагріву АВТ при заданому тиску в реакційному об'ємі, при яких об'єм області кристалізації алмазів досягає максимальних значень. Так, для АВТ циліндричного типу рекомендується застосовувати схему нагріву № 1 (див. рис. 10, б) і режим нагріву при потужності струму 4,16-4,60 кВт, що забезпечить кристалізацію алмазів у всьому реакційному об'ємі при тиску 5,3 ГПа. Для АВТ типу “ковадла з заглибленнями” оптимально застосовувати режим нагріву при потужності струму 2,5 кВт, що забезпечить кристалізацію алмазів в 98 % реакційного об'єму при тиску 5,3 ГПа;

порівняльна оцінка ефективності роботи різних типів АВТ, коли в 5 разів відрізняються величини їх реакційних об'ємів, а рівні механічного навантаження співвідносні, показала, що в АВТ циліндричного типу енергетичні витрати на одиницю об'єму кристалізації алмазів в 2,5 рази менші, ніж в АВТ типу “ковадла з заглибленнями”;

встановлено, що в АВТ циліндричного типу при потужності струму нагріву 4,25-4,40 кВт і тиску в комірці 5,3 ГПа у всьому реакційному об'ємі забезпечуються умови кристалізації алмазів кубооктаедричного габітусу, тоді як в АВТ типу “ковадла з заглибленнями” максимальний об'єм кристалізації алмазів даного габітусу не перевищує 70 % реакційного об'єму;

достовірність розрахунків об'ємів і конфігурацій областей кристалізації алмазів підтверджена зіставленням результатів розрахункових і експериментальних досліджень синтезу алмазів в АВТ типа “ковадла з заглибленнями”.

6. Результати моделювання стану реакційної комірки в умовах високих тиску і температури, оптимізації параметрів використані практично в дослідно-виробничих технологіях ІНМ і підприємства “АЛКОН-Сервіскомплект”.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Лещук А. А., Новиков Н. В., Левитас В. И. Моделирование термомеханического состояния реакционной ячейки АВД при спонтанной кристаллизации алмазов // Сверхтвердые материалы. Получение и применение: Моногр. в 6-ти т. / Под общ. ред. Н. В. Новикова. - Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАНУ, 2003. - Т. 1: Синтез алмаза и подобных материалов. - Гл. 3. - С. 96-118.

Numerical modeling of thermomechanical processes in high pressure apparatus applied for superhard materials synthesis / V. I. Levitas, A. V. Idesman, A. A. Leshchuk, S. B. Polotnyak // High Pressure Science and Technology: Proc. XIth AIRAPT Int. Conf.: In 4 vol. - Kiev: Naukova Dumka, 1989. - Vol. 4.- P. 38-40.

Левитас В. И., Лещук А. А. Численное моделирование процесса синтеза алмаза с учетом взаимного влияния протекающих в АВД физико-механических процессов // Сверхтвердые материалы в народном хозяйстве. - Киев: Ин-т сверхтвердых материалов АН УССР, 1989. - С. 7-10.

Левитас В. И., Лещук А. А. Термомеханическая модель появления алмазного зародыша // Сверхтв. материалы. - 1991. - № 3. - С. 67.

Mathematical modeling of diamond synthesis process / N. V. Novikov, V. I. Levitas, A. A. Leshchuk, A. V. Idesman // High Pres. Res. - 1991. - Vol. 7. - P. 195-197.

Levitas V. I., Leshchuk A. A. Thermomechanics of phase transitions in the graphite-melt-diamond system with regard for stress state inhomogeneity // Bull. Amer. Phys. Soc. - 1993. - Vol. 38, № 6. - P. 1595.

Leshchuk A. A., Novikov N. V., Maydanyuk A. P. Thermomechanical state of a HPA reaction cell at the graphite-to-diamond phase transition // High Pressure Science and Technology: Proc. Joint XV AIRAPT & XXXIII EHPRG Int. Conf., Warsaw, Poland, Sept. 11-15, 1995. - Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1996. - P. 225-227.

Новиков Н. В., Лещук А. А. Термомеханические аспекты процесса спонтанной кристаллизации алмаза // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій (випуск 2): В 3 т. / Під заг. ред. В. В. Панасюка. - Львів: Каменяр, 1999. - Т. 1. - С. 104-108.

Modeling of diamond spontaneous crystallization process for obtaining crystals with high thermophysical properties / A. A. Leshchuk, N. V. Novikov, A. P. Podoba, S. V. Shmegera, A. Witek // J. High Pres. School. - 1999. - 1. - P. 88-92.

