Способы производства и свойства искусственных алмазов. Применение природных и искусственных алмазов
Минералы и полезные ископаемые имеют свойство заканчиваться в недрах земли. Но у людей есть потребность в использовании различных минералов, в том числе и алмазов. Поэтому с развитием технологий начинается разработка и переход на искусственную добычу камней. Искусственные алмазы практически ничем не отличаются на сегодняшний день от натуральных минералов. По виду камни сложно отличить даже геммологам, что свидетельствует о высоком уровне сходства.
Искусственный алмаз
Ценные свойства алмаза
Конечно, даже развитие аппаратуры и технологий еще не стало причиной полного перехода от природных камней на синтетические алмазы. Пока компании по в лабораториях руководствуются принципом «два из трех»:
- качество;
- размер;
- рентабельность.
Два из трех критериев выбирается в процессе, но пока предел или идеал не достигнут, ученым есть к чему стремиться.
Большинство людей видят в магазинах алмазы уже в обработанном виде в качестве бриллиантов. Камни оправляются в драгметаллы и выступают в роли дорогостоящих украшений.
По химическому составу бриллиант является углеродом с особым строением кристаллической решетки. Происхождение минералов точно не известно. Существует даже теория космического происхождения алмазов. Наверное, поэтому сложно полностью повторить или воссоздать картину образования камня в лаборатории.
Первые попытки синтезировать камень начались после исследования структуры алмаза - она очень плотная, кристаллическая решетка состоит из атомов, соединенных ковалентными сигма-связами. Разрушить эти соединения легче, чем их сформировать.
Несмотря на то что бриллиант является украшением номер один, камень используется во многих сферах, помимо ювелирного дела. Именно этот фактор и натолкнул ученых на синтез искусственных камней. А еще алмаз имеет уникальные характеристики с точки зрения химии и физики:
- Самая высокая твердость (10 из 10 по шкале Мооса). Даже состав сплава стали не настолько твердый, как алмаз.
- Температура плавления вещества 800-1000 градусов Цельсия с доступом кислорода и до 4000 градусов Цельсия без доступа кислорода, с дальнейшим превращением алмаза в графит.
- Алмаз используется в качестве диэлектрика.
- У минерала самая высокая теплопроводность.
- Камень обладает люминесценцией.
- Минерал не растворяется в кислоте.
Выход на рынок синтетических алмазов может случиться в один момент и стать неожиданностью. Алмазная индустрия претерпит изменения, уменьшатся объемы продаж. Из камня начнут изготавливать полупроводники. Из-за высокой температуры плавления, полупроводники из алмаза можно разогревать до больших показателей, чем кремний. При температурах около 1000 градусов Цельсия кремний в микросхемах начинает плавиться и отключается, а алмаз продолжает работать.
Искусственный алмаз - действительно полезная вещь в науке и производстве. Среди ученых, которые занимаются синтезом алмазов для промышленности распространена такая поговорка: «Если ничего нельзя сделать из алмаза, сделайте из него бриллиант».
Методики создания вещества
Первые попытки получить алмаз искусственный начались еще в конце XVIII века, когда стало известно о составе камня, но технологии не позволяли воссоздать нужную температуру и давление для образования минерала. Только в пятидесятых годах XX века попытки синтеза вещества увенчались успехом. Среди стран, выращивающих алмазы, были США, ЮАР, Россия.
Оборудование для создания искусственных алмазов
Первые синтетические алмазы были далеки от идеала, но сегодня камни практически неотличимы от природных алмазов. Процесс выращивания является трудоемким и материально затратным. Существует несколько вариантов и форм синтеза алмаза:
- Способ получения HPHT-алмазов. Эта методика близка к природным условиям. При ней необходимо соблюдать температуру 1400 градусов Цельсия и давление в 55000 атмосфер. В производстве используются затравочные алмазы, которые кладут на пласт из графита. Размер затравочных камней до 0,5 миллиметров в диаметре. Все компоненты размещают в специальном устройстве, напоминающем автоклав в определенном порядке. Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла, который является катализатором, затем прессованный графит. Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. Синтез продолжается от 4 до 10 дней, все зависит от требуемых размеров камня. Весь потенциал методики не раскрыт, и не все ученые доверяли этой технологии, пока не увидели созданные крупные кристаллы ювелирного качества. Огранка у полученных камней одинаковая.
