eng
Содержание
Содержание
Предисловие автора .................................................................................... 4
Глава 1. Введение ....................................................................................... 6
1.1.
Система воздействия ..................................................................... 6
1.2.
Принцип воздействия ................................................................... 7
«АРТЕФАКТЫ» ТЕХНОЛОГИИ............................................................ 12
Глава 2. Поверхность ............................................................................... 12
Глава 3. Формы поверхности алмаза ....................................................... 33
3.1.
Конус ............................................................................................ 33
3.2.
Сфера ........................................................................................... 35
Глава 4. Фрактальная архитектура .......................................................... 38
Глава 5. Совокупность форм кристалла .................................................. 43
5.1.
Эксперимент 1 ............................................................................. 48
5.2.
Эксперимент 2 ............................................................................. 50
5.3.
Эксперимент 3 ............................................................................. 55
5.4.
Цилиндр ....................................................................................... 60
Глава 6. Снятие внутренних напряжений в кристалле ........................... 63
6.1.
Радуга ........................................................................................... 65
Глава 7. Анизотропия твердости ............................................................. 72
Глава 8. Гипотезы квантово-волновой обработки .................................. 77
8.1.
Самый последний эксперимент .................................................. 84
Заключение ............................................................................................... 90
Благодарности .......................................................................................... 93
Литература ................................................................................................ 94
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 ХХ 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.
Неожиданно для нас появились в мироздании темная энергия и темная
материя. Вот никогда их не было, а тут – раз!.. и появились! Хотя и сегодня
толком никто не может сказать, что это такое, но это, оказывается, существует. И занимает это аж 96% всего известного пространства (74% – темная энергия, 22% – темная материя), а остальные 4% – барионная (наша) материя, а из нее 3,6% – межзвездный газ и только 0,4% – сами звезды. Хоть и не сразу, но все-таки раскрутили Большой адронный коллайдер и наконец-то с восторгом сделали предположение, что открыли бозон Хиггса. Хотя и здесь толком никто не знает, что это такое и как это возможно эффективно использовать в народном хозяйстве. Даже теорию относительности почтительно подняли и, осторожненько, ласково поглаживая, начали относить в сторонку как не совсем актуальную в современ-
ном технологическом мире.
Зародилось многообразие новых и весьма интересных теорий и гипо-
тез. Пересматриваются многие, казалось бы, незыблемые представления
человека об окружающей действительности, о Природе, о нашей Вселен-
ной, об Эфире. И Большой взрыв уже начал вызывать обоснованные со-
мнения. Да и галактики, похоже, не так уж оголтело и целенаправленно
разлетаются, как представлялось…
Да и пора бы уже! Все-таки двадцать первый век на дворе…
И только алмаз, наш удивительный природный кристалл, как бы за-
тих в сторонке и что-то выжидает. И это что-то, по всей видимости, свя-
зано с человеком. С его мировоззрением, с его зашоренностью, с его внут-
ренним миром, широтой интересов и взглядов, с его верой и надеждой, с
его любовью…
Название цикла работ «Неизвестный алмаз» продиктовано нашим от-
крытием нового метода механического воздействия на этот кристалл, но-
вой квантово-волновой технологией его обработки. Этот метод открыл
ошеломляющие результаты нашего воздействия, перевернув все сложив-
шиеся представления об этом кристалле.
Полученные экспериментальные данные как «артефакты» технологии
еще ждут своего детального объяснения, заставляя усомниться в полноте
существующей системы знаний об алмазе и попытаться по-новому отве-
тить на этот, как оказалось, непростой вопрос: «А что же такое алмаз и что
же мы своей волновой технологией с ним делаем?»
В этой книге приведены экспериментально полученные результаты
воздействия на алмаз за последние двадцать лет. Именно столько време-
ни прошло с момента открытия метода. Вся работа была проведена бла-
годаря самоотверженной инициативе группы исследователей. Ни госу-
дарство, ни Академия наук не участвовали в этой увлекательной эпопее.