Лещук А. А. Конечноэлементная модель процесса спонтанной кристаллизации алмаза в аппарате высокого давления // Вест. СевГТУ: Механика, энергетика, экология. - 2000. - Вып. 25. - С. 12-20.

Лещук А. А. Расчет распределений температуры в реакционной ячейке АВД при кристаллизации нитрида галлия // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов. - Киев: Ин-т сверхтв. материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2000. - С. 158-171.

Лещук А. А., Новиков Н. В., Левитас В. И. Компьютерное моделирование физико-механических процессов в реакционной ячейке аппаратов высокого давления при синтезе алмазов // Пробл. прочности. - 2001. - № 3. - С. 108-128.

Інжекційне формування виробів з керамічних матеріалів і твердих сплавів / М. В. Новіков, В. В. Івженко, О. О. Лєщук, В. О. Попов // Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение: Матер. междунар. науч.-техн. конф., 4-6 июля 2001 г., г. Киев. - Киев: ИСМ НАН Украины, 2001. - С. 94-95.

Лещук А. А., Боримский А. И., Новиков Н. В. Компьютерное моделирование областей кристаллизации алмаза в аппарате высокого давления // Там же. - С. 107-109.

Лещук А. А. Компьютерное моделирование областей кристаллизации алмаза в аппаратах высокого давления // Прикл. механика. - 2001. - 37, № 7. - С. 121-127.

Лещук А. А. Термомеханический расчет условий превращения графит алмаз // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Математ. моделирование. - 2001. - Спецвып. - С. 112-113.

Лещук А. А., Новиков Н. В., Левитас В. И. Термомеханическая модель фазового превращения графита в алмаз // Сверхтв. материалы. - 2002. - № 1. - С. 49-57.

Новиков Н. В., Лещук А. А., Боримский А. И. Компьютерное моделирование зон кристаллизации алмазов различного габитуса в аппаратах высокого давления цилиндрического типа // Сверхтв. материалы. - 2002. - № 2. - С. 3-14.

Новіков М. В., Лєщук О. О., Боримський О. І. Комп'ютерне моделювання зон кристалізації алмазів різного габітусу в апаратах високого тиску типу ковадла із заглибленнями // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2002. - № 2. - С. 68-75.

Новиков Н. В., Ивженко В. В., Лещук А. А. Новые возможности технологии инжекционного формования изделий из тугоплавких соединений // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия: 5-я Междунар. науч.-техн. конф., Минск, Беларусь, 18-19 сент. 2002 г.: Матер. докл. - Минск: Тонпик, 2002. - С. 108-109.

Боримский И. А., Лещук А. А. Исследование полей температуры в аппаратах высокого давления типа “наковальни с углублениями” при синтезе кубического нитрида бора // Сверхтв. материалы. - 2003. - № 5. - С. 26-32.

Экспериментальное исследование зон кристаллизации алмазов в аппарате высокого давления типа “наковальни с углублениями” / Н. В. Новиков, А. А. Лещук, Л. И. Александрова, А. И. Боримский, А. Н. Ващенко // Сверхтв. материалы. - 2003. - № 6. - С. 26-32.

Моделювання полів температури та температурних напружень в апаратах високого тиску для обробки зразків високотемпературних надпровідників / О. О. Лєщук, О. П. Антонюк, Т. О. Пріхна, В. Є. Мощіль // Сверхтв. материалы. - 2004. - № 1. - С. 3-11.

Лєщук О. О., Боримський О. І., Антонюк О. П. Моделювання теплового стану апарата високого тиску при спіканні двошарових пластин на основі кубічного нітриду бору та твердого сплаву // Вісн. ЖДТУ: Техн. науки. - 2004. - № 2. - С. 115-121.

Моделювання термомеханічного стану елементів апарата високого тиску для синтезу алмазів з розвинутою питомою поверхнею / М. В. Новіков, О. І. Боримський, О. О. Лєщук, С. Б. Полотняк, О. П. Антонюк // Сверхтв. материалы. - 2004. - № 4. - С. 3-15.

Влияние геометрических параметров реакционных ячеек аппаратов высокого давления на объем зон кристаллизации кубического нитрида бора / Н. В. Новиков, И. А. Боримский, А. А. Лещук, А. П. Антонюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т сверхтв. материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2004. - Вып. 7. - С. 95-101.

Лещук А. А. Моделирование фазовых переходов при обработке материалов высокими давлениями и температурами // Прогрессивные процессы обработки материалов давлением: Тез. докл. науч.-техн. конф., Гомель, 19-20 окт. 1989 г. - Минск, 1989. - С. 109-110.

