Сверхтвердые материалы : рентгенографические, электронно-микроскопические и дериватографические методы исследования сверхтвердых материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2414 

Кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных 
материалов 

Н.И. Полушин 
И.Ю. Кучина 
А.Л. Маслов 

Сверхтвердые материалы

Рентгенографические, электронно-микроскопические 
и дериватографические методы исследования 
сверхтвердых материалов 

Практикум 

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области материаловедения, 
технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров и магистров 
150100 «Материаловедение и технологии материалов» 
и специальности 150701 «Физико-химия процессов и материалов»

Москва  2014 

УДК 539.2 
 
П53 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р хим. наук, проф. А.Г. Ракоч; 
канд. хим. наук О.К. Гулиш (МГУ) 

Полушин, Н.И. 
П53  
Сверхтвердые материалы : рентгенографические, электронномикроскопические и дериватографические методы исследования 
сверхтвердых 
материалов : практикум / 
Н.И. Полушин, 
И.Ю. Кучина, А.Л. Маслов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 57 с. 
ISBN 978-5-87623-796-5 

В практикуме рассмотрены методики решения задач по рентгеноструктурному анализу, электронной микроскопии, анализу дефектов кристаллического строения и методу дериватографического анализа. 
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
150100 «Материаловедение и технологии материалов» и по специальностям 
150701 «Физико-химия процессов и материалов», 210602 «Наноматериалы», 
а также для студентов других направлений, преподавателей, аспирантов 
и слушателей курсов повышения квалификации. 
 

УДК 539.2 

ISBN 978-5-87623-796-5 
© Н.И. Полушин, 
И.Ю. Кучина, 
А.Л. Маслов, 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Исследование структуры и фазового состава 
сверхтвердых материалов...........................................................................5 
1.1. Структура и фазовый состав монокристаллов, порошков 
и поликристаллов алмаза........................................................................5 
1.2. Структура и фазовый состав порошков 
и поликристаллов нитрида бора.......................................................6 
1.3. Рентгеновский анализ сверхтвердых материалов............................7 
2. Прецизионное определение праметров решетки 
сверхтвердых материалов.........................................................................12 
3. Определение размеров областей когерентного рассеяния 
и микронапряжений .................................................................................19 
4. Электронно-микроскопическое исследование 
алмазных микропорошков .....................................................................28 
4.1. Электронная микроскопия..........................................................28 
4.2. Описание работы электронного микроскопа............................30 
4.3. Методики определения межплоскостных расстояний в 
веществе ..............................................................................................34 

5. Рентгенографический контроль поликристаллов 
на основе плотных модификаций нитрида бора..................................35 
6. Метод дериватографического анализа 
и расшифровка дериватограмм ................................................................39 
6.1. Дифференциальный термический анализ......................................39 
6.2. Термогравиметрический анализ.................................................42 
6.3. Дериватографический анализ.....................................................44 
6.4. Расшифровка дериватограмм .....................................................46 
Библиографический список...................................................................56 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Предисловие 

Целесообразность издания работы вызвана отсутствием практикумов, в которых в той или иной степени рассматривались рентгенографический, электронно-микроскопический, дериватографический 
методы исследования сверхтвердых материалов (СТМ). Ранее издававшиеся пособия не содержат современных методов исследования 
образцов из СТМ и обработки полученных данных. 
В практикуме рассмотрены методики решения материаловедческих задач для СТМ средствами рентгеновской, электронной оптики 
и дериватографией. При его составлении предусматривалось, что 
в соответствии с учебными программами обучающиеся должны познакомиться с общей расшифровкой рентгенограмм поликристаллов, 
методами электронной микроскопии и дериватографии. 
Данный практикум состоит из 6 разделов: 1, 2, 3 и 5-й разд. посвящены изучению рентгенографического метода, 4-й разд. – электронно-микроскопическому исследованию, а 6-й разд. – дериватографическому анализу. 
Авторы выражают глубокую благодарность за участие при составлении практикума Н.Н. Степаревой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО 
СОСТАВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Создание эффективных методов получения СТМ требует 
от исследователя проведения комплекса экспериментов в целях 
выяснения влияния различных факторов, таких как давление (Р), 
температура (Т), состав, предварительная обработка исходных 
материалов и т.д. на свойства получаемых СТМ. Существенную 
роль при этом играют структура, фазовый и химический состав, 
как исходных сырьевых материалов, так и самих СТМ. Специалисту в этой области нужно уметь спланировать необходимый 
комплекс структурных исследований, знать, какую информацию 
о реагентах он может получить на различных стадиях процесса, 
уметь связать эту информацию с технологическими параметрами 
и со свойствами получаемых материалов. 