А учитывая сложность работы с драгоценными камнями в нашей стране
и непростой доступ к современному научному оборудованию (Оже-спек-
троскопия, атомно-силовая микроскопия, молекулярно-лучевая эпитак-
сия и т.п.), можно представить, какие сложности пришлось преодолеть,
чтобы создать новое уникальное обрабатывающее оборудование, развить
технологию и получить эти удивительные экспериментальные результаты.
В книге приводится только описательная часть этих результатов и да-
леко не всех экспериментов. В отдельных случаях автор попытается дать
какие-то свои пояснения и предположения. А в заключительной части
книги он вообще проявит смелость и выскажет свое мнение, свою гипо-
тезу о физических основах новой технологии воздействия.
Насколько эта гипотеза жизнеспособна – покажут новые достижения,
новые результаты экспериментов. А ответ на вопрос: «Что такое алмаз и
что же мы своей технологией с ним делаем?», по всей видимости, предос-
тавит время. Ибо только оно может доказать правильность понимания
великих законов Природы.
В. Карасёв
ГЛАВА 1
Введение
О кристаллах алмаза написано много. Мы не будем повторяться. Чита-
тель самостоятельно может найти в многообразии существующих публи-
каций необходимые ему факты, истории, свойства и сферы применения
этого материала. Все эти публикации описывают алмаз как самое не-
обыкновенное состояние материи в нашем мире. По совокупным свой-
ствам 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 (лампрои-
товой) магмой из глубины Земли. В нашей стране открыты алмазы новых
генетических типов в самых необычных на первый взгляд геологических об-
разованиях – ударно-метаморфогенные (импактные) и динамо-метаморфо-
генные (в метаморфических комплексах) [1]. Алмазы обнаружены и в метео-
ритах. А в космосе существуют бывшие уже потухшие звезды, целиком
состоящие из алмаза. Кристаллизация алмазов в природе – процесс много-
гранный. Современный синтез алмаза есть всего-навсего имитация некото-
рых возможных природных вариантов процессов алмазообразования.
Обрабатывается алмаз в основном только механическим способом и
только алмазом. Это единственный эффективный способ, удовлетворя-
ющий критерию оптимальности воздействия. Этот критерий позволяет
получать приемлемое качество обработки при оптимальных затратах. Эк-
зотические и дорогостоящие методы воздействия на алмаз (термохимия,
плазмохимия, лазерная абляция и др.) в данной работе не рассматрива-
ются, 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 опи-
сания 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 число-
вым программным управлением (ЧПУ), основы которого заложены в [5].
Этот малогабаритный настольный станок позволяет програм-
мировать обороты и частоту воздействия инструмента на алмаз;
задавать давление 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.
Система имеет несколько задаваемых степеней свободы: позициони-
рование обрабатываемого кристалла по основным координатам X, Y, Z,
гониометрическое устройство наклона и вращения кристалла по коорди-
натам θ и ϕ и самое главное, что отличает нашу систему от любого другого
оборудования для обработки алмаза, – двухосевое движение инструмен-
та по осям α и β. Именно это движение и формирует когерентные поля
упругих деформаций в кристалле алмаза, создает квантовые волновые по-
токи с винтовым возмущением волнового фронта.
Используемое гониометрическое устройство крепления объекта дела-
ет возможным с высокой точностью формировать на алмазе поверхнос-
ти, описываемые уравнениями второго порядка [6]: сферические, пара-
болические, конусообразные.
1.2. Принцип воздействия
В традиционном методе обработки кристаллов алмаза в бриллианты [3] об-
рабатывающий инструмент (∅ ~ 3500 мм), шаржированный алмазным абра-
зивом (зернистость абразива, как правило, составляет ~10/7 мкм), вращает-
ся 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 рав-
номерное. Величина линейной скорости движения этих зерен достаточна для
образования микросколов на поверхности хрупкого алмаза, что и обеспечи-
вает 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 зе-
рен абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза, описы-
ваемое 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 ми-
нимуму образование микросколов по моделям Герца и Ауэрбаха [8].
Рассмотрим принцип воздействия инструмента на алмаз немного под-
робнее.
