Синтетический алмаз

План

Вступление

1.Основные характеристики  алмаза

2.Основные методы получения  искусственных кристаллов алмаза:

а) Метод, приближенный к естественному возникновению  природных алмазов.

б) Способ наращивания кристаллов алмаза

в) Метод взрыва

г) С помощью катализаторов

3. Производство синтетических  алмазов на Украине.

Список литературы

 

 

Вступление

Обычно слова «выращенный», «синтетический»  по отношению к алмазу ассоциируются  в массовом сознании с минералами, лишь имитирующими в ювелирном изделии  натуральный алмаз - фианитами, цирконами, муассонитами и др. Эти минералы имеют сходный с алмазом коэффициент преломления, близкий к алмазу блеск, но, в общем, не имеют к алмазам никакого отношения. Однако выращенный алмаз по оптическим и физическим свойствам полностью идентичен природному, но выращен в лабораторных условиях. 
 
Первый выращенный алмаз был получен в 1956 году компанией General Electric. Это был маленький камень технического качества. Через 15 лет - в 1971 году - компании удалось вырастить ювелирный алмаз весом в 1 карат. Отсюда и можно отсчитывать историю выращенных алмазов. Технология производства выращенных алмазов довольно сложна. Поэтому, в отличие от большинства синтетических монокристаллов, выращенный алмаз имеет довольно высокую себестоимость, и зачастую выращенный алмаз небольшого размера стоит значительно дороже природного. 
 
Также как и природный алмаз, выращенный кристалл может содержать включения, так как абсолютно чистый бездефектный бриллиант - понятие скорее теоретическое, чем практическое. Отдельно следует упомянуть, что выращенный алмаз, особенно после термобарической обработки, обладает более совершенной кристаллической структурой, чем его природный собрат, что приводит к изменению его люминесцентных свойств - характеру свечения в ультрафиолетовых лучах. 
 
Алмазы с идеально упорядоченной структурой в природе редки, очень редко удается найти правильный монокристалл. Выращенный в лаборатории под контролем специалистов алмаз обладает более совершенной формой..

На сегодняшний день существует множество различных технологий получения кристаллов алмаза, для самых разнообразных целей применения, различной величины, окраски и прочности. Об основных из них я расскажу в данном реферате.

 

Основные характеристики алмаза

Алмаз есть не что иное, как чистый углерод с особой кристаллической решеткой.Другим представителем чистого углерода на Земле является древесный уголь, графит.

Характеристика углерода:

• Атомный вес углерода 12.011;
• Порядковый номер в периодической системе Менделеева 6;
• Количество электронов 6;
• основная валентность 4;
• При нормальном атмосферном давлении в жидкость не переходит;
• При нагревании при нормальном давлении до температуры 3670 ⁰С, углерод; 
  переходит в газ, минуя жидкое состояние.

Характеристика алмаза: Плотность 3.5 гр. см2; Преломление света 2,42 ( Стекло 1, 8); Твердость 2 000 000 усл. ед. (Сталь 30 000, стекло 40 000 относительно талька у которого твердость =1 ); Температура перехода в графит в открытом воздухе - 1200 0С; Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 0С; Единицы измерения алмазов - карат. Один карат равен 0.2 грамма. Алмаз, размерами 1 x 1 см = 17,5 каратов; В алмазе каждый атом углерода соединен с 4 другими атомами углерода и расстояние между ними строго одинаково = 1,54 ангстрем. Расположены атомы углерода в алмазе по углам правильного тетраэдра атомной кристаллической решетки. Атомная кристаллическая решетка алмаза - тетраэдр

Температура испарения углерода составляет 3670 ⁰С (диаграмма 1) критическая точка (Z) (температура 3670 ⁰С. давление -120 атм.) называется первой точкой тройного состояния.

В этой точке возможны переходы углерода в твердое, газообразное или жидкое состояние.

При повышении давления и температуры, получаем вторую тройную точку (D), в  которой возможны состояние углерода в виде кристаллов (алмаз), в виде жидкости и аморфном состоянии (графит).

Наилучший результат получения  алмазов при переходе из жидкого  состояния углерода в кристаллическое - снижение температуры, но по возможности, оставляя очень высокое давление. Огромное значение в технологии производства алмазов играют временные характеристики процесса.

Как было ранее отмечено, углерода в жидком состоянии при нормальных условиях (760 мм рт. столба и 20 ⁰С) не существует. Углерод в жидком состоянии возможен и существует только при давлении свыше 120 атм. и 3740 ⁰С. (диаграмма 1).