- Синтез CVD-алмазов. Аббревиатура расшифровывается, как «осаждение из пара». Второе название процедуры - пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. Именно она создает промышленные алмазы, которые можно использовать даже для лезвий в микрохирургии. По технологии также нужна подложка, на которую помещается алмазная затравка и все это располагается в специальных камерах. В таких камерах создаются вакуумные условия, после чего пространство заполняется газами водорода и метана. Газы разогреваются с помощью СВЧ-лучей до температуры 3000 градусов Цельсия, и углерод, который был в метане, оседает на основу, которая остается холодной. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота. Эта методика напугала большинство концернов, добывающих камень в природе, поскольку она способна дать чистый и большой кристалл. Такой камень практически не будет иметь металлических примесей и его сложнее будет отличить от натурального. Алмазы, полученные по этой технологии, можно будет использовать в компьютерах в качестве полупроводника вместо кремниевых пластин. Но для этого необходимо усовершенствовать методику выращивания, поскольку пока размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин доходят до отметки 1 сантиметр, но через 5 лет планируется достижение планки в 10 сантиметров. А стоимость карата такого вещества не будет превышать 5 долларов.
- Способ взрывного синтеза - одна из последних задумок ученых, позволяющих получить искусственный алмаз. Методика дает возможность получить искусственный камень за счет детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения после взрыва. Кристаллы в результате получаются мелкие, но способ приближен к естественному образованию минералов.
А еще недавно возникло направление, позволяющее создавать мемориальные алмазы. Эта тенденция позволяет увековечить память о человеке в камне. Для этого тело после смерти поддается кремации, а из праха изготавливается графит. Далее графит используется в одном из способов синтеза алмазов. Так, камень содержит в себе останки тела человека.
Поскольку все способы дорогостоящие, нередко в ювелирном деле используют не искусственные вещества, а подделки или другие разновидности камня. Стекляшка среди алмазов - самая дешевая и устаревшая практика. На сегодняшний день она неудачная, поскольку распознать подлинник от подделки можно легко - достаточно царапнуть камень или посмотреть на игру света. Чаще всего в качестве бриллиантов продают фианиты.
Перспектива развития синтеза алмаза
Будущее синтетического алмаза начинается именно сегодня. Искусственный минерал стал символом времени, и вскоре у людей появится доступ к недорогим и красивым изделиям. Но пока технологии находятся на стадии развития и совершенствования. Например, лаборатория в Москве способна выращивать по вышеперечисленным технологиям до 1 килограмма алмазов в год. Конечно, этого мало для обеспечения потребностей промышленности. Дальнейшие обработки добываемых камней также требуют времени и оборудования.
Поэтому пока ведется традиционными способами, и никто не отказывается от разработки новых месторождений, открытия кимберлитовых трубок. Как только появилось производство искусственных алмазов, компания De Beers - практически монополия на рынке алмазов - начала переживать о своем бизнесе. Годовой оборот концерна составляет до 7 миллиардов долларов в год. Но пока синтетические камни не являются конкурентами натуральным алмазам, а их доля на рынке достигает всего 10%.
А еще, вместе с синтезом, развивалась и геммология, которая позволяет рассказать о происхождении камня. Синтетические алмазы можно легко отличить от натуральных. В качестве признаков выделяют:
- включения металлов в камнях из лаборатории;
- секторы роста, которые определяются в цветных алмазах;
- разный характер люминесценции алмазов.
Технологии и знания ученых совершенствуются с каждым днем. Процесс запущен, над ним работают специалисты. В скором времени мир увидит результаты и, возможно, даже откажется от традиционной добычи алмазов из недр земли.
Технология производства синтетических алмазов
Развитие исследований по сочанию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений профессора Гарвардского университета П.У. Бриджмена. Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, но при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления превращения графита в алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза.
Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до 1500 o С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл.
Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной "халфбелт". Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции "белт" .
