Высокотемпературная графитизация алмаза при термообработке на воздухе и в вакууме
- Authors: Шевченко В.Я.1, Перевислов С.Н.1, Ножкина А.В.2, Орыщенко А.С.1, Арлашкин И.Е.1
-
Affiliations:
- НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
- АО «ВНИИАЛМАЗ»
- Issue: Vol 50, No 2 (2024)
- Pages: 115-134
- Section: Articles
- URL: https://rjonco.com/0132-6651/article/view/663224
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0132665124020017
- EDN: https://elibrary.ru/QZKHTR
- ID: 663224
Cite item
Abstract
В работе изучены морфологические и структурные изменения, происходящие при графитизации синтетического алмазного порошка (с высоким огранением граней) и микропорошка, при термообработке на воздухе при температуре до 1000°C и в вакууме при температуре до 1600°C. Наиболее развитыми гранями исходных кристаллов алмаза являются октаэдрические {111} и кубические {100} грани. Установлено, что графитизация начинается с вершин и ребер кристаллов. Грани {111} более подвержены графитизации, чем грани {100}. Морфологический анализ графитированного алмаза АС160 на воздухе помог изучить кинетику графитизации: рост дентритных графитовых кристаллов и образования «ямок графитизации» на поверхности граней алмаза. Впервые показано, что на разных гранях алмаза формируется графит разной формы с разной скоростью, так на гранях {111} формируется и растет графит в виде треугольников, а на гранях {100} — в виде квадратов. При высокой температуре наблюдается объемная графитизация алмазных частиц, сопровождаемая их разрушением, в основном по ступеням роста.
Full Text

About the authors
В. Я. Шевченко
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Author for correspondence.
Email: shevchenko@isc.nw.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
С. Н. Перевислов
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Email: shevchenko@isc.nw.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
А. В. Ножкина
АО «ВНИИАЛМАЗ»
Email: shevchenko@isc.nw.ru
Russian Federation, Москва
А. С. Орыщенко
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Email: shevchenko@isc.nw.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
И. Е. Арлашкин
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Email: shevchenko@isc.nw.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
References
- Shevchenko V. Y., Kovalchuk M. V., Oryshchenko A. S., Perevislov S. N. New chemical technologies based on Turing reaction-diffusion processes // Doklady Chemistry. Pleiades Publishing. 2021. V. 496. P. 28–31.
- Shevchenko V. Y., Perevislov S. N., Ugolkov V. L. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)-silicon system // Glass Physics and Chemistry. 2021. V. 47. № 3. P. 197–208.
- Shevchenko V. Y., Perevislov S. N. Reaction-diffusion mechanism of synthesis in the diamond-silicon carbide system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66. P. 1107–1114.
- Seal M. Graphitization of diamond // Nature. 1960. V. 185. № 4712. P. 522–523.
- Yafei Z., Fangqing Z., Guanghua C. A study of phase transformation between diamond and graphite in PT diagram of carbon // Carbon. 1994. V. 32. № 8. P. 1415–1418.
- Vita A. D., Galli G., Canning A., Car R. A microscopic model for surface-induced diamond-to-graphite transitions // Nature. 1996. V. 379. № 6565. P. 523–526.
- Bundy F. P., Bassett W. A., Weathers M. S., Hemley R. J., Mao H. U., Goncharov A. F. The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994 // Carbon. 1996. V. 34. № 2. P. 141–153.
- van Enckevort W. J.P, de Theije F. K. Etching of diamond / Ed. by Nazare M. H., Neves A. J. Properties, growth and application of diamond (INSPEC) // London: Institution of Electrical Engineers. 2001. P. 115–124.
- Khmelnitsky R. A., Gippius A. A. Transformation of diamond to graphite under heat treatment at low pressure // Phase Transitions. 2014. V. 87. № 2. P. 175–192.
- Howes V. R. The graphitization of diamond // Proceedings of the Physical Society (1958–1967). 1962. V. 80. № 3. P. 648.
- Evans T., James P. F. A study of the transformation of diamond to graphite // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1964. V. 277. № 1369. P. 260–269.
- Davies G., Evans T. Graphitization of diamond at zero pressure and at a high pressure // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1972. V. 328. № 1574. P. 413–427.
- Fedoseev D. V., Vnukov S. P., Bukhovets V. L., Anikin B. A. Surface graphitization of diamond at high temperatures // Surface and Coatings Technology. 1986. V. 28. № 2. P. 207–214.
- De Vita A., Galli G., Canning A., Car R. Graphitization of diamond (111) studied by first principles molecular dynamics // Applied surface science. 1996. V. 104. P. 297–303.
- Jungnickel G., Porezag D., Frauenheim T., Heggie M. I., Lambrecht W. R. L., Segall B., Angus J. C. Graphitization effects on diamond surfaces and the diamond/graphite interface // Physica status solidi (a). 1996. V. 154. № 1. P. 109–125.
- Liu Y. A.N., Meletis E. I. Evidence of graphitization of diamond-like carbon films during sliding wear // Journal of Materials Science. 1997. V. 32. № 13. P. 3491–3495.
- Butenko Y. V., Kuznetsov V. L., Chuvilin A. L., Kolomiichuk V. N., Stankus S. V., Khairulin R. A., Segall B. Kinetics of the graphitization of dispersed diamonds at “low” temperatures // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. № 7. P. 4380–4388.
