Небо в алмазах

        По горячим следам и пока в голове еще осталась упорядоченная информация, решил представить вниманию читателей еще одну статью в завершение цикла по взрывным технологиям.

Известно, что при ударном сжатии развиваются давления до нескольких десятков гигапаскалей (10⁵- 5х10⁵ атмосфер). При таких давлениях возможны фазовые превращения одних веществ в другие. Давления, обеспечивающие фазовые переход в твердых телах, достигаются, как правило, при действии на вещество детонационных волн. Такие воздействия осуществляются при обжатии взрывчатым веществом (ВВ) ампулы с веществом или при ударе ускоряемой взрывом пластины (бойка). В последнее время преимущественно используется ударное нагружение. Однако метод нагружения с применением ВВ, как правило, предусматривают заряды большой массы (десятки кг), что существенно усложняет и удорожает технологию. Достаточно отметить необходимость проведения работ в специально оборудованных камерах или в условиях полигона, а также весьма жесткие требования по соблюдению техники безопасности и экологической чистоты.

Ускорение бойка можно осуществить более простым путем с помощью пороховых артиллерийских стволов. Но и в этом случае возникают существенные ограничения достигаемого давления. Пиковые давления порядка 50 - 100 ГПа при соударении бойка и мишени одинакового материала (например, стального бойка со стальной мишенью), необходимые для фазовых переходов, требуют скорости соударения около 3 км/с, что недостижимо в обычных пороховых системах. Но это ограничение может быть преодолено при значительном увеличении плотности соударяющихся тел. Так, при использовании материалов на основе вольфрама (ρ = 17-18 г/см³) можно получить давление 50-70 ГПа уже при скоростях 1300-1500 м/с.

В ходе экспериментальных работ были подобраны и опробованы составы таких материалов, которые обладают требуемой акустической жесткостью, хорошей обрабатываемостью и сравнительно небольшой стоимостью. Помещая в капсулу из такого материала образец исследуемого вещества и ударяя на срезе ствола по нему бойком из того же материала можно получить в течение 1-2 мкс давления до 60 - 70 ГПа.

Серьезную трудность представляло сохранение образца после акта нагружения, а также организация плоского соосного удара бойка при вылете из артиллерийского ствола. Экспериментально были отработаны конструкции и подобраны материалы бойка и мишени, обеспечивающие необходимые условия сохранения образца.

Проверка работоспособности изложенного метода проводилась на классическом примере фазового превращения "графит - алмаз" при ударном нагружении. Уже при скорости встречи порядка 1200 м/с давление в образце достигала величин около 30 ГПа и происходило попадание в область устойчивого состояния алмазной фазы по фазовой диаграмме. При давлении порядка 40 ГПа адиабатический разогрев достигает 2000 К.

Важное значение имеет время удержания пикового давления и температура адиабатического сжатия при этом. Даже если длительность нагружения не превышает нескольких микросекунд, то разгруженная смесь сохраняет высокую температуру, близкую к достигнутой на фронте ударной волны. При таких условиях неизбежен обратный переход в графит, т.е.

отжиг алмаза. Предотвратить это можно только снижением температуры разогретой алмазной фракции за время, сопоставимое с длительностью импульса. Для этого реакционная смесь для ударного синтеза должна отличаться значительным содержанием вещества, способного интенсивно отводить тепло от получающейся фазы. В смесь обычно вводится до 90% металла-охладителя, который должен отвечать следующим требованиям:

- небольшое повышение адиабатической температуры, т.е. существенно более низкое, чем в графите, адиабатическое повышение температуры при сжатии до требуемых давлений;

- высокая теплопроводность;

- достаточная акустическая жесткость и ударная адиабата, близкая к имеющейся у графита;

-мелкодисперсность, обеспечивающая хороший контакт с зернами графита.

По физическим свойствам этим требованиям неплохо удовлетворяют медь, серебро. При этом необходимо учитывать степень пористости смеси, которая существенно влияет на качество получаемого продукта.

Практический интерес заключается в получении возможно более крупных кристаллов. Их рост и размеры определяет время приложения давления. Делая боек специальной конструкции и увеличенной массы, можно увеличить до нескольких микросекунд время нагружения образца и получить фракцию с более крупными зернами. Во взрывных камерах выход алмазной фракции достигает 85-90% от массы углерода. Это хотя и составляет около 5% от массы реакционной смеси, однако, в целом обеспечивает сотни карат технических алмазов. Есть основания полагать, что предлагаемая методика не будет уступать известной взрывной технологии по указанным параметрам, кроме единовременного выхода продукта в опыте.

Достоинства метода:

1. Получение давлений амплитудой 50-70 ГПа с использованием ствольного порохового ускорителя сопровождается меньшим побочным воздействием, чем применение в аналогичных целях бризантных взрывчатых веществ. Подобная реализация метода позволяет достичь рекордных параметров по давлению в условиях приложения энергии в фиксированном направлении.

2. Распространенность ствольных систем в артиллерии и в танках позволяет рассчитывать на использование для осуществления описанной методики этих систем, высвобождаемых в результате конверсии вооружений и соответствующего производства.

К сожалению, и об этой технологии приходится говорить в прошедшем времени – была разработана, опробована, показала хорошие результаты, но, как и многие другие, оказалась не нужна в нынешней России. Вот такая у нас мударнизация. Так что небо в алмазах нам еще долго не видеть.