16 декабря 1954 г. пришел первый успех. Холл позднее писал: "Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 o С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца.
Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз. Катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление достаточны.
Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался "белт" (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Полученные синтетические алмазы были техническими.
Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса.
Согласно патенту "Дженерал электрик", типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 o С под давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 o С за 8 мин. Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400 o С. Также доказано, что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой.
Аппарат высокого давления "белт" компания "Дженерал электрик" впоследствии заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в то же время. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации, требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку. Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.
Параллельно с работами "Дженерал электрик" исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам. В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм и температура до 2760 o С. Размеры алмазов, получаемых в обоими фирмами, были существенно меньше 1 мм. В опытах ASEA образовывалось 20-50 кристаллов размером 0,1-0,5 мм.
В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500 o С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.
Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8 мм.
Производство ювелирных синтетических алмазов
Приводим схему аппарата, применявшегося для выращивания крупных кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла.
Не следует думать, что производство синтетических технических алмазов в огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время.
Способы получения ювелирных алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф наконец добился успеха в выращивании алмаза на затравке. Затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания необходимых условий в области его стабильности.
В используемой Уэнторфом методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420 o С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 o С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60 000 атм. Лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.
В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит. Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм/час. Когда размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост может происходить со скоростью 0,04 мм/час и для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней.
Проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать синтетические алмазы большего размера. В настоящее время крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит 1 карат (0,2 г). Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы оказываются дороже или сопоставимы с ценой природных кристаллов аналогичных размеров. На фото вверху представлены синтетические алмазы массой 1 карат, выращенные Робертом Уэнторфом, и графит, использованный как исходное вещество.
Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности знаменитый алмаз "Хоуп", также обязаны своей окраской присутствию этого элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов полезно для понимания некоторых алмазов и способов образования их в природе.
Прямое превращение графита в алмаз
Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. Результаты первых эекспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из "Аллайд кемикл Корпорэйшн", были опубликованы в 1961 г.
Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200 o С и давление порядка 300 000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра). Они сопоставимы с так называемым "карбонадо", встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием высокой температуры, возникающей при прохождении метеорита через плотные слои атмосферы, и мощной ударной энергии, возникающей при ударе метеорита о земную поверхность.
В 1963 г. Фрэнсису Банди из "Дженерал электрик" удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке "белт" с большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000 o С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды), что существенно дольше, чем в экспериментах Де-Карли и Джеймисона. Размеры новообразованных частиц были в 2-5 раз больше по сравнению с получающимися при ударном сжатии.
В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200-102 МПа и температуры до 2000 o С и в графите образуются мелкие (до 10-30 мкм) синтетические алмазы.
В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10-102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод независимо был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.
Внимание этих ученых привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре. Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.
Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600-1600 o С, общее давление газа - одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. Помимо алмаза в газовой фазе образовывались скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует дальнейшему осаждению алмаза. Для этого предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000 o С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста алмазов.
Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые для выращивания алмаза этим методом, характеризуются температурой 1020 o С и давлением метана 0,07 мм рт. ст.
Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.
Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в университете штата Огайо. Используемые ими условия роста: температура 1000 o С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. - близки к условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также характерны только для начальной стадии процесса.
Фирмой "Дженерал Электрик" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.
Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей.
Облагораживание алмазов облучением
Рассказ о синтетическом алмазе был бы неполным без информации об использовании ядерного облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной разновидности.
Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла альфа-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности альфа-частиц в твердое тело. Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до нового витка развития в конце 40-х годов XX века ядерной физики.
Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электронами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны, обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в инертном газе при 900 o С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных Штатах.
В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип кристаллов назван Iб, тогда как наиболее распространенные отнесены к типу Iа.
Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие азота. К нему относятся наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIа, а очень редкие содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип IIб. Среди алмазов типов I6 и II6 встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.
