Глава 1
Введение
О кристаллах алмаза написано много. Мы не будем повторяться. Читатель самостоятельно может найти в многообразии существующих публикаций необходимые ему факты, истории, свойства и сферы применения этого материала. Все эти публикации описывают алмаз как самое необыкновенное состояние материи в нашем мире. По совокупным свойствам алмаза с ним не может сравниться ни один из известных человеку материалов твердого тела.
До сих пор он хранит свою тайну происхождения – рождается ли алмаз в кимберлите (лампроите) или только выносится кимберлитовой (лампроитовой) магмой из глубины Земли. В нашей стране открыты алмазы новых генетических типов в самых необычных на первый взгляд геологических образованиях – ударно-метаморфогенные (импактные) идинамо-метаморфогенные (в метаморфических комплексах) [1]. Алмазы обнаружены и в метеоритах. А в космосе существуют бывшие уже потухшие звезды, целиком состоящие из алмаза. Кристаллизация алмазов в природе – процесс многогранный. Современный синтез алмаза есть всего-навсего имитация некоторых возможных природных вариантов процессов алмазообразования.
Обрабатывается алмаз в основном только механическим способом и только алмазом. Это единственный эффективный способ, удовлетворяющий критерию оптимальности воздействия. Этот критерий позволяет получать приемлемое качество обработки при оптимальных затратах. Экзотические и дорогостоящие методы воздействия на алмаз (термохимия, плазмохимия, лазерная абляция и др.) в данной работе не рассматриваются, как не актуальные.
В этой главе в очень общих чертах мы приводим основной принцип нашего квантово-волнового метода воздействия на кристаллы алмаза [2] и чем он отличается от традиционного метода обработки [3]. При этом по вполне понятным причинам мы вынуждены отойти от подробного описания применяемых ноу-хау [4] в режимах и алгоритмах воздействия на кристаллы алмаза.
1.1. Система воздействия
Система воздействия на алмаз представляет собой довольно сложный прибор, состоящий из элементов точной механики и системы с числовым программным управлением (ЧПУ), основы которого заложены в [5].
Этот малогабаритный настольный станок позволяет программировать обороты и частоту воздействия инструмента на алмаз; задавать давление инструмента на кристалл, время и алгоритм воздействия; измерять и контролировать: величину съема материала, токовые характеристики силовой части, уровень и характер заданных вибраций инструмента, температуру обрабатываемого алмаза и многие другие параметры.
Система имеет несколько задаваемых степеней свободы: позиционирование обрабатываемого кристалла по основным координатам X, Y, Z, гониометрическое устройство наклона и вращения кристалла по координатам θ и φ и самое главное, что отличает нашу систему от любого другого оборудования для обработки алмаза, – двухосевое движение инструмента по осям α и β. Именно это движение и формирует когерентные поля упругих деформаций в кристалле алмаза, создает квантовые волновые потоки с винтовым возмущением волнового фронта.
Используемое гониометрическое устройство крепления объекта делает возможным с высокой точностью формировать на алмазе поверхности, описываемые уравнениями второго порядка [6]: сферические, параболические, конусообразные.
1.2. Принцип воздействия
В традиционном методе обработки кристаллов алмаза в бриллианты [3] обрабатывающий инструмент (∅ ~3500 мм), шаржированный алмазным абразивом (зернистость абразива, как правило, составляет -10/7 мкм), вращается с определенной скоростью (~3500 об./мин.) вокруг своей оси. Движение зерен абразива вращающегося инструмента по обрабатываемой алмазной поверхности в данном случае можно представить как прямолинейное и равномерное. Величина линейной скорости движения этих зерен достаточна для образования микросколов на поверхности хрупкого алмаза, что и обеспечивает определенную производительность и качество процесса обработки.
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.
Контроль параметров морфологии шероховатости поверхности алмаза (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах высот Rmax) проводился на атомно-силовых микроскопах (ACM) марки Р4 Solver и Р47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стандарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.
Разработанный нами кинематический принцип независимого двухосевого движения обрабатывающего инструмента является инновационным и открывает новые ранее неизвестные возможлюсти в обработке кристаллов алмаза [12].
Далее мы приведем примеры экспериментальных результатов воздействия на кристаллы алмаза. Эти результаты еще ждут своего детального объяснения и описания. На сегодняшний день этих детальных объяснений пока не существует, а есть только гипотезы и предположения. Но даже простое перечисление полученных результатов нашего воздействия на алмаз заслуживает пристального внимания и нетрадиционных суждений исследователя в попытках их интерпретации.