В традиционной технологии обработки алмазов в бриллианты одним
из определяющих моментов является обеспечение стабильности оборо-
тов вращающегося инструмента. В этом случае линейная скорость каж-
дого зерна абразива в точке касания инструмента с алмазом (Vst) является
величиной постоянной (рис. 1.1). На этом рисунке горизонтальная пря-
мая линия – линейная скорость среднестатистического зерна абразива
при использовании стандартной технологии (Vst). Волнистая линия – ха-
рактер изменения скорости аналогичного зерна абразива относительно
обрабатываемой поверхности алмаза при применении квантово-волно-
вого метода обработки (ΔV = V2 – V1).
В нашем случае обрабатывающий инструмент имеет одну ось враще-
ния α (с циклической частотой α) вокруг своего геометрического центра и
одновременно совершает независимое эксцентричное перемещение как це-
лое тело вокруг другой, но неподвижной оси β (с циклической частотой β).
Общий кинематический принцип такого комбинированного двухосевого
движения был реализован ранее в работе [9]. Расстояние между подвиж-
ной α и неподвижной β осями вращения (rа) является аппаратурным факто-
ром и выбирается в соответствии с используемым алгоритмом обработки.
Важно заметить, что параметр ΔV (см. рис. 1.1) как приращение ли-
нейной скорости движения инструмента относительно обрабатывае-
мой поверхности алмаза есть величина постоянная в любой точке кон-
такта обрабатывающего инструмента с кристаллом и зависит только
от rа. Следовательно, и тангенциальное ускорение всех зерен, участву-
ющих в процессе генерации возмущающих волн в обрабатываемом ал-
мазе, будет также инвариантно относительно координат контакта.
В этом суть одного из многих алгоритмов воздействия. В этих алгоритмах
также предусмотрена возможность задаваемых вращательного и возвратно-
поступательного перемещений кристалла алмаза относительно инструмента.
Критерий пространственного постоянства ΔV является определяющим
фактором при создании когерентного волнового поля упругих деформа-
ций в объеме алмаза. Когерентность – согласованное протекание во вре-
мени и пространстве нескольких колебательных или волновых процес-
сов. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается
постоянной во времени.
Частота α вращения инструмента в разработанном оборудовании с
ЧПУ может лежать в диапазоне 0÷10 000 об./мин., частота β – в пределах
0÷120 Гц. Конкретные параметры и соотношения частот в случае незави-
симого двухосевого механического движения инструмента определяются
поставленной целью и задачей при применении этого нового метода об-
работки алмаза.
Обработка алмазной поверхности проводится усовершенствованным
методом [9] в сочетании с принципом волнового возбуждения фононной
подсистемы кристалла [10]. Этот принцип был развит и адаптирован не-
посредственно к процессу механической обработки алмаза. В результате
суть способа обработки можно описать следующим образом.
Скорость распространения акустических колебаний в кристалле алма-
за составляет ~18 350 м/с (скорость распространения продольной волны) и
12 000 м/с (скорость распространения поперечной волны). Продольные
волны (Vp) обусловлены деформациями сжатия-растяжения, поперечные
волны (Vs) вызываются деформациями сдвига. Учитывая размеры крис-
талла 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 ин-
струмента. С незначительными изменениями, продиктованными услови-
ями нашей волновой теории, мы используем инструмент, аналогичный
инструменту, применяемому в алмазообрабатывающей промышленнос-
ти. В этом случае сам принцип воздействия механической обработки (ал-
маз по алмазу) сохраняется.
При определенных условиях такого волнового возбуждения системы до-
стигается значительный уровень локальной концентрации волновой энер-
гии [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 созда-
ется, когда частота колебаний атомов в каждом домене достигает значе-
ния ωD (дебаевская частота колебаний атомов в алмазе, составляющая
10 Глава 1. Введение
~2⋅1014 с–1) и амплитуда колебаний атомов становится соизмеримой с па-
раметром элементарной ячейки а0 алмаза (а0 = 0,357 нм) [2].
Поскольку речь идет о волновых процессах, то целесообразно рассмот-
реть кристалл с точки зрения некоего волнового резонатора с предпола-
гаемой его оптической схемой. В этом направлении исследований мы ос-
новывались на анализе природных пространственных конфигураций
(форм) алмаза, которые подсказали алгоритмы технологического форми-
рования оптической схемы кристалла [11].