В таблице ниже приведены сведения о цвете поступающих в продажу облученных алмазов. Вообще имеет смысл облучать только крупные кристаллы, поскольку повышение цены мелких алмазов не оправдывает затрат на их обработку.
| Метод | Тип Iа | Тип Iб | Тип IIа | Тип IIб |
| Нейтронное облучение | Зеленый | Зеленый | Зеленый | Зеленый |
| Нейтронное облучение + нагревание | Янтарно- желтый | Янтарно- желтый | Коричневый | Пурпурно- красный |
| Облучение электронами | Зеленый | Синий или зеленовато- синий | Синий или зеленовато- синий | - |
| Облучение электронами + нагревание | Янтарно- желтый | Пурпурно- красный | Коричневый | - |
Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски распространена достаточно широко, возникла новая проблема. Некоторые даже подконтрольно облученные алмазы в течение длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием примесей долгоживущих радиоактивных изотопов. Насколько эта проблема серьезна - до конца не ясно. Но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует, он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную радиоактивность и об опасном методе облагораживания минерала. В любом случае бесконтрольное облагораживание камней в третьих странах делает эти камни опасными, так как неизвестно, чем именно камень облучали и каковы последствия этого облучения. Покупатель должен иметь выбор осознанно отказаться от потенциально опасной покупки.
Синтетические алмазы, или бриллианты, это искусственно выращенные бриллианты, возникшие в результате человеческой деятельности, относящиеся к классу промышленных изделий. Такие камни обладают той же атомной структурой, химическим составом и физическими свойствами, что и настоящие добытые бриллианты, к тому же они производятся из тех же материалов, а именно: чистый углерод, кристаллизованный в изотропичную кубическую форму.
Уникальные свойства синтетических алмазов делают их превосходным продуктом для удивительно разнообразного применения в промышленности, науке и быту. Сочетание свойств делает искусственный алмаз одним из самых впечатляющих материалов в мире.
Отсутствие дефектов кристаллической решетки считается основным выдающимся свойством алмаза. Чистота и совершенство кристалла делают алмазы прозрачными, высокая теплопроводность актуальна для сферы промышленности, а твердость, оптическая дисперсия и химическая стойкость сделали алмаз популярнейшим драгоценным камнем. Оптическая дисперсия присуща всем алмазам, остальные характеристики могут варьироваться в зависимости от метода и условий создания.
Свойства бриллиантов включают:
Оптические свойства и цвет синтетических алмазов
Искусственный бриллиант имеет самый широкий спектральный диапазон из всех известных материалов: от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и микроволнового. В сочетании с механическими и термическими свойствами алмазы идеальны в производстве лазерной оптики, применении лазеров.
Бриллианты можно встретить в любом вообразимом цвете с бесчисленным количеством оттенков, тонов и уровней насыщенности. Цвет возникает из-за включений на уровне атомов, застрявших в кристаллической решетке камня.
Цвет состоит из 3 основных компонентов:
Созданные в лаборатории бриллианты выращиваются в трех потрясающих цветах – желтом, синем и бесцветном. Эти цвета являются перманентными, никогда не меняются, не выцветают со временем или из-за температурного воздействия.
Рассмотрим более подробно:
Заменители драгоценного камня
Заменитель бриллианта это материал, внешний вид которых сильно напоминает настоящие бриллианты. Если эксперт не осмотрит заменитель на близком расстоянии, имитация почти неотличима от настоящего алмаза. Поддельные камни, в отличие от оригиналов, не имеют кристаллической решетки углерода.
Подделки алмазов существовали еще в 1920 году – были обнаружены формы шпинели, такие как корундолит и радиент, а десятилетиями позже – формы титаната стронция, сапфира, рутила и других минералов, возглавивших мировой рынок фальшивых бриллиантов.
В последние годы появился новый класс алмазов-имитаторов со значительным повышением качества. Одним из наиболее распространенных имитаторов бриллиантов является диоксид циркония, или фианит.
Обнаруженный в 1976 году материал занимает второе место после муассанита в производстве фальшивых бриллиантов. Материал смешивают со стабилизирующим агентом, например оксидом кальция или иттрия оксидом. Фианиты доступны на рынке в различных цветах и чистоте/яркости.
Бесцветный фианит является одним из самых дорогих, поскольку произвести его тяжелее всего.
