РАЗДЕЛ 2.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
СПЛАВОВ-РАСТВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА НА ЗАТРАВКЕ
2.1. Аппаратура высокого давления и ростовые ячейки
Основным типом аппарата высокого давления (АВД), использовавшимся для
выполнения работы, был АВД с матрицами ТС40, имеющими лунку сферической формы
диаметром 40 мм и тороидальное углубление вокруг нее для формирования сжимаемой
прокладки [115]. Аппараты этого типа обладают рядом преимуществ по сравнению с
другими, которые обуславливают его применение для проведения исследований по
кристаллизации алмаза – надежное создание и удерживание давления до 8 ГПa в
реакционной зоне; возможность ввода нескольких термопар в реакционную зону.
Аппарат ТС40 состоит из двух твердосплавных матриц ВК6, поддержанных блоками
предварительно напряженных стальных колец (рис. 2.1). Рабочие поверхности
матриц обращены навстречу друг другу, в пространстве между ними размещен
контейнер с ростовой ячейкой (рис. 2.2). При нагружении системы опорных плит с
матрицами и контейнером происходит деформация контейнера, в результате чего
образуется сжимаемая прокладка, сжатие которой позволяет достигать требуемого
уровня давления. В качестве силового агрегата для нагружения АВД типа ТС40 был
использован пресс ДО-044 усилием 25 МН; на рис. 2.1 показана схема заполнения
рабочего пространства пресса.
Для выращивания монокристаллов алмаза на затравке использован контейнер [116],
который представляет собой набор коаксиальных профильных колец, выполненных из
различных материалов (рис. 2.2). Функционально
Рис. 2.1. Заполнение рабочего пространства пресса ДО-044 для нагружения АВД
типа тороид ТС40:
1 – подкладные плиты, 2 – промежуточные плиты;
3 – опорные плиты; 4 – обоймы охлаждающие;
5 – АВД тороид ТС40 с контейнером в сборе и ячейкой для выращивания
монокристаллов алмаза на затравке методом температурного градиента;
А – плиты прессовой установки.
контейнер обеспечивает сжатие реакционного объема для получения давлений
8 ГПа и тепловую изоляцию реакционного объема при этих давлениях. Наружное
тороидальное кольцо 1 контейнера изготовлено из прессованного литографского
камня (ЛК) со связкой на основе бакелитового лака; по сравнению с блочным ЛК
этот материал более пластичный (коэффициент внутреннего трения составляет
0,145; блочного ЛК – 0,215) [117], что повышает степень гидростатичности
давления в тороидальной полости АВД, эффективность создания давления и
надежность запирания камеры [34]. Тороидальное кольцо 1 (рис. 2.2) изготовлено
путем прессования и последующей термообработки при 160 оС; кольцо 2 выполнено
из точеного ЛК; блочный литографский камень, из которого изготовлено кольцо 2
при нагружении АВД вытекает из камеры, достигая внутреннего края тороидальной
полости и образует деформируемое уплотнение, определяющее высокую эффективность
работы АВД [34]. Втулка 3, рис. 2.2, изготовлена из прессованного пирофиллита
(Овручское месторождение), на связке с использованием силикатного клея.
Применение пирофиллита обеспечивает малое вытекание среды из камеры за счет
высоких значений коэффициентов внутреннего и поверхностного трения, а также
надежную теплоизоляцию ростовой ячейки; во избежание разложения пирофиллита на
муллит и кристаллобалит проводится предварительная термообработка втулки 3 при
температуре не выше 750-800 оС.
Ростовая ячейка представляет собой цилиндрический элемент контейнера, сжимаемый
в АВД ТС40, рис. 2.2, который имеет электрические вводы, обеспечивающие контакт
блок-матриц с резистивными нагревателями для нагрева до температуры 1500 – 1600
оС путем пропускания электрического тока. Теплоизолирующие диски 11 и втулка 9
(рис. 2.2) обеспечивают уменьшение отвода тепла из ростовой зоны и отсутствие
химического взаимодействия расплавов растворителя с контейнером и
нагревательной системой. Основной частью ростовой ячейки является ростовая
система, состоящая из источника углерода, сплава-растворителя и затравки
(затравок), поз. 12, 13, 14, рис. 2.2, соответственно, которые могут изменяться
в каждом эксперименте в зависимости
Рис. 2.2. Схема сборки контейнера с ячейкой для синтеза:
1 – наружное кольцо контейнера;
2 – втулка из литографского камня; 3 – пирофилитовая втулка;
4 – втулка из CsCl; 5 – крышка из CsCl;
6 – нагревательный элемент; 7 – конфигурационные диски;
8 – токоподвод; 9 – графитовый нагреватель; 10 – втулка из CsCl; 11 – диск из
CsCl; 12 – источник углерода (графит);
13 – металл-растворитель; 14 – затравочный кристалл (алмаз);
15 – термопара.
от требований к выращиваемым кристаллам. Детали теплоизоляции 4 и 5 ростовой
ячейки, находящиеся внутри втулки из пирофиллита 3, выполнены из прессованных
смесей ZrO2 с солями NaCl или CsCl и имеют верхние пределы работы по
температуре 1550 и 1800 оС, соответственно, при давлении 6,5 ГПа. Среда CsCl
более гидростатична, чем NaCl; нами установлено, что растянутость переходов Bi
I-II в CsCl при комнатной температуре составляет не более 0,01 ГПа, Tl II-III –
не более 0,02 ГПа, что в 1,5 – 2 раза меньше, чем для NaCl. Теплоизолятор 5
содержит в себе медные или графитовые электровводы для обеспечения
электрического контакта матрицы 1 с нагревателем 10, изготовленным из графита
марки ГСМ-1.
Реакционный объем имеет диаметр 18 мм и высоту 22 мм. Выбор материалов и схема
сборки ячейки, показанной на рис. 2.2, позволяют эффективно создавать давление
до 8 ГПа при усилии пресса ~19 МН и надежно теплоизолировать ростовой объем –
мощность нагрева для достижения температуры 1500 оС в 1,8 – 2 раза ниже, чем в
случае без использования деталей из прессованных смесей ZrO2 c NaCl и CsCl.