Mathematical modeling of diamond synthesis process / N. V. Novikov, A. A. Leshchuk, A. V. Idesman // XXVIII Annual Meeting Europ. High Pres. Res. Group "High Pressure and Materials", 8-13 July 1990: Bookl. Abs. - Talence: Univ. Bordeaux I, 1990. - (Abs. S.6-0.4).

Новиков Н. В., Левитас В. И., Лещук А. А. Математическое моделирование процесса синтеза алмаза // III Всесоюз. совещ. "Химия высоких давлений", 1-5 окт. 1990 г.: Тез. докл. - М.: Моск. гос. ун-т, 1990. - С. 20-22.

Левитас В. И., Лещук А. А. Численное решение связанных задач электро-, теплопроводности и термопластичности с учетом фазовых переходов материалов // Девятая зимняя школа по механике сплошных сред: Тез. докл. - Пермь: Ин-т механики сплошных сред УрО АН СССР, 1991. - С. 102-103.

Novikov N. V., Levitas V. I., Leshchuk A. A. A necessary thermomechanical condition for diamond nucleation // XXIX Annual Scientific Meeting of the EHPRG "Physics of Materials under High Pressure", 21-25 Oct. 1991: Abs. - Thessaloniki: Aristotle Univ. Thessaloniki, 1991. - P. 123.

Novikov N. V., Levitas V. I., Leshchuk A. A. A model of graphite-diamond phase transition allowing for inhomogeneity of the stress-strain state and interface motion resistance // XXX Annual Meeting of the EHPRG, Azerbaijan Republic, Baku, Oct. 5-9, 1992. - P. 75.

Novikov N. V., Leshchuk A. A. Physico-mechanical model of the reaction medium in synthesizing superhard materials in high pressure apparatus // EMRS 1993 Fall Meeting, 4th Europ. East-West Conf. & Exhib. on Materials and Process, St-Petersburg (Russia), Oct. 17-21, 1993: Abs. - 1993. - Vol. II. - P. 41.

Novikov N., Leshchuk A. Thermomechanical model of graphite-to-diamond phase transition // XXXII Annual Meeting of the Europ. High Pres. Res. Group ”High Pressure in Material Science and Geoscience”, 29th Aug. - 1st Sept. 1994. - Brno: Tech. Univ. Brno, 1994. - P. 37.

Лещук А. А., Майданюк А. П. Моделирование процесса синтеза алмазных кристаллов в условиях высоких давлений и температур // Компьютерное материаловедение и информатизация создания новых веществ и материалов: (Тез. докл.). - Киев: ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 1995. - С. 18.

Novikov N. V., Leshchuk A. A. Modelling of thermomechanical parameters of diamond mass crystallization process at high pressures and temperatures // ICCGXI, Eleventh Int. Conf. Crystal Growth, The Hague (The Netherlands), June 18-23, 1995: Abs. - P. 260.

Leshchuk A. A. Thermomechanical conditions of nucleation and growth of diamond crystals from graphite // Ibid. - P. 456.

Leshchuk A. A. Thermomechanical model of the graphite-to-diamond phase transformation // Int. Conf. “The Current State and Future of High Presssure Physics”, Troitsk, Russia, Sept. 7-9, 1995. - Troitsk: Inst. High Pres. Phys., 1995. - P. 38.

Novikov N. V., Leshchuk A. A., Idesman A. V. Thermomechanical state of a HPA reaction cell in diamond synthesis // Ibid. - P. 47-48.

Leshchuk A. A. Thermomechanical description of a process of diamond synthesis from graphite-metal mixture / 3rd EUROMECH Solid Mech. Conf. - Stockholm: KTH, Royal Institute of Technology, 1997. - P. 168.

Leshchuk A. A. Thermomechanical conditions of nucleation and growth of diamond crystals from graphite // Ibid. - P. 169.

Numerical modelling of thermomechanical processes in solid-phase high and ultra-high pressure apparatuses / N. V. Novikov, A. A. Leshchuk, S. B. Polotnyak, A. V. Idesman, V. I. Levitas // IUTAM Symp. “Micro- and macrostructural aspects of thermoplasticity", Bochum, Germany, Aug. 25-29, 1997: Progr. and Abs. - Bochum: Ruhr-Universitat Bochum, 1997. - P. 66-67.

Leshchuk Alexander A. Computer-aided modelling of diamond crystallization regions in high pressure apparatus // ICTAM 2000, Chicago, 27 Aug.- 2 Sept. 2000, Abs. Book, 20th Int. Congress of Theoretical and Applied Mechanics. - P. 171-172.