Коэффициент относительной плотности добытого алмаза ниже, чем у фианита, этот фактор используется как эффективная проверка на подлинность бриллианта, осуществляемая посредством специального устройства, напоминающего перо ручки. Фальшивка тяжелее и приобретает характерный зеленовато-желтый цвет при воздействии коротковолнового ультрафиолетового излучения.
Муассанит ярче, чем алмаз, и его сложнее отличить от настоящего бриллианта, чем фианит. Химически он известен, как карбид кремния или карборунд. Генри Мауссан получил Нобелевскую премию за открытие материала муассанита, найдя фрагменты метеорита в кратере. Свойства мауссанита позволяют выдавать его за настоящий бриллиант даже при самых минимальных человеческих усилиях и современных методах обработки.
Покупатель камня может быть легко обманут, купив вместо бриллианта реплику. Природные бриллианты имеют шероховатую поверхность и черные включения, у муассанита же нет косметических дефектов, эстетические качества материала оцениваются очень высоко.
Некоторые другие заменители бриллиантов доступные сегодня – циркон, белый топаз, синтетический рутил, белый сапфир и алюмоиттриевый гранат. Эти поликристаллические синтетические бриллианты производятся методом химического осаждения из газовой фазы при низкой температуре и низком давлении.
К заменителям относится также стеклянный бриллиант, симулянт, изначально сделанный из горного хрусталя, а сегодня - из стекла или акриловых полимеров.
Еще в XVIII веке ювелиру из Эльзаса Георгу Фридриху Страссу, от чьего имени и получил название материал, в голову пришла идея наносить на нижнюю сторону свинцового стекла (хрусталя) металлическую пудру. Сегодня некоторые компании используют метод осаждения металла, получая равномерное тончайшее покрытие.
Хрустальные стразы производятся австрийской компанией Swarovski и компанией Preciosa из Чехии.
Технология выращивания искусственного камня
Метод получения искусственных алмазов осуществляется посредством ручного управления температурой и давлением в лабораторных условиях. На сегодняшний день существует 2 варианта получения техногенных камней, достаточно крупных для создания ювелирных изделий:
Как вырастить алмаз в домашних условиях?
Для того чтобы провести опыт и узнать, как сделать алмаз дома, вам понадобится:
Рассмотрим процесс поэтапно:
Примечание: из-за масла в микроволновой печи могут появиться искры, это не страшно, искры перестанут появляться спустя несколько минут. Внутри кружки температура невероятно высокая, поэтому конструкцию трогать не нужно до полного остывания.
Федеральная торговая комиссия США настаивает на том, чтобы синтетические бриллианты были маркированы лазерной гравировкой. Другим доступным способом, устанавливающим различие между добытым природным алмазом и камнем, выращенным в лаборатории, является использование научного аппарата и программы, изучающей и фиксирующей характерную кристаллическую решетку.
На сегодняшний день самым крупным синтетическим бриллиантом в России является камень в 10,07 карата темно-синего цвета с изумрудной огранкой, выращенный российской компанией по производству алмазов “Нью Даймонд Технолоджи”.
Камень был получен методом использования высоких температур и высокого давления. Международный Геммологический Институт сертитфицировал данный алмаз, как имеющий ясность Si1, когда включения заметны опытному грейдеру с 10-кратным увеличением, камень имеет легкое свечение, отличные пропорции, симметрию и глянец.
Словосочетание «белорусские бриллианты» для нашего уха звучит так же, как и «белорусские креветки». Но не торопитесь с шутками. Мало кто знает, что в девяностые в Беларуси построили один из первых в мире заводов по синтезу алмазов, что за белорусскими учеными из этой сферы готовы гоняться мировые промгиганты, а качество кристаллов оценили на международном уровне.
Первый в мире синтезированный алмаз получила компания General Electric еще в 1950-х годах при помощи специального пресса. Небольшой грязный камешек по свойствам ничем не отличался от природных алмазов. Была только одна загвоздка: денег на его синтез нужно было гораздо больше, чем при добыче в природе. На это дело махнули рукой и до 1980-х годов про выращивание алмазов благополучно забыли.
