gh КИРПИЧИ ИЗ АЛМАЗОВ

Ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН разработали подход, который позволяет создавать композиционные материалы с заранее заданной, в том числе и очень высокой теплопроводностью на основе чистейшего углерода. В основе новых композитов - природные микро- и детонационные наноалмазы, фуллерен и графит. Впрочем, разработки отнюдь не исчерпываются практической стороной вопроса. Исследования, которые проводят авторы, позволяют многое узнать о взаимных превращениях алмазов, фуллеренов и графита, в основе которых одни и те же атомы углерода, только по разному расположенные.

Суть метода, который использовали ученые, в общих чертах довольно проста. Берут исходные вещества – все те же алмазы микро- и наноразмеров, может быть добавляют еще и фуллерены (тот же углерод, но в форме полых сфер из 60-80 атомов), но в любом случае это порошок, и быстро «спекают» его при высокой температуре и высоком давлении. Изюминка в том, что свойства полученного материала (если он вообще получится) принципиально зависят как от состава исходной смеси, так и от параметров процесса. И тут важно все – и температура, и давление, и время обработки. Потому что именно они-то и определяют, что получится - прочный композит с определенными структурой и свойствами (твердостью, тепло- и электропроводностью и так далее) или вообще слабо сцепленные между собой графитовые «песчинки». А еще чрезвычайно важно то, что авторы использовали материалы без примесей металла – только углерод. Потому что уже было известно, что из алмазного порошка можно сделать алмазно-графитный «кирпич», но нужен катализатор – например, кобальт или другой металл. Который, кстати, всегда есть в детонационных наноалмазах, то есть тех, что получают при взрыве углеродсодержащего материала в специальной камере. Сделать же такие «кирпичики» из чистого углерода до сих пор мало у кого получалось, хотя многим хочется – это очень перспективный материал. А вот ученым из всемирно известного питерского Физтеха удалось. Они научились не только получать композиционные материалы на основе микро- и наноалмазов, причем с заранее заданной структурой и свойствами, но и серьезно продвинулись в понимании механизмов тех процессов, что происходят с алмазным порошком при высокой, под две тысячи градусов, температуре и под давлением в десятки тысяч атмосфер.

Оказалось, что из алмазного порошка можно сделать монолитный материал с самой разной, в том числе и очень высокой теплопроводностью – около 500 Вт/м*К (это выше, чем у меди и серебра). Такой материал получится, если использовать очень мелкие природные алмазы, фактически порошок с размерами частиц около десяти микрон) и спекать его несколько секунд при температуре около 1800 градусов С под давлением около 6 гигапаскалей (примерно 60 тысяч атмосфер). Это будет плотный и твердый композит из как бы «сросшихся» друг с другом алмазных ядер в графитовой оболочке. Если же его «перегреть» или «пережать» - все алмазы «насквозь ографитятся», и получится просто графит, теплопроводность которого в пять раз ниже.

Поскольку размеры наноалмазов существенно (на порядки) меньше, то и обращаться с ними следует аккуратнее – слишком высоких давлений и температур они просто не перенесут и станут графитом. Но вот если добавить к наноалмазам немного фуллеренов, молекулы которых состоят из 60 атомов углерода, то превращение алмазов в графит начнется при более низкой температуре (ниже 1400 С), и тогда удастся получить алмазно-графитовый композит с теплопроводностью от 50 до 100 Вт/м*К.

В результате ученые выяснили, из какого именно алмазного порошка и в каких условиях можно получить композиционный материал с заранее заданными плотностью и теплопроводностью. Если учесть, что и химическая стойкость такого материала будет очень высока, то становится понятно, что фактически ученые предлагают технологам целый спектр новых очень перспективных материалов, свойства которых можно регулировать в весьма широких пределах. Кроме того, дополнительный «бонус» в том, что источником наноалмазов для подобных материалов могут быть «просроченные» взрывчатые вещества, которые необходимо тем или иным способом утилизировать, так что в некотором смысле метод позволяет сделать хорошее из плохого. Разумеется, от лабораторных исследований до промышленной технологии путь неблизкий и непростой. Остается пожелать ученым удачи – и достойного финансирования.

***