Различия в определении монокристаллов и поликристаллов

Монокристаллический алмаз и поликристаллический алмаз состоят из атомов углерода, но внутренние различия определяют их совершенно разное применение. Монокристаллический алмаз — это кристалл с непрерывной решеткой и без границ зерен. Его свойства меняются в зависимости от кристаллической плоскости и направления. Твердость и мягкость одного и того же кристалла в разных направлениях неодинаковы. Поликристаллический алмаз — это материал, образованный сочетанием большого количества микроновых или даже более мелких зерен алмаза, с небольшим количеством металлической фазы и мельчайшими порами, остающимися между зернами. Многие источники записывают монокристаллы как монокристаллические алмазы, обобщая сравнение между ними как монокристаллические алмазы против поликристаллических, что по сути одно и то же: компромисс между непрерывными монокристаллами и поликристаллическими агрегатами.

Анизотропия и спайность

Наиболее очевидной характеристикой монокристаллического алмаза является его направленность. Его твердость, износостойкость и поведение при разрушении меняются в зависимости от кристаллической плоскости. Если при изготовлении инструмента не контролировать ориентацию кристалла, режущая кромка может оказаться точно в направлении, которое легко расщепляется. Монокристаллы также имеют четко выраженные плоскости спайности. Когда направление нагрузки и плоскости спайности образуют неблагоприятное сочетание, трещины могут быстро проникнуть через весь кристалл в одном направлении, вызывая внезапное хрупкое разрушение. Зерна поликристаллического алмаза ориентированы случайным образом, и направления соседних зерен отличаются друг от друга. Когда трещины пересекают зерна, они вынуждены отклоняться и разветвляться, потребляя больше энергии. Это также показывает, что, хотя поликристаллы не имеют фиксированного пути, который можно было бы расщепить до самого конца, как монокристаллы, они все же могут разрушаться при ослаблении границ зерен или концентрации напряжений.

Твердость и режущая кромка

Если смотреть только на твердость, монокристаллический алмаз может быть очень выдающимся в благоприятном направлении кристалла, в то время как твердость поликристалла будет немного снижена из-за связующей фазы и пор. Что действительно расширило разрыв, так это режущая кромка. Монокристаллы не имеют внутренних границ зерен или связующих фаз, что позволяет обрабатывать непрерывные, почти без зазубрин, наноразмерные режущие кромки, что делает их идеальными для сверхточной резки цветных металлов, кристаллов и оптических форм. Поликристаллические режущие кромки естественным образом имеют неровности на границах зерен и мелкое выкрашивание частиц, и их предельная острота обычно уступает высококачественным монокристаллам. Сила монокристаллов заключается в их предельном качестве поверхности и точности контура, в то время как сила поликристаллов заключается в том, что режущая кромка остается стабильной даже при износе.

Устойчивость и сопротивление выкрашиванию

Если мы сместим фокус с твердости на вязкость, ситуация изменится на противоположную. Обычный поликристаллический алмаз обычно имеет более высокую трещиностойкость, чем большинство монокристаллов, а хаотично ориентированные зерна могут поглощать часть энергии за счет отклонения и мостиковой связи трещин. Монокристаллы склонны к катастрофическому разрушению, как только дефекты расширяются в неблагоприятных направлениях из-за наличия дальнодействующей спайности. Для буровых резцов, подвергающихся случайным ударам, многоосевым нагрузкам и значительному непрерывному износу, риск отказа в одной точке трудно принять; контроль ориентации кристалла поштучно, а затем укрупнение в режущие элементы на буровом долоте значительно увеличит затраты и сложность управления.

Износостойкость и термические свойства

С точки зрения износостойкости, некоторые кристаллографические ориентации монокристаллов очень износостойки, в то время как другие легче шлифуются, и их характеристики сильно зависят от ориентации. Поликристаллы усредняют различия в разных кристаллографических направлениях за счет случайной ориентации, делая износ более предсказуемым. С точки зрения теплопроводности, как высокочистый монокристалл, так и высокочистый осажденный из паровой фазы поликристаллический алмаз могут достигать очень высоких уровней, в то время как теплопроводность спеченного поликристалла, содержащего металлическую связующую фазу, значительно снижается, а границы зерен и остаточные металлы рассеивают тепловой поток. Также следует отметить, что высокая теплопроводность и высокая термостойкость — это разные вещи. Первое описывает скорость теплопередачи, в то время как второе описывает, могут ли структура и характеристики сохраняться при высоких температурах.

Форма изготовления и практическое применение

Доступные размеры, кристаллические грани и дефекты монокристаллического алмаза необходимо отбирать поштучно, а сложные крупноразмерные режущие кромки ограничены ростом кристалла и обработкой. Поликристаллический алмаз может быть массово произведен в виде дисков, пластин и композитов с помощью порошкового соотношения и высокотемпературного, высокого давления спекания, что делает его более подходящим для промышленного производства. Это объясняет, почему монокристаллы в основном встречаются в инструментах для прецизионной обработки, в то время как резцы PDC, используемые в нефтегазовом бурении, геологоразведке, горном деле и бурении водяных скважин, почти все используют поликристаллический алмаз в качестве рабочего слоя.

Почему буровые резцы используют композитную структуру

Буровые резцы не делают простой выбор между монокристаллом и поликристаллом; их структура представляет собой композитную структуру из поликристаллического алмазного рабочего слоя и твердосплавной матрицы. Поликристаллический слой отвечает за сопротивление абразивному износу породы, в то время как твердосплавная матрица отвечает за поддержку, передачу нагрузок и обеспечение паяемой монтажной поверхности. Хотя монокристаллы остры, им не хватает поддерживающих способностей для установки, переноски и массового производства. Возвращаясь к сравнению монокристаллического алмаза и поликристаллического алмаза, кто больше подходит, зависит от обрабатываемой детали, приложенной нагрузки и преследуемой цели. В конечном итоге, вывод дается конкретными условиями эксплуатации.