Ударная фрагментация сапфира
Методом ударного разрушения испытаны образцы отожженного в вакууме сапфира, упрочненного сапфира и стекла марки Gorilla Glass. Установлено, что размеры образовавшихся осколков образцов из сапфира в 10–100 раз больше осколков стекла при одинаковой энергии удара....
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Сверхтвердые материалы |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126164 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Ударная фрагментация сапфира / П.В. Коневский, Р.Е. Бродский, Л.А. Литвинов // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 2. — С. 97-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-126164 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1261642017-11-17T03:02:44Z Ударная фрагментация сапфира Коневский, П.В. Бродский, Р.Е. Литвинов, Л.А. Письма в редакцию Методом ударного разрушения испытаны образцы отожженного в вакууме сапфира, упрочненного сапфира и стекла марки Gorilla Glass. Установлено, что размеры образовавшихся осколков образцов из сапфира в 10–100 раз больше осколков стекла при одинаковой энергии удара. Методом ударного руйнування випробувано зразки відпаленого у вакуумі сапфіру, зміцненого сапфіру і скла марки Gorilla Glass. Встановлено, що розміри осколків зразків сапфіру, що утворилися, в 10–100 разів більше осколків скла при однаковій енергії удару. By impact fracture tested samples sapphire annealed in vacuum, hardened sapphire and glass brand Gorilla Glass. It has been established that the size of the fragments formed from sapphire samples 10–100 times more glass shards at the same energy impact. 2015 Article Ударная фрагментация сапфира / П.В. Коневский, Р.Е. Бродский, Л.А. Литвинов // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 2. — С. 97-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0203-3119 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126164 548.52:679.822 ru Сверхтвердые материалы Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Письма в редакцию Письма в редакцию |
| spellingShingle |
Письма в редакцию Письма в редакцию Коневский, П.В. Бродский, Р.Е. Литвинов, Л.А. Ударная фрагментация сапфира Сверхтвердые материалы |
| description |
Методом ударного разрушения испытаны образцы отожженного в вакууме сапфира, упрочненного сапфира и стекла марки Gorilla Glass. Установлено, что размеры образовавшихся осколков образцов из сапфира в 10–100 раз больше осколков стекла при одинаковой энергии удара. |
| format |
Article |
| author |
Коневский, П.В. Бродский, Р.Е. Литвинов, Л.А. |
| author_facet |
Коневский, П.В. Бродский, Р.Е. Литвинов, Л.А. |
| author_sort |
Коневский, П.В. |
| title |
Ударная фрагментация сапфира |
| title_short |
Ударная фрагментация сапфира |
| title_full |
Ударная фрагментация сапфира |
| title_fullStr |
Ударная фрагментация сапфира |
| title_full_unstemmed |
Ударная фрагментация сапфира |
| title_sort |
ударная фрагментация сапфира |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Письма в редакцию |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126164 |
| citation_txt |
Ударная фрагментация сапфира / П.В. Коневский, Р.Е. Бродский, Л.А. Литвинов // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 2. — С. 97-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT konevskijpv udarnaâfragmentaciâsapfira AT brodskijre udarnaâfragmentaciâsapfira AT litvinovla udarnaâfragmentaciâsapfira |
| first_indexed |
2025-07-09T04:28:30Z |
| last_indexed |
2025-07-09T04:28:30Z |
| _version_ |
1837142179226583040 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 2 97
Письма в редакцию
УДК 548.52:679.822
П. В. Коневский*, Р. Е. Бродский,
Л. А. Литвинов (г. Харьков)
*kopamas@gmail.com
Ударная фрагментация сапфира
Методом ударного разрушения испытаны образцы отожжен-
ного в вакууме сапфира, упрочненного сапфира и стекла марки Gorilla Glass.
Установлено, что размеры образовавшихся осколков образцов из сапфира в 10–
100 раз больше осколков стекла при одинаковой энергии удара.