1.1. Структура и фазовый состав монокристаллов, 
порошков и поликристаллов алмаза 

Известно, например, что структура исходного углеродного материала 
существенно влияет на процесс синтеза алмазов. Экспериментально показано и теоретически обосновано, что от степени кристаллического совершенства, размера исходных кристаллитов углеродных материалов 
зависят такие характеристики процесса синтеза, как пороговое давление, 
число центров кристаллизации, скорость роста кристаллов и др. 
К углеродным материалам с разупорядоченной структурой относятся различные сорта сажи, коксов, стеклоуглерод, продукты термической карбонизации органических веществ и др. На дифрактограммах этих материалов наблюдается значительное размытие интерференционных пиков (гало). 
При синтезе алмазных порошков и монокристаллов используются 
различные марки графитов. Например, графит ГМЗ характеризуется малозольностью (0,03 %), крупнозернистостыо, пористостью (27...30 %). 
Графит МГ является более плотным, мелкозернистым материалом с высокой изотропностью свойств; пористость его может достигать 32 %. 
Структура и фазовый состав металла-катализатора также 
представляет интерес с разных точек зрения. Проведение рентгеноструктурного анализа необходимо при исследовании продуктов кристаллизации особенно в сложных по составу системах. 

При изучении растворимости углерода в металле удобно, например, использовать зависимость периода решетки а (Å) металла 
от содержания углерода. Для некоторых металлов эти зависимости известны. Например, они составляют: 
– для Ni а = 3,5238 + 0,0074  х; 
– для Fe а = 3,573 + 0,0073  х, 
где х – концентрация углерода в металле, выраженная в % ат. 

Для других металлов эти зависимости можно определить экспериментально с помощью эталонных образцов. 
При изучении ультрадисперсных алмазных порошков, получаемых детонационными методами, представляют интерес такие структурные характеристики, как размер областей когерентного рассеивания (ОКР), микроискажения, период решетки, а также фазовый 
состав порошков, который кроме алмазной фазы может включать 
графит, лонсдейлит и другие фазы. 
При анализе спеченных поликристаллов алмаза типа СВ, СКМ, 
АСБ, АКТМ и др. большой интерес представляет изучение их фазового состава, в значительной степени определяющего их эксплуатационные свойства.  

1.2. Структура и фазовый состав порошков 
и поликристаллов нитрида бора 

Основными кристаллическими формами нитрида бора, характеризующимися различным пространственным распределением 
прочных направленных связей, являются графитоподобная (двухмерное распределение связей) и алмазоподобная (трехмерное распределение связей). Эти две кристаллические формы подразделяются на политипы: гексагональный и ромбоэдрический ΒΝр, сфалеритный ΒΝсф и вюрцитоподобный BNв. Кристаллохимические 
характеристики различных политипов нитрида бора представлены 
в табл. 1.1. 
В синтезированных поликристаллах нитрида бора (ПКНБ, 
Гексанит-Р, эльбор и др.) могут быть все указанные модификации нитрида бора. Например, Гексанит-Р содержит равные количества сфалеритоподобной и вюрцитоподобной модификаций 
нитрида бора. Допускается содержание в нем до 5 % (масс. доли) 
графитоподобной модификации BNг (большее количество BNг 
резко ухудшает свойства поликристаллов).