Эксперименты по кристаллической конверсии графита в алмаз на крупномасштабной баллистической установке ЦНИИМАШ

П.В. Крюков, А.И. Чирков (Москва)

В вакуумированном баллистическом канале установки длиной 200 м под действием расширяющихся продуктов взрыва газовой смеси производится метание стальных гиростабилизированных дисков диаметром 0.5 м, двигающихся в канале на магнитном подвесе без касания со стенками. В январе и апреле 1997 г. было осуществлено, соответственно, два эксперимента по демонстрации возможности реализации кристаллической конверсии графита в алмаз в условиях динамического нагружения со сдвигом. В этих экспериментах были получены выходные скорости метания 1.4 км/с и 1.6 км/с для дисков весом 30 кг. Высокоскоростной удар диском по мишени с образцами графита демпфировался газообразным водородом, заполняющим разгонный участок трубы, что обеспечивало профилированную во времени нагрузку кристаллов графита до 26 ГПа в течение 12 мкс без ударноволнового разогрева и механического разрушения при разгрузке. Скорость сдвигового деформирования достигала 350 м/с. При ориентированном сдвиговом деформировании сжатого монокристалла графита строго вдоль атомных плоскостей возможна реализация когерентной перестройки кристаллической решетки графита. При этом быстрое относительное скольжение атомных слоев стимулирует практически одновременный переход атомов углерода в новое электронное состояние с образованием прочных межслойных ковалентных связей, что обеспечивает перестройку кристаллической структуры графита.

Материаловедческие исследования графитовых образцов до и после нагружения показали, что из-за высокой угловой разориентации (~1°) монокристаллических доменов в исходных графитовых образцах прямой переход в алмаз в макроскопическом объеме совершался некогерентным образом в диффузионном режиме, а не в волновом, как предполагалось априори, что обусловило ограниченную (не более 0.3 мм) глубину проникновения алмазной фазы в образцы с поперечным размером 20´20 мм. Когерентная перестройка кристаллической решетки графита в алмаз наблюдалась только в пределах отдельных монокристаллических доменов размером ~ 10 мкм. На основании проведенных исследований сделан вывод, что для осуществления когерентной перестройки кристаллической решетки графита в алмаз в волновом режиме во всем объеме графитового образца толщиной до 5 мм с сохранением исходного кристаллического качества динамическому нагружению со сдвигом необходимо подвергать кристаллы графита, имеющие практически идеальную структуру.