Як саме відбувається цей процес, можна побачити на ізобаричних перерізах системи залізо–вуглець (рис. 2). Ці результати узагальнено в нашій роботі [2], в якій діаграми було побудовано в діапазоні тисків від атмосферного до 8 ГПа. Високий тиск змінює топологію діаграми стану і сприяє стабілізації фаз з високою питомою густиною. До таких фаз належать цементит і карбід Fe₇С₃. Ліквідус — зелена лінія на рис. 2, що відокремлює область L+D, — є граничною розчинністю алмазу у вуглеці; саме до цього значення може розчинюватися вуглець і пересичувати розчин у розплаві.

Як правило, синтез алмазів здійснюють не у подвійних, а в потрійних системах, оскільки потрійна евтектика знижує температуру появи рідкої фази і збільшує ресурс апаратів високого тиску. До таких систем належать залізо–нікель–вуглець, залізо–алюміній–вуглець, марганець–нікель–вуглець та ін. У цих системах доцільно вивчати кінетику перетворення, що ми і зробили. На синхротроні ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), розташованому у Греноблі (Франція) було вивчено кінетику кристалізації алмазу в системі Fe–Ni–C [3], а на японському прискорювачі SPring-8 (Super Photon ring – 8), розташованому в префектурі Хього, — кінетику кристалізації алмазу в системі Fe–Al–C [4]. Ступінь перетворення графіту в алмаз (α) залежить від температури: з підвищенням температури графіт розчинюється, алмаз кристалізується і ступінь перетворення змінюється від 0 до 1. Цікаво, що в системі Fe–Al–C на залежності ступеня перетворення від часу (експерименти проводили за трьох сталих температур) можна бачити, що збільшення температури призводить до уповільнення реакції (рис. 3), хоча можна було б очікувати, що зростання температури інтенсифікує реакцію. Причина цього проста. У міру наближення до лінії рівноваги графіт–алмаз зменшується різниця хімічних потенціалів, тобто термодинамічний стимул перетворення, що й зумовлює уповільнення реакції.

Трохи інша ситуація з кристалізацією алмазу спостерігається в системах, що містять воду. Разом з японськими колегами ми досліджували на тому самому синхротроні SPring-8 кінетику кристалізації алмазу в таких системах за тиску 8,8 ГПа і спостерігали інтенсифікацію перетворення зі збільшенням температури [5]. Це означає, що в цьому випадку ми перебуваємо ще далеко від лінії рівноваги графіт–алмаз.

Було побудовано низку діаграм стану за допомогою термодинамічного розрахунку з використанням феноменологічних моделей, у яких параметри взаємодії було знайдено на основі експериментальних даних. Ми дослідили 12 таких систем, і одна з них — це система алюміній–бор–вуглець [6]. На діаграмі плавкості системи Al–B–C за тиску 7,7 ГПа (рис. 4) можна бачити, що область кристалізації алмазу (D) знаходиться поруч з областю кристалізації карбіду Al₄C₃. З цього випливає, що використання сплавів, у яких може відбуватися одночасна кристалізація алмазу і карбіду алюмінію, є недоцільним, оскільки це приводить до включення Al₄C₃, а він дуже легко взаємодіє з вологою повітря, і вже після тижня перебування на повітрі зразки просто розкладаються. Проте, якщо взяти для синтезу матеріалу вуглець і AlВ₁₂, то такий політермічний переріз не містить області кристалізації Al₄C₃, і ми отримуємо міцні зразки з високими фізико-механічними характеристиками.

Як уже зазначалося, третьою за твердістю речовиною є кубічний нітрид бору. Нами побудовано фазову діаграму BN, на якій є фаза низької густини, тобто гексагональний нітриду бору (hBN), рідка фаза і кубічний нітрид бору (cBN). Останні дані свідчать, що, на відміну від алмазу, за кімнатної температури і атмосферного тиску саме кубічний нітрид бору є стабільною фазою [7] (рис. 5).

За допомогою дифракції синхротронного випромінювання ми дослідили кінетику кристалізації кубічного нітриду бору в ряді систем. В одній з них, а саме у системі Li–B–N, зростання температури зумовлює інтенсифікацію швидкості перетворення гексагональної фази в кубічну, що свідчить про те, що ми знаходимося далеко від лінії рівноваги гексагональної і кубічної фаз [8, 9]. 

Повний текст