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.
Предисловие автора
О самом известном и самом загадочном кристалле – кристалле природного алмаза к настоящему времени, казалось бы, известно многое: структура, и типы дефектов, и физико-химические свойства. И вроде бы вполне возможно прогнозировать его эффективное применение в различных областях человеческой деятельности. А учитывая уникальность его физических свойств, то и вообще эффективную реализацию для нужд человека многих революционных открытий в медицине, связи, микро– и оптоэлектронике, приборостроении, станкостроении и пр., пр., пр. Ведь недаром в середине XX века этот кристалл быль провозглашен самым перспективным материалом XXI века.
И вот XXI век наступил!
И что?!
Много ли мы видим революционных открытий, связанных с алмазом? Как-то изменил этот кристалл кардинально нашу жизнь или хотя бы проявились явные перспективы его широкого использования (кроме, как и раньше, абразивных порошков и ювелирных изделий)? К сожалению, только опять наметились очередные большие перспективы его применения, например в создании квантового компьютера. А возросшее качество и чувствительность современного научно-исследовательского оборудования открывают в экспериментах ученых новые свойства алмаза…
И складывается впечатление, что круг-то, похоже, замкнут. Опять что-то не так. Не открывает нам до конца алмаз (за последние пять тысяч лет, как свидетельствуют древние индийские рукописи) своих уникальных перспектив для их эффективной реализации. Не торопится он стать близким другом человека и предоставить ему свои сокровенные тайны.
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.
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 (
V
st
) является величиной постоянной (рис. 1.1). На этом рисунке горизонтальная прямая линия – линейная скорость среднестатистического зерна абразива при использовании стандартной технологии (
V
st
). Волнистая линия – характер изменения скорости аналогичного зерна абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза при применении квантово-волнового метода обработки
В нашем случае обрабатывающий инструмент имеет одну ось вращения