Созданный нами метод обработки позволяет формировать поверхно-
сти, описываемые уравнениями второго порядка, независимо от кристал-
лографической ориентации алмаза, поэтому и природный кристалл ал-
маза в наших экспериментах рассматривался с точки 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 точ-
ке поверхности кристалла создает дальнодействующее волновое поле в
его объеме. В этом случае необходимо учитывать уникальную конфигу-
рацию 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 взаимо-
действующих волн поглощается кристаллической средой не равномерно,
а всей порцией, т.е. реализуется квантово-размерный эффект поглоще-
ния волновой энергии. При этом за малое время (~10–15 с) уровень волно-
вой энергии в домене может достигать значения 10–13÷10–14 Дж. Очевид-
но, такие высокоэнергетичные домены являются наиболее вероятными
местами разрушения поверхностного слоя кристалла.
Отметим следующее: при таком локальном разрушении поверхно-
стного слоя упругое давление в этих доменах составляет примерно
(1,6÷2,5)⋅109 Н⋅м–2. Это на порядок меньше величины критического на-
пряжения σс ≅ 2⋅1010 Н⋅м–2, необходимого для возникновения поверхност-
ной 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 ко-
герентного волнового воздействия на кристалл алмаза материал из его
поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нано-
кластеров.
По нашим оценкам, размер этих кластеров находится в диапазоне 3÷350 нм
в зависимости от условий волнового возбуждения при формировании по-
верхности алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при уда-
лении кластеров не превышает 10–14 Дж, т.е. имеет место энергетический
выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реа-
лизации механизма удаления материала в виде нанокластеров.
1.2. Принцип воздействия 11
В морфологических мотивах рельефа реальных поверхностей, обрабо-
танных последовательно от уровня их шероховатости 4,43 нм до 0,52 нм в
условиях когерентного волнового возбуждения, надежно наблюдаются мел-
кие детали высотой (15÷3) нм соответственно. В специальных условиях об-
работки шероховатость может достигать величины ~0,2 нм.
Контроль параметров морфологии шероховатости поверхности алма-
за (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах
высот Rmax) проводился на атомно-силовых микроскопах (АСМ) марки
Р4 Solver и Р47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стан-
дарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.
Разработанный нами кинематический принцип независимого двух-
осевого движения обрабатывающего инструмента является инновацион-
ным и открывает новые ранее неизвестные возможности в обработке кри-
сталлов алмаза [12].
Далее мы приведем примеры экспериментальных результатов воздей-
ствия на кристаллы алмаза. Эти результаты еще ждут своего детального
объяснения и описания. На сегодняшний день этих детальных объясне-
ний 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.
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 ХХ 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.
Неожиданно для нас появились в мироздании темная энергия и темная
материя. Вот никогда их не было, а тут – раз!.. и появились! Хотя и сегодня
толком никто не может сказать, что это такое, но это, оказывается, существует. И занимает это аж 96% всего известного пространства (74% – темная энергия, 22% – темная материя), а остальные 4% – барионная (наша) материя, а из нее 3,6% – межзвездный газ и только 0,4% – сами звезды. Хоть и не сразу, но все-таки раскрутили Большой адронный коллайдер и наконец-то с восторгом сделали предположение, что открыли бозон Хиггса. Хотя и здесь толком никто не знает, что это такое и как это возможно эффективно использовать в народном хозяйстве. Даже теорию относительности почтительно подняли и, осторожненько, ласково поглаживая, начали относить в сторонку как не совсем актуальную в современ-
ном технологическом мире.
