Владимир Карасев - Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии

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 (V p ) обусловлены деформациями сжатия-растяжения, поперечные волны ( V s) 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 ω D (дебаевская частота колебаний атомов в алмазе, составляющая ~2-10 14с -1) и амплитуда колебаний атомов становится соизмеримой с параметром элементарной ячейки α 0алмаза (α 0 = 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 –15с) уровень волновой энергии в домене может достигать значения 10 –13÷10 –14Дж. 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)·10 9Н⋅м –2. Это на порядок меньше величины критического напряжения σ с≅ 2⋅10 10Н⋅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 R a, среднеквадратическая шероховатость R q, размах высот R max) 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.

Применяемые нами условия воздействия зерен абразива инструмента на алмаз, как мы предполагаем, не превышают предела упругой деформации кристалла. Таким образом, используя стандартный по своей сути инструмент, управляя только изменением определенного алгоритма волнового возбуждения (изменением программного обеспечения, задающего параметры для системы управления обработкой алмаза), мы добиваемся характерного многообразия рельефа поверхности в широком диапазоне ее шероховатости.

На рис. 2.1 приведено изображение поверхности алмазной пластины, ориентированной в направлении (111), т. н. твердое направление в кристалле, которая обработана по традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты 131.

В мотиве рельефа поверхности обработанного кристалла наблюдаются характерные поверхностные конфигурации, свойственные обработке с реализацией механизма микросколов.