Владимир Карасев - Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии

• Название: Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии
• Автор: Владимир Карасев
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-94836-405-6

В книге описываются результаты экспериментов по изучению оригинального квантово-волнового метода механического воздействия на кристаллы алмаза. Проведенные эксперименты открывают новые свойства и особенности этих кристаллов, находящихся в сильнонеравновесных условиях обработки. Показана принципиальная возможность возникновения необратимых сильнонеравновесных явлений в кристаллах алмаза при формировании в их объеме волновых потоков с винтовым возмущением волнового фронта. Взаимодействие этих волновых потоков в объеме алмаза приводит как к изменению дефектно-примесной структуры алмаза, снятию внутренних напряжений, так и к формированию морфологического рельефа поверхности кристалла без непосредственного касания всей его поверхности инструментом. Открытие этого метода воздействия на кристаллы алмаза – еще один шаг в создании технологий направленной модификации свойств алмаза, который является модельным объектом всей физики твердого тела. Описывается динамическая волновая среда, влияющая на получаемые результаты.

Книга предназначена для специалистов в области обработки алмазов, физики твердого тела, материаловедения, квантовой механики, а также для любознательных студентов и аспирантов.

---

В нашем случае движение шаржированного алмазным абразивом (10/7 мкм) инструмента является двухосевым. Инструмент вращается вокруг своей оси и перемещается параллельно вокруг некой заданной оси. В результате мы имеем независимое двухосевое вращение и перемещение инструмента, которое и обеспечивает сложное циклическое движение зерен абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза, описываемое уравнениями второго порядка [7]. Диаметр инструмента и скорость его вращения задают требуемую линейную скорость движения абразивного зерна, взаимодействие которого с поверхностью кристалла в этом случае, как правило, не превышает предел ее упругости, что сводит к минимуму образование микросколов по моделям Герца и Ауэрбаха [8].

Рассмотрим принцип воздействия инструмента на алмаз немного подробнее.

В традиционной технологии обработки алмазов в бриллианты одним из определяющих моментов является обеспечение стабильности оборотов вращающегося инструмента. В этом случае линейная скорость каждого зерна абразива в точке касания инструмента с алмазом (Vst) является величиной постоянной (рис. 1.1). На этом рисунке горизонтальная прямая линия – линейная скорость среднестатистического зерна абразива при использовании стандартной технологии (Vst). Волнистая линия – характер изменения скорости аналогичного зерна абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза при применении квантово-волнового метода обработки (ΔV = V2 – V1).

В нашем случае обрабатывающий инструмент имеет одну ось вращения α (с циклической частотой α) вокруг своего геометрического центра и одновременно совершает независимое эксцентричное перемещение как целое тело вокруг другой, но неподвижной оси ß (с циклической частотой ß). Общий кинематический принцип такого комбинированного двухосевого движения был реализован ранее в работе [9]. Расстояние между подвижной а и неподвижной ß осями вращения (rа) является аппаратурным фактором и выбирается в соответствии с используемым алгоритмом обработки.

Важно заметить, что параметр ΔV (см. рис. 1.1) как приращение линейной скорости движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности алмаза есть величина постоянная в любой точке контакта обрабатывающего инструмента с кристаллом и зависит только от rа. Следовательно, и тангенциальное ускорение всех зерен, участвующих в процессе генерации возмущающих волн в обрабатываемом алмазе, будет также инвариантно относительно координат контакта.

Рис. 1.1. Графическое отображение скоростей движения инструмента как функции времени t

В этом суть одного из многих алгоритмов воздействия. В этих алгоритмах также предусмотрена возможность задаваемых вращательного и возвратно-поступательного перемещений кристалла алмаза относительно инструмента.

Критерий пространственного постоянства ΔV является определяющим фактором при создании когерентного волнового поля упругих деформаций в объеме алмаза. Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени.

Частота α вращения инструмента в разработанном оборудовании с ЧПУ может лежать в диапазоне 0÷10 000 об./мин., частота ß – в пределах 0÷120 Гц. Конкретные параметры и соотношения частот в случае независимого двухосевого механического движения инструмента определяются поставленной целью и задачей при применении этого нового метода обработки алмаза.

Обработка алмазной поверхности проводится усовершенствованным методом [9] в сочетании с принципом волнового возбуждения фононной подсистемы кристалла [10]. Этот принцип был развит и адаптирован непосредственно к процессу механической обработки алмаза. В результате суть способа обработки можно описать следующим образом.