Leshchuk A. Numerical modeling of coupled processes of electrical and heat conduction and thermoplasticity with account of phase transitions of materials // Book Abst. Annual Sci. Conf. GAMM 2001 at the Swiss Fed. Inst. Technol. in Zьrich, Feb. 12-15, 2001. - P. 80.

Лещук А. А. Термомеханические основы спонтанной кристаллизации алмаза в условиях высоких давлений и температур // Восьмой Всерос. съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 23-29 авг. 2001 г.: Аннот. докл. - Пермь, 2001. - С. 399-400.

Инжекционное формование керамических изделий сложных форм: компьютерное моделирование процессов, технологические результаты / В. В. Ивженко, А. А. Лещук, В. А. Попов, Г. Ф. Сарнавская // Междунар. конф. “Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике”: Тез. докл., 8-12 сент. 2003 г., Киев, Украина. - С. 243-244.

АНОТАЦІЇ

Лєщук О. О. Термомеханіка спонтанної кристалізації алмазів в апаратах високого тиску. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, 2004 р.

Розроблені теоретичні положення термомеханічного представлення процесу спонтанної кристалізації алмазів в АВТ, які засновані на комплексному описі методами термомеханіки суцільних середовищ і комп'ютерного моделювання процесів резистивного електронагріву, теплопереносу, термопружнопластичного деформування, фазових перетворень графіт алмаз на ефективному рівні реакційного об'єму, а також термопружного стану і термомеханічних умов перетворень в умовно виділеній локальній системі - елементарному об'ємі алмаз-металевий розплав-графіт. Проведено моделювання термомеханічного стану реакційного об'єму АВТ при кристалізації алмазів і вперше встановлені закономірності зміни тиску в реакційному об'ємі АВТ на різних масштабних рівнях.

Проведений порівняльний чисельний аналіз ефективності роботи різних типів АВТ для синтезу алмазів та визначені умови максимально можливого виходу потрібних марок алмазів в них. Достовірність розрахунків об'ємів і конфігурацій областей кристалізації алмазів підтверджена зіставленням результатів розрахункових і експериментальних досліджень процесу синтезу алмазів.

Ключові слова: алмаз, графіт, металевий розплав, фазовий перехід, тиск, температура, апарат високого тиску, синтез алмазу, термомеханічний стан, комп'ютерне моделювання.

Лещук А. А. Термомеханика спонтанной кристаллизации алмазов в аппаратах высокого давления. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, 2004 г.

Цель работы определена как развитие нового научного направления в компьютерном материаловедении - компьютерное моделирование процесса кристаллизации алмазов с комплексным учетом особенностей термомеханики материалов для установления условий фазового перехода графит алмаз, закономерностей физико-механического состояния всех элементов аппарата высокого давления (АВД) и реакционной ячейки и сравнительной количественной оценки эффективности работы различных типов АВД, используемых для синтеза алмазов, кубического нитрида бора и в других технологических процессах.

Впервые решена важная научно-техническая проблема описания процесса спонтанной кристаллизации алмазов в АВД методами термомеханики материалов и компьютерного материаловедения.

Обоснован термомеханический критерий фазового превращения графит алмаз, в котором учитывается свободная энергия упругого деформирования среды и активационный барьер фазового перехода.

Рассчитана величина давления прямого перехода графит алмаз, которая выше равновесного давления (в 2,5 раза при T = 1563 К), и удовлетворительно согласуется с опубликованными экспериментальными данными в интервале температур 800-3600 К. Показано, что в интервале температур 800-0 К активационный барьер перехода обусловлен в большей части уменьшением температурной части свободной энергии, а в интервале температур 800-5000 К его можно объяснить наличием внутренней энергии упругого деформирования системы графит-алмаз.

При кристаллизации алмаза из раствора углерода в металлическом расплаве расчетное давление зародышеобразования незначительно превышает равновесное (~ 0,1 ГПа), что можно объяснить нулевым сопротивлением сдвигу металлического расплава и, следовательно, снижением внутренней свободной энергии в системе алмаз-металлический расплав-графит.

Впервые расчетным путем определено давление превращения в процессе роста алмаза и показано, что после первичного зародышеобразования термодинамически выгодным процессом является рост алмазного зародыша по сравнению с последующим зародышеобразованием.