Из физических свойств алмаза следует отметить температуру возгорания в среде кислорода которая равна 670 ⁰С, в основном алмаз сгорает без остатка.

При нагревании алмаза свыше 1200 ⁰С без воздуха начинается процесс графитизации алмаза, это и происходит при неправильной технологии процесса производства алмазов.

Следует отметить, что по твердости  нет в мире элемента тверже алмаза, хотя по другим свойствам он может уступать некоторым искусственным элементам.

Способы получения искусственных кристаллов алмаза

Метод, приближенный к  естественному возникновению природных  алмазов

Первым способом получения искусственных алмазов является метод приближенный к естественному возникновению природных алмазов, это сочетание очень высокого давления и высокой температуры.

Этот способ самый надежный, но и самый технологически сложный.Ниже приводится одна из лабораторных установок по получению кристаллов алмаза максимально приближенной к предполагаемой природной схеме возникновения алмазов в земной толще - мощное давление, высокая температура.

Лабораторная установка по получению искусственных алмазов представляет собой пресс высокого давления. В корпус пресса вставляется рабочий цилиндр.

В этом цилиндре предусмотрены сверления  для циркуляции хладагента, и отверстия  для подачи воды под давлением. В этот корпус вставляется камера, выполненная из карбида тантала в которой размещают заготовку - графит который должен превратится в алмаз.

Предусмотрен подвод медных шин  для подачи электрического тока к  рабочей камере.

Технология получения алмаза происходит в несколько этапов.

Вначале, после установки цилиндра в пресс высокого давления, подается вода и происходит процесс предварительного сжатия графита давлением воды, примерно до 2-3 тысячи атмосфер. Вторым этапом подается хладоагент и замораживается вода до температуры минус 12 градусов Цельсия.

При этом происходит дополнительное сжатие графита до 20 тысяч атмосфер за счет расширения льда.

На следующем этапе подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0.3 секунды.

На заключительном этапе размораживают  лед и вынимают алмазы.

Полученные подобным образом алмазы в основном грязного цвета, имеют пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая.

В большинстве своем прочнее естественных алмазов и в основном служат для технических целей.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способ наращивания  кристаллов алмаза

Вторым способом, возможно технологически простым, но сложным по применяемой  аппаратуре является способ наращивания кристаллов алмаза в среде метана (СН₄).

При этом методе кристалл алмаза нагревают до температуры 1111 ⁰С. и обдувают метаном. Давление в рабочей камере может быть небольшим, порядка 0,1 технической атмосферы. Это давление в основном служит для препятствия проникновения в камеру атмосферного кислорода.

Необходимо помнить, что начиная  с 1200 ⁰С алмаз начинает свой переход в состояние графита ( без доступа кислорода).

Процесс наращивания кристалла  алмаза происходит на раскаленной поверхности  алмаза путем добавления атомов углерода в существующую кристаллическую решетку затравочного кристалла алмаза. Количество выделенного углерода (алмаза) 0.2 % от поверхности затравочного кристалла за один час.

Форма кристаллов получаемая подобным способом кубическая, в отличии от природной тетраэдрической, цвет черный, прочность сопоставима с естественными алмазами. По своей сути это чистый карбид, но называется алмазом в связи с очень высокой твердостью полученных кристаллов, и в связи с тем, что в качестве затравочного кристалла используют настоящие алмазы.

Метод взрыва

Третьим способом получения алмазов  является метод взрыва. При этом способе получают очень мелкую алмазную пыль для производства заточных камней, абразивов. Применяют или взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока.

Для получения плотной детонационной волны необходима мембрана которая рвется со скоростью звука в том металле из которого изготовлена мембрана ( для железа это - 5000 м/сек.).

«Подогретый» графит, находящийся  на так называемой "сковородке" в момент прохождения детонационной волны превращается в кристаллы алмаза.

Этот способ дает выход продукции  намного больше в процентном отношении  от количества графита, чем способ высокого давления.

Кристаллы получаются бесцветные, чистейшей  воды, прозрачные, но очень мелкие (30 - 50 мкрн.). Форма кристаллов тетраэдрическая прочность сопоставима с природными алмазами.