- Pantea C., Gubicza J., Ungar T., Voronin G. A., Zerda T. W. Dislocation density and graphitization of diamond crystals // Physical Review B. 2002. V. 66. № 9. P. 094106.
- Pantea C., Qian J., Voronin G. A., Zerda T. W. High pressure study of graphitization of diamond crystals // Journal of applied physics. 2002. V. 91. № 4. P. 1957–1962.
- Strekalov V. N., Konov V. I., Kononenko V. V., Pimenov S. M. Early stages of laser graphitization of diamond // Applied Physics A. 2003. V. 76. № 4. P. 603–607.
- Welz S., Gogotsi Y., McNallan M. J. Nucleation, growth, and graphitization of diamond nanocrystals during chlorination of carbides // Journal of applied physics. 2003. V. 93. № 7. P. 4207–4214.
- Shao W. Z., Ivanov V. V., Zhen L., Cui Y. S., Wang Y. A study on graphitization of diamond in copper-diamond composite materials // Materials letters. 2004. V. 58. № 1–2. P. 146–149.
- Qian J., Pantea C., Huang J., Zerda T. W., Zhao Y. Graphitization of diamond powders of different sizes at high pressure — high temperature // Carbon. 2004. V. 42. № 12–13. P. 2691–2697.
- Hickey D. P., Jones K. S., Elliman R. G. Amorphization and graphitization of single-crystal diamond. A transmission electron microscopy study // Diamond and related materials. 2009. V. 18. № 11. P. 1353–1359.
- de Oliveira L. J., Cabral S. C., Filgueira M. Study hot pressed Fe-diamond composites graphitization // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012. V. 35. P. 228–234.
- Chen Z., Subhash G., Tulenko J. S. Raman spectroscopic investigation of graphitization of diamond during spark plasma sintering of UO2-diamond composite nuclear fuel // Journal of Nuclear Materials. 2016. V. 475. P. 1–5.
- Sha X., Yue W., Zhang H., Qin W., She D., Wang C. Enhanced oxidation and graphitization resistance of polycrystalline diamond sintered with Ti-coated diamond powders // Journal of Materials Science & Technology. 2020. V. 43. P. 64–73.
- Catalan F. C. I., Anh L. T., Oh J., Kazuma E., Hayazawa N., Ikemiya N., Kamoshida N., Tateyama Y., Einaga Y., Kim Y. Localized Graphitization on Diamond Surface as a Manifestation of Dopants // Advanced Materials. 2021. V. 33. № 42. P. 2103250.
- Bródka A., Zerda T. W., Burian A. Graphitization of small diamond cluster — Molecular dynamics simulation // Diamond and related materials. 2006. V. 15. № 11–12. P. 1818–1821.
- Wang C., Song X., Shen X., Sun F. Molecular dynamics simulation and experimental investigation of structural transformation and graphitization in diamond during friction // Computational Materials Science. 2020. V. 184. P. 109862.
- Yan X., Wei J., Guo J., Hua C., Liu J., Chen L., Hei L., Li C. Mechanism of graphitization and optical degradation of CVD diamond films by rapid heating treatment // Diamond and Related Materials. 2017. V. 73. P. 39–46.
- Kamali A. R. Black diamond powder: On the thermal oxidation and surface graphitization // Applied Surface Science. 2021. V. 551. P. 149371.
- Bokhonov B. B., Dudina D. V., Sharafutdinov M. R. Graphitization of synthetic diamond crystals: A morphological study // Diamond and Related Materials. 2021. V. 118. P. 108563.
- Seal M. Graphitization and plastic deformation of diamond // Nature. 1958. V. 182. P. 1264–1267.
- Lewis J. K., Chen H., Nafis S., Nielsen M. High temperature graphitization of diamond // Proc. Electrochem. Soc. 1991. V. 91. № 8. P. 455–462.
- Evans T. Changes produced by high temperature treatment of diamond // The properties of diamond. 1979. P. 403–425.
- Evans T., Sauter D. H. Etching of diamond surfaces with gases // Philosophical Magazine. 1961. V. 6. № 63. P. 429–440.
- Bogdanov S. P., Shevchenko V. Y., Ugolkov V. L., Khristyuk N. A., Perevislov S. N., Sychev M. M., Nozhkina A. V. Features of oxidation of commercial diamond powders // Glass Physics and Chemistry. 2022. V. 48. № 3. P. 163–173.
- Haque M. S., Naseem H. A., Malshe A. P., Brown W. D. A Study of stress in microwave plasma chemical vapor deposited diamond films using X‐Ray diffraction // Chemical Vapor Deposition. 1997. V. 3. № 3. P. 129–135.
- Sun Z., Shi J. R., Tay B. K., Lau S. P. UV Raman characteristics of nanocrystalline diamond films with different grain size // Diamond and related materials. 2000. V. 9. № 12. P. 1979–1983.
- Osswald S., Mochalin V. N., Havel M., Yushin G., Gogotsi Y. Phonon confinement effects in the Raman spectrum of nanodiamond // Physical Review B. 2009. V. 80. № 7. P. 075419.
- Jorio A., Souza Filho A. G. Raman studies of carbon nanostructures // Annu. Rev. Mater. Res. 2016. V. 46. № 1. P. 357–382.
- Schuepfer D. B., Badaczewski F., Guerra-Castro J.M., Hofmann D. M., Heiliger C., Smarsl B., Klar P. J. Assessing the structural properties of graphitic and non-graphitic carbons by Raman spectroscopy // Carbon. 2020. V. 161. P. 359–372.
Supplementary files