Зародилось многообразие новых и весьма интересных теорий и гипо-
тез. Пересматриваются многие, казалось бы, незыблемые представления
человека об окружающей действительности, о Природе, о нашей Вселен-
ной, об Эфире. И Большой взрыв уже начал вызывать обоснованные со-
мнения. Да и галактики, похоже, не так уж оголтело и целенаправленно
разлетаются, как представлялось…
Да и пора бы уже! Все-таки двадцать первый век на дворе…
И только алмаз, наш удивительный природный кристалл, как бы за-
тих в сторонке и что-то выжидает. И это что-то, по всей видимости, свя-
зано с человеком. С его мировоззрением, с его зашоренностью, с его внут-
ренним миром, широтой интересов и взглядов, с его верой и надеждой, с
его любовью…
Название цикла работ «Неизвестный алмаз» продиктовано нашим от-
крытием нового метода механического воздействия на этот кристалл, но-
вой квантово-волновой технологией его обработки. Этот метод открыл
ошеломляющие результаты нашего воздействия, перевернув все сложив-
шиеся представления об этом кристалле.
Полученные экспериментальные данные как «артефакты» технологии
еще ждут своего детального объяснения, заставляя усомниться в полноте
существующей системы знаний об алмазе и попытаться по-новому отве-
тить на этот, как оказалось, непростой вопрос: «А что же такое алмаз и что
же мы своей волновой технологией с ним делаем?»
В этой книге приведены экспериментально полученные результаты
воздействия на алмаз за последние двадцать лет. Именно столько време-
ни прошло с момента открытия метода. Вся работа была проведена бла-
годаря самоотверженной инициативе группы исследователей. Ни госу-
дарство, ни Академия наук не участвовали в этой увлекательной эпопее.
А учитывая сложность работы с драгоценными камнями в нашей стране
и непростой доступ к современному научному оборудованию (Оже-спек-
троскопия, атомно-силовая микроскопия, молекулярно-лучевая эпитак-
сия и т.п.), можно представить, какие сложности пришлось преодолеть,
чтобы создать новое уникальное обрабатывающее оборудование, развить
технологию и получить эти удивительные экспериментальные результаты.
В книге приводится только описательная часть этих результатов и да-
леко не всех экспериментов. В отдельных случаях автор попытается дать
какие-то свои пояснения и предположения. А в заключительной части
книги он вообще проявит смелость и выскажет свое мнение, свою гипо-
тезу о физических основах новой технологии воздействия.
Насколько эта гипотеза жизнеспособна – покажут новые достижения,
новые результаты экспериментов. А ответ на вопрос: «Что такое алмаз и
что же мы своей технологией с ним делаем?», по всей видимости, предос-
тавит время. Ибо только оно может доказать правильность понимания
великих законов Природы.
В. Карасёв
ГЛАВА 1
Введение
О кристаллах алмаза написано много. Мы не будем повторяться. Чита-
тель самостоятельно может найти в многообразии существующих публи-
каций необходимые ему факты, истории, свойства и сферы применения
этого материала. Все эти публикации описывают алмаз как самое не-
обыкновенное состояние материи в нашем мире. По совокупным свой-
ствам 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 (лампрои-
товой) магмой из глубины Земли. В нашей стране открыты алмазы новых
генетических типов в самых необычных на первый взгляд геологических об-
разованиях – ударно-метаморфогенные (импактные) и динамо-метаморфо-
генные (в метаморфических комплексах) [1]. Алмазы обнаружены и в метео-
ритах. А в космосе существуют бывшие уже потухшие звезды, целиком
состоящие из алмаза. Кристаллизация алмазов в природе – процесс много-
гранный. Современный синтез алмаза есть всего-навсего имитация некото-
рых возможных природных вариантов процессов алмазообразования.
Обрабатывается алмаз в основном только механическим способом и
только алмазом. Это единственный эффективный способ, удовлетворя-
ющий критерию оптимальности воздействия. Этот критерий позволяет
получать приемлемое качество обработки при оптимальных затратах. Эк-
зотические и дорогостоящие методы воздействия на алмаз (термохимия,
плазмохимия, лазерная абляция и др.) в данной работе не рассматрива-
ются, 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 опи-
сания 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 число-
вым программным управлением (ЧПУ), основы которого заложены в [5].
Этот малогабаритный настольный станок позволяет програм-
мировать обороты и частоту воздействия инструмента на алмаз;
задавать давление 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.