Скорость распространения акустических колебаний в кристалле алмаза составляет ~18 350 м/с (скорость распространения продольной волны) и 12 000 м/с (скорость распространения поперечной волны). Продольные волны (Vp) обусловлены деформациями сжатия-растяжения, поперечные волны (Vs) вызываются деформациями сдвига. Учитывая размеры кристалла и низкий коэффициент затухания акустических волн (волн упругих деформаций) при отражении от внутренних поверхностей алмаза, можно сделать предположение о формировании определенной динамической волновой среды в объеме алмаза при нашем воздействии.

Источником гармонических колебаний кристаллической решетки кристалла в этом случае являются зерна абразива обрабатывающего инструмента. С незначительными изменениями, продиктованными условиями нашей волновой теории, мы используем инструмент, аналогичный инструменту, применяемому в алмазообрабатывающей промышленности. В этом случае сам принцип воздействия механической обработки (алмаз по алмазу) сохраняется.

При определенных условиях такого волнового возбуждения системы достигается значительный уровень локальной концентрации волновой энергии [10]. При этом концентрирование энергии происходит, как правило, в отдельных микрообластях кристаллической структуры алмаза (доменах), где реализуется интенсивное взаимодействие волн упругих деформаций.

Критическая ситуация в процессе концентрирования энергии создается, когда частота колебаний атомов в каждом домене достигает значения ωD (дебаевская частота колебаний атомов в алмазе, составляющая ~2-1014 с-1) и амплитуда колебаний атомов становится соизмеримой с параметром элементарной ячейки α0 алмаза (α0 = 0,357 нм) [2].

Поскольку речь идет о волновых процессах, то целесообразно рассмотреть кристалл с точки зрения некоего волнового резонатора с предполагаемой его оптической схемой. В этом направлении исследований мы основывались на анализе природных пространственных конфигураций (форм) алмаза, которые подсказали алгоритмы технологического формирования оптической схемы кристалла [11].

Созданный нами метод обработки позволяет формировать поверхности, описываемые уравнениями второго порядка, независимо от кристаллографической ориентации алмаза, поэтому и природный кристалл алмаза в наших экспериментах рассматривался сточки зрения совокупности подобных трехмерных образований.

Напомним, что скорость распространения продольных акустических волн в алмазе составляет ~ 18 км/с, а поперечных ~ 12 км/с. Поэтому даже кратковременное прикосновение работающего инструмента к любой точке поверхности кристалла создает дальнодействующее волновое поле в его объеме. В этом случае необходимо учитывать уникальную конфигурацию поверхности природных кристаллов алмаза. Эта специфика форм диктует условия для создания внутренних волновых деформационных потоков посредством внешнего когерентного воздействия.

Важно заметить, что в этой ситуации накопленная энергия взаимодействующих волн поглощается кристаллической средой не равномерно, а всей порцией, т. е. реализуется квантово-размерный эффект поглощения волновой энергии. При этом за малое время (~10–15 с) уровень волновой энергии в домене может достигать значения 10–13÷10–14 Дж. Очевидно, такие высокоэнергетичные домены являются наиболее вероятными местами разрушения поверхностного слоя кристалла.

Отметим следующее: при таком локальном разрушении поверхностного слоя упругое давление в этих доменах составляет примерно (1,6÷.2,5)·109 Н⋅м–2. Это на порядок меньше величины критического напряжения σс ≅ 2⋅1010 Н⋅м–2, необходимого для возникновения поверхностной трещины по известным моделям Герца и Ауэрбаха, где разрушение кристалла происходит путем образования микросколов. В связи с этим можно предположить, что при определенных условиях управляемого когерентного волнового воздействия на кристалл алмаза материал из его поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нанокластеров.

По нашим оценкам, размер этих кластеров находится в диапазоне 3÷350 нм в зависимости от условий волнового возбуждения при формировании поверхности алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при удалении кластеров не превышает 10–14 Дж, т. е. имеет место энергетический выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реализации механизма удаления материала в виде нанокластеров.

В морфологических мотивах рельефа реальных поверхностей, обработанных последовательно от уровня их шероховатости 4,43 нм до 0,52 нм в условиях когерентного волнового возбуждения, надежно наблюдаются мелкие детали высотой (15÷3) нм соответственно. В специальных условиях обработки шероховатость может достигать величины ~0,2 нм.