Ключевые слова: сапфир, разрушение, фрагментация, проч-
ность.
ВВЕДЕНИЕ
Монокристаллы сапфира сочетают высокую прозрачность в
видимом диапазоне со стойкостью к механическим нагрузкам и абразивному
износу [1]. Альтернативные материалы – стекло, шпинель MgAl2O4 и AlON –
уступают сапфиру по износостойкости или прозрачности в видимом диапа-
зоне [2]. Одной из характеристик механических свойств материала является
ударная прочность. Ударная фрагментация представляет собой разрушение
материала одним ударом с заданной энергией и является этапом ряда техно-
логических процессов и методов испытаний. В настоящее время для защиты
экранов устройств широко используется упрочненное стекло марки Gorilla
Glass, которое обладает большей прочностью на изгиб по сравнению с сап-
фиром и меньшей твердостью по Виккерсу – 6,5 ГПа (твердость сапфира –
22 ГПа), однако ударостойкость этого стекла не определена.
Целью данной работы было количественное сравнение ударной прочности
сапфира, упрочненного сапфира и стекла.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сапфировые стержни были выращены методом Степанова из сырья
HP:DA®, а затем отожжены в вакууме, часть упрочена отжигом в Н2 при тем-
пературе 1700 °С по методике, разработанной для изготовления прозрачной
брони [3]. Сырье для выращивания синтезируется плазменным методом при
температуре порядка 10 000 °С и не содержит ОН-групп, поэтому кристаллы,
выращенные из него, характеризуются более высокими прочностными свой-
© П. В. КОНЕВСКИЙ, Р. Е. БРОДСКИЙ, Л. А. ЛИТВИНОВ, 2015
www.ism.kiev.ua/stm 98
ствами. Образцы имели одинаковую плотность структурных дефектов (плот-
ность вакансий и малоугловые границы), так как были вырезаны из одного
кристалла. Для экспериментов использовали сапфировые диски диаметром
4,4 мм и толщиной 1,2 мм. Базисная плоскость (0001) была параллельна
плоскости диска. Для сравнения было выбрано наиболее прочное стекло мар-
ки Gorilla Glass.
Образцы разрушали на ударной установке копрового типа (рис. 1). Масса
груза – 3,3 кг, высоту падения груза регулировали. Была выбрана высота па-
дения ударника, равная 18 см, так как при такой высоте действующая на об-
разец сапфира нагрузка разрушала его на фрагменты, имеющие широкий
диапазон масс. При меньшей нагрузке (высота падения груза – 12 см) образ-
цы разрушались на 2–5 фрагментов, а при большей (30 см) – на большое ко-
личество мелких осколков, которые нельзя было взвесить на аналитических
весах, но можно было определить их массу методом фотографирования на
предметном стекле.
При разрушении между дву-
мя металлическими пластинами
образцы нагружаются не по
всей поверхности, а в случай-
ных точках прикосновения. Для
повышения равномерности
нагрузки образцы помещали в
капсулу из полиэтилена. Поли-
этилен заполнял объем между
плоскостями ударников и об-
разцом. В результате при той же
нагрузке сапфир не разрушался
или разрушался на 4–6 крупных
осколков, а характер разруше-
ния стекла не изменился. Раз-
рушение стекла марки Gorilla
Glass подобно сапфиру (на 30–80 осколков) происходило только лишь после
уменьшения высоты падения груза с 18 до 3 см.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Осколки рассыпали по предметному стеклу и фотографировали. Затем оп-
ределяли площадь их изображения на снимках и по этой площади подсчиты-
вали массу осколка. Площади изображений (в пикселях) подсчитывали про-
граммно. По нанесенным на стекле меткам было определено разрешение
снимков: 48 пикселей на миллиметр. Таким образом были измерены площади
проекций осколков на стекло (в мм2). Метод фотографирования [4] позволяет
измерить осколки со значительно меньшей массой, чем та, которую позволя-
ет зарегистрировать точность аналитических весов. Приведем оценку нижней
границы диапазона масс осколков, измеренных методом фотографирования. На
фото регистрируются осколки, площадь изображения которых составляет еди-
ницы пикселей. Возьмем для определенности 10 пкс. Такая площадь на фото
соответствует площади проекции осколка на стекло, равной ∼ 4,36⋅10–3 мм2 и,
считая форму осколка близкой к кубической, получим, что объем его состав-
ляет ∼ 2,875⋅10–4 мм3, а масса – 1,15⋅10–3 мг. Эта масса в 100 раз меньше той,
1
3
2
4
Рис. 1. Схема установки для дробления образ-
цов: 1 – ударник; 2 – наковальня; 3 – кристалл;
4 – груз.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 2 99
что доступна для взвешивания с приемлемой точностью на аналитических
весах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В эксперименте использовали одинаковые по размеру образцы из сапфира
после отжига в вакууме, упрочненного сапфира и образцы, изготовленные из
стекла марки Gorilla Glass.