Система имеет несколько задаваемых степеней свободы: позициони-
рование обрабатываемого кристалла по основным координатам X, Y, Z,
гониометрическое устройство наклона и вращения кристалла по коорди-
натам θ и ϕ и самое главное, что отличает нашу систему от любого другого
оборудования для обработки алмаза, – двухосевое движение инструмен-
та по осям α и β. Именно это движение и формирует когерентные поля
упругих деформаций в кристалле алмаза, создает квантовые волновые по-
токи с винтовым возмущением волнового фронта.
Используемое гониометрическое устройство крепления объекта дела-
ет возможным с высокой точностью формировать на алмазе поверхнос-
ти, описываемые уравнениями второго порядка [6]: сферические, пара-
болические, конусообразные.
1.2. Принцип воздействия
В традиционном методе обработки кристаллов алмаза в бриллианты [3] об-
рабатывающий инструмент (∅ ~ 3500 мм), шаржированный алмазным абра-
зивом (зернистость абразива, как правило, составляет ~10/7 мкм), вращает-
ся 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 рав-
номерное. Величина линейной скорости движения этих зерен достаточна для
образования микросколов на поверхности хрупкого алмаза, что и обеспечи-
вает 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 зе-
рен абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза, описы-
ваемое 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 ми-
нимуму образование микросколов по моделям Герца и Ауэрбаха [8].
Рассмотрим принцип воздействия инструмента на алмаз немного под-
робнее.
В традиционной технологии обработки алмазов в бриллианты одним
из определяющих моментов является обеспечение стабильности оборо-
тов вращающегося инструмента. В этом случае линейная скорость каж-
дого зерна абразива в точке касания инструмента с алмазом (Vst) является
величиной постоянной (рис. 1.1). На этом рисунке горизонтальная пря-
мая линия – линейная скорость среднестатистического зерна абразива
при использовании стандартной технологии (Vst). Волнистая линия – ха-
рактер изменения скорости аналогичного зерна абразива относительно
обрабатываемой поверхности алмаза при применении квантово-волно-
вого метода обработки (ΔV = V2 – V1).
В нашем случае обрабатывающий инструмент имеет одну ось враще-
ния α (с циклической частотой α) вокруг своего геометрического центра и
одновременно совершает независимое эксцентричное перемещение как це-
лое тело вокруг другой, но неподвижной оси β (с циклической частотой β).
Общий кинематический принцип такого комбинированного двухосевого
движения был реализован ранее в работе [9]. Расстояние между подвиж-
ной α и неподвижной β осями вращения (rа) является аппаратурным факто-
ром и выбирается в соответствии с используемым алгоритмом обработки.
Важно заметить, что параметр ΔV (см. рис. 1.1) как приращение ли-
нейной скорости движения инструмента относительно обрабатывае-
мой поверхности алмаза есть величина постоянная в любой точке кон-
такта обрабатывающего инструмента с кристаллом и зависит только
от rа. Следовательно, и тангенциальное ускорение всех зерен, участву-
ющих в процессе генерации возмущающих волн в обрабатываемом ал-
мазе, будет также инвариантно относительно координат контакта.
В этом суть одного из многих алгоритмов воздействия. В этих алгоритмах
также предусмотрена возможность задаваемых вращательного и возвратно-
поступательного перемещений кристалла алмаза относительно инструмента.
Критерий пространственного постоянства ΔV является определяющим
фактором при создании когерентного волнового поля упругих деформа-
ций в объеме алмаза. Когерентность – согласованное протекание во вре-
мени и пространстве нескольких колебательных или волновых процес-
сов. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается
постоянной во времени.
Частота α вращения инструмента в разработанном оборудовании с
ЧПУ может лежать в диапазоне 0÷10 000 об./мин., частота β – в пределах
0÷120 Гц. Конкретные параметры и соотношения частот в случае незави-
симого двухосевого механического движения инструмента определяются
поставленной целью и задачей при применении этого нового метода об-
работки алмаза.
Обработка алмазной поверхности проводится усовершенствованным
методом [9] в сочетании с принципом волнового возбуждения фононной
подсистемы кристалла [10]. Этот принцип был развит и адаптирован не-
посредственно к процессу механической обработки алмаза. В результате
суть способа обработки можно описать следующим образом.