Сущность данного способа получения алмазов, методом взрыва, заключается в том, что при подрыве взрывчатого вещества в замкнутом пространстве, детонационная волна при ударе с препятствием на пограничном слое, ударная волна - препятствие, создает одновременно и высокое давление и высокую температуру. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура десятки тысяч градусов. К сожалению ( или к счастью) все это по времени укладывается в миллионные доли секунды и размеры (толщина) детонационной волны не превышает 10-30 микрон.

В момент разрыва мембраны ударная  волна приобретает «плотность»  и своего рода такое качество как - гомогенность. 

Некоторые кристаллики алмазов получаемые подобным способом могут иметь в диаметре до 50 мк. Большое значение в данном способе имеет положка на которой расположен подогретый графит и толщина рабочего слоя.

В данном случае жадность может сгубить  идею в самом прямом смысле этого  понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон. 

Интересны эксперименты по «вторичному» прессованию полученных алмазов тем же способом взрыва, по принципу порошковой металлургии. В данном случае, в алмазном производстве, можно получить кристаллы различного размера и веса из алмазного порошка. В подавляющем большинстве кристаллы мутного цвета. Отмечается хрупкость полученных вторичных кристаллов алмаза. Прочность намного ниже естественных, при обработки возможны «сюрпризы».

С помощью катализаторов

В четвертом способе получения  алмазов применяют катализаторы. Применение катализаторов в алмазном производстве значительно помогает сократить величину давления и температуру. Кристаллы алмаза образуются в разделительном слое между раскаленным графитом и пленкой металла катализатора. При соответствующих подборах технологий можно получать до 50 граммов технических алмазов за один технологический цикл.

Как видим, из диаграммы 3, наилучшим катализатором является железо, затем следуют никель, родий, палладий, платина.

Возникающие на границе перехода графит – катализатор, кристаллы алмаза продолжают свой рост при неизменных условий в рабочей камере до тех пор пока пленка из металла катализатора продолжает соединяться с графитом. 
 
Рост кристаллов продолжается и в самом легирующем металле за счет проникновения атомов углерода через тонкую пленку металла.

Искусственные алмазы полученные подобным способом представляют собой очень мелкие кристаллы (30 -200 микрон).

Полученные при низких температурах кристаллы алмазов имеют квадратную форму строения кристаллов, черного цвета, по прочности равны или превосходят естественные.

Кристаллы полученные при высоких  температурах и больших давлениях имеют октаэдрическую форму, цвет различен - желтый, синий, зеленый, белый, прозрачные и непрозрачные кристаллы. По прочности равны или превосходят естественные алмазы. Влияние катализаторов на цвет очевидно. Примесь никеля в кристаллах алмаза придает алмазу зеленоватые тона, присадки бериллия придают алмазам синие тона расцветки.

Производство  синтетических алмазов на Украине

За последние годы из пяти основных предприятий, специализирующихся на производстве алмазного инструмента, украинским государством было продано четыре. Российская группа компаний «Волгабурмаш» в 2002 году стала основным акционером Дрогобычского завода буровых долот. Продукцию этого предприятия компания использует в основном для оснащения своего нефтепромышленного оборудования. Еще одна российская компания «Союз-М» стала владельцем Бориславского завода искусственных алмазов и алмазного инструмента. Львовский завод «Алмазинструмент», принадлежащий киевской компании «Мегапром», показывает убытки. Крупнейшее предприятие по выпуску технических алмазов — Полтавский алмазный завод (ПАЗ) — купила кипрская компания с американским капиталом Bonarko Ltd. Американцы вскоре разделили завод на два предприятия: одно синтезировало алмазы, другое производило инструменты. Контрольный пакет (51%) первого был продан ирландской компании Element Six (новое название транснациональной корпорации De Beers Industrial Diamonds). Полтавские синтетические алмазы отправляются сегодня в Шеннон (Ирландия) для дальнейшей переработки.

Череда этих покупок лишила Украину замечательной возможности провести консолидацию отрасли и стать сильным игроком на этом рынке. Ведь в своей работе все приватизированные предприятия применяют разработанную в Киеве еще пятьдесят лет назад технологию синтеза искусственных алмазов. Однако почти все они включены в производственные цепочки иностранных компаний, которые теперь используют украинские предприятия лишь в качестве сырьевого придатка. В госсобственности остался последний профильный актив — концерн «Алкон», помимо производственных подразделений имеющий в своем составе тот самый научно-исследовательский институт, занимающийся совершенствованием технологии синтеза алмазов. Этот концерн — последняя надежда на технологический прорыв нашей страны в этой отрасли.