Разработана математическая модель процесса спонтанной кристаллизации алмазов в АВД, позволяющая моделировать термомеханическое состояние реакционного объема на эффективном уровне порошковой смеси алмаза, графита и частиц сплава-растворителя и условия локального роста единичного кристалла алмаза в металлическом расплаве.

Развита методика компьютерного моделирования термомеханического состояния реакционной ячейки АВД при спонтанной кристаллизации алмазов, использование которой позволяет проводить совместный расчет полей температуры, давления, концентрации алмаза в реакционном объеме и распределений напряжений в локальной системе алмаз-металлический расплав-графит.

Впервые проведен комплексный термомеханический расчет реакционной зоны АВД и описаны термомеханические особенности процесса синтеза алмазов на разных масштабных уровнях. Рассчитано распределение давления в реакционном объеме АВД в процессе кристаллизации алмазов с учетом гистерезиса превращения графит алмаз, который описывается с помощью обоснованного термомеханического критерия фазового перехода.

Установлена степень влияния концентрации алмаза на неоднородность и негидростатичность напряженного состояния в локальной системе.

Впервые рассчитаны объемы областей спонтанной кристаллизации алмазов различного габитуса в АВД типа “наковальни с углублениями” и цилиндрического типа в зависимости от способа размещения реакционных компонентов, конструкционных особенностей реакционной ячейки, концентрации образующихся алмазов, мощности тока нагрева, уровня давления. Установлены наиболее эффективные схемы нагрева реакционных ячеек, оптимальные значения мощности тока нагрева АВД при заданном давлении в реакционном объеме, при которых объем области кристаллизации алмазов достигает максимальных значений. Для АВД цилиндрического типа рекомендуется применять схему нагрева № 1 (см. рис. 10, б) при мощности тока 4,16-4,60 кВт, что обеспечит кристаллизацию алмазов во всем реакционном объеме при давлении 5,3 ГПа. Для АВД типа “наковальни с углублениями” оптимально применять режим нагрева при мощности тока 2,5 кВт, что обеспечит кристаллизацию алмазов в 98 % реакционного объема.

Оценка эффективности работы различных типов АВД, когда в 5 раз отличаются величины их реакционных объемов, а уровни механического нагружения соизмеримы, показала, что в АВД цилиндрического типа энергетические затраты на единицу объема кристаллизации алмазов в 2,5 раза меньше, чем в АВД типа “наковальни с углублениями”.

Установлено, что в АВД цилиндрического типа при мощности тока нагрева 4,25-4,40 кВт и давлении в ячейке 5,3 ГПа во всем реакционном объеме обеспечиваются условия кристаллизации алмазов кубооктаэдрического габитуса, в то время как в АВД типа “наковальни с углублениями” максимальный объем кристаллизации алмазов данного габитуса не превышает 70 % реакционного объема.

Достоверность результатов расчетов объемов и конфигураций областей кристаллизации алмазов подтверждена сопоставлением результатов расчетных и экспериментальных исследований процесса синтеза алмазов в АВД типа “наковальни с углублениями”.

Ключевые слова: алмаз, графит, металлический расплав, фазовый переход, давление, температура, аппарат высокого давления, синтез алмаза, термомеханическое состояние, компьютерное моделирование.

Lyeshchuk O. O. Thermomechanics of the diamond spontaneous crystallization in high-pressure apparatuses. Manuscript. Thesis for a Doctor of Science (Engineering) degree in the 05.02.01 Speciality - Materials Science. V. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2004.

Theoretical propositions of the thermomechanical notion of the process of the diamond spontaneous crystallization in high-pressure apparatuses (HPA) have been developed. The propositions are based on the complex description of resistance electric heating, heat transmission, thermoelastoplastic straining and graphite-to-diamond phase transformations at the effective level of the reaction volume as well as of thermoelastic state and thermomechanical conditions of the transformations in the local diamond-metal melt-graphite system. The methods of continua thermomechanics and computer-aided modeling have been used. Thermomechanical state of the HPA reaction volume during the diamond crystallization has been modeled and the regularities of the pressure variation in the HPA reaction volume at various scale levels have been first ascertained.

Comparative numerical analysis of the efficiency of various types of HPA for diamond synthesis has been performed and the prerequisites for the highest possible yield of the required types of diamonds have been defined. The reliability of the calculations of the volumes and configurations of diamond crystallization regions has been supported by the correlation between the results of calculated and experimental studies of the diamond synthesis process.

Keywords: Diamond, Graphite, Metal melt, Phase transformation, Pressure, Temperature, High-pressure apparatus, Diamond synthesis, Thermomechanical state, Computer-aided modeling.

Размещено на Allbest.ru