Скорость распространения акустических колебаний в кристалле алма-
за составляет ~18 350 м/с (скорость распространения продольной волны) и
12 000 м/с (скорость распространения поперечной волны). Продольные
волны (Vp) обусловлены деформациями сжатия-растяжения, поперечные
волны (Vs) вызываются деформациями сдвига. Учитывая размеры крис-
талла 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 ин-
струмента. С незначительными изменениями, продиктованными услови-
ями нашей волновой теории, мы используем инструмент, аналогичный
инструменту, применяемому в алмазообрабатывающей промышленнос-
ти. В этом случае сам принцип воздействия механической обработки (ал-
маз по алмазу) сохраняется.
При определенных условиях такого волнового возбуждения системы до-
стигается значительный уровень локальной концентрации волновой энер-
гии [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 созда-
ется, когда частота колебаний атомов в каждом домене достигает значе-
ния ωD (дебаевская частота колебаний атомов в алмазе, составляющая
10 Глава 1. Введение
~2⋅1014 с–1) и амплитуда колебаний атомов становится соизмеримой с па-
раметром элементарной ячейки а0 алмаза (а0 = 0,357 нм) [2].
Поскольку речь идет о волновых процессах, то целесообразно рассмот-
реть кристалл с точки зрения некоего волнового резонатора с предпола-
гаемой его оптической схемой. В этом направлении исследований мы ос-
новывались на анализе природных пространственных конфигураций
(форм) алмаза, которые подсказали алгоритмы технологического форми-
рования оптической схемы кристалла [11].
Созданный нами метод обработки позволяет формировать поверхно-
сти, описываемые уравнениями второго порядка, независимо от кристал-
лографической ориентации алмаза, поэтому и природный кристалл ал-
маза в наших экспериментах рассматривался с точки 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 точ-
ке поверхности кристалла создает дальнодействующее волновое поле в
его объеме. В этом случае необходимо учитывать уникальную конфигу-
рацию 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 взаимо-
действующих волн поглощается кристаллической средой не равномерно,
а всей порцией, т.е. реализуется квантово-размерный эффект поглоще-
ния волновой энергии. При этом за малое время (~10–15 с) уровень волно-
вой энергии в домене может достигать значения 10–13÷10–14 Дж. Очевид-
но, такие высокоэнергетичные домены являются наиболее вероятными
местами разрушения поверхностного слоя кристалла.
Отметим следующее: при таком локальном разрушении поверхно-
стного слоя упругое давление в этих доменах составляет примерно
(1,6÷2,5)⋅109 Н⋅м–2. Это на порядок меньше величины критического на-
пряжения σс ≅ 2⋅1010 Н⋅м–2, необходимого для возникновения поверхност-
ной 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 ко-
герентного волнового воздействия на кристалл алмаза материал из его
поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нано-
кластеров.
По нашим оценкам, размер этих кластеров находится в диапазоне 3÷350 нм
в зависимости от условий волнового возбуждения при формировании по-
верхности алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при уда-
лении кластеров не превышает 10–14 Дж, т.е. имеет место энергетический
выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реа-
лизации механизма удаления материала в виде нанокластеров.
1.2. Принцип воздействия 11
В морфологических мотивах рельефа реальных поверхностей, обрабо-
танных последовательно от уровня их шероховатости 4,43 нм до 0,52 нм в
условиях когерентного волнового возбуждения, надежно наблюдаются мел-
кие детали высотой (15÷3) нм соответственно. В специальных условиях об-
работки шероховатость может достигать величины ~0,2 нм.
Контроль параметров морфологии шероховатости поверхности алма-
за (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах
высот Rmax) проводился на атомно-силовых микроскопах (АСМ) марки
Р4 Solver и Р47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стан-
дарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.
Разработанный нами кинематический принцип независимого двух-
осевого движения обрабатывающего инструмента является инновацион-
ным и открывает новые ранее неизвестные возможности в обработке кри-
сталлов алмаза [12].
Далее мы приведем примеры экспериментальных результатов воздей-
ствия на кристаллы алмаза. Эти результаты еще ждут своего детального
объяснения и описания. На сегодняшний день этих детальных объясне-
ний 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.