Распределение осколков по размеру (рис. 2) показало, что максимум рас-
пределения осколков стекла марки Gorilla Glass смещен в сторону мелкораз-
мерной части, т. е. образец разрушается на мельчайшие части (рис. 3), и это
полностью соответствует поведению закаленного стекла при разрушении.
Также наблюдается наибольшее количество осколков размером 3,5.10–3 мм–2.
При той же энергии удара сапфир благодаря намного большей энергии связи
между атомами разрушался на в 10–100 раз большие осколки, и их количест-
во было в десятки раз меньше, т. е. стойкость к удару даже упрочненного
стекла несоизмерима со стойкостью сапфира.
Размер осколков, см
–2
К
ол
и
че
ст
во
о
ск
ол
ко
в,
е
д.
Рис. 2. Распределение осколков по размеру: 1 – стекло марки Gorilla Glass; 2 – упрочнен-
ный сапфир; 3 – сапфир после отжига в вакууме.
а
б
Рис. 3. Образец марки Gorilla Glass до (а) и после (б) фрагментации.
www.ism.kiev.ua/stm 100
Если критерием ударной прочности считать количество образующихся
осколков и принять ударную прочность упрочненного сапфира за 100 %, то
ударная прочность отожженного в вакууме сапфира – 63 %, а упрочненного
стекла марки Gorilla Glass – 7,5 %.
Методом ударного руйнування випробувано зразки відпаленого у вакуу-
мі сапфіру, зміцненого сапфіру і скла марки Gorilla Glass. Встановлено, що розміри оскол-
ків зразків сапфіру, що утворилися, в 10–100 разів більше осколків скла при однаковій
енергії удару.
Ключові слова: сапфір, руйнування, фрагментація, міцність.
By impact fracture tested samples sapphire annealed in vacuum, hardened
sapphire and glass brand Gorilla Glass. It has been established that the size of the fragments
formed from sapphire samples 10–100 times more glass shards at the same energy impact.
Keywords: sapphire, destruction, fragmentation, strength.
1. Dobrovinskaya E., Lytvynov L., Pischik V. Sapphire in science and engineering. – Kharkiv:
STC “Institute for Single Crystals”, 2007. – 480 p.
2. Harris D. C., Johnson L. F., Seaver R. et al. Optical and thermal properties of spinel with
revised (increased) absorption at 4 to 5 μm wavelengths and comparison with sapphire // Opt.
Eng. – 2013. – 52, art. 087113.
3. NATO SfP project No. 981770. Light weight and transparent armours. Duration: 2005–2009.
4. Бродский Р. Е., Коневский П. В., Сафронов Р. И. Распределение осколков сапфира при
ударной фрагментации // Funct. Mater. – 2011. – 18, N 2. – P. 200–205.
Ин-т монокристаллов НАН Украины Поступило 10.06.14
|