Одни из первых попыток получить алмазы с помощью электродуговой печи. В конце 1980-х ученые из Новосибирского отделения Российской академии наук создали беспрессовый аппарат «разрезная сфера» (БАРС), при помощи которого впервые в мире получили синтезированный алмаз, готовый конкурировать с природным не только по качеству, но и по себестоимости. У первых синтезированных новосибирских алмазов она была значительно ниже.
Отставной генерал, семеро ученых и $5 млн
После удачной апробации в 1990-х семеро известных советских ученых (двое из них — белорусы) загорелись идеей создать первый в мире завод по синтезу алмазов. Площадкой благодаря хорошему географическому положению выбрали Беларусь.
Ученые стали учредителями компании «Адамас». Они взяли в «Промстройбанке» СССР кредит на 51 млн советских рублей и начали
строительство в деревне Атолино, что под Минском.
Аппараты БАРС.
Завод должен был быть довольно крупным: трехэтажное здание, 220 работников. Но денег не хватало, поэтому позже в состав учредителей вошли тогдашний «Белпромстройбанк», который выделил предприятию кредитную линию в $5 млн, а также двое известных в советские времена бизнесменов, внесших еще $2,5 млн.
Инвесторы успели только завершить здание, поставить 120 аппаратов БАРС и немного отработать технологию, как тут у бизнесменов-учредителей начались проблемы — они оставили завод без денег.
Неожиданно четверых ученых переманивает в США генерал в отставке Картер Кларк. Оказывается, в 1995 году он за $60 тыс. купил технологию производства синтезированных алмазов и основал компанию Gemesis Diamond. К слову, все было оформлено официально, так как России на то время остро нужны были деньги и она распродавала свои научные разработки.
Ученые оставили «Адамас» и уехали к Кларку.
Один из крупнейших производителей синтезированных алмазов в мире.
Оказавшись в тяжелом положении, учредители пытались вернуть кредитные
деньги банку, но тщетно. В 1999 году в отношении руководства «Адамаса»
возбудили уголовное дело. Разбирательство шло пять лет, сумму ущерба
оценили в $7 млн. Бизнесмены и юрист уехали за границу. Однако четверых
все же посадили.
После выхода на свободу никто из прежних руководителей «Адамаса» в
Атолино не вернулся. Уехали в Санкт-Петербург и Москву и оставшиеся трое
ученых, а с ними — и технология синтеза алмазов.
Первые синтетические бриллианты.
Так в мире появилось три крупнейших центра синтезированных алмазов:
Москва, Питер и американский штат Флорида. Есть еще несколько мелких
компаний, но говорят, что все ниточки ведут все к тем же семерым.
Что все это время происходило с самим заводом? Его передали на баланс
Белгосуниверситета. В одной из частей здания функционировало
предприятие РУП «Адамас БГУ»: ученые проводили исследования, изучали
производство технических алмазов, совершенствовали его. Правда,
эксплуатация установок обходилась очень дорого и финансовый вопрос
становился все острее.
Белорусские бриллианты
«Когда китайцы, арабы и израильтяне стали уговаривать продать производство, стало понятно: спрос есть»
На краю Атолино стоит то самое трехэтажное здание завода, о котором так
грезили советские ученые — обычное производство с крашеными стенами и
свежим ремонтом внутри. На проходной здесь — милиционер и строгий
пропускной режим.
Несколько лет назад предприятие «Адамас БГУ» перешло в структуру
Управления делами президента. А чуть больше года назад проректора
Академии управления при президенте Максима Борда попросили оценить
ситуацию в Атолино: есть смысл наладить там производство или же проще
сдать аппараты в утиль?
— Признаюсь сразу: по образованию я юрист и тема производства алмазов
для меня была нова, — Максим Наумович ведет нас в цех. — Я стал
штудировать литературу, смотреть зарубежный опыт. Честно, сам не верил в
то, что наши кристаллы на самом деле хорошие и их можно продавать. Но
поездил по выставкам, показывал алмазы, ограненные бриллианты, которые
вырастили у нас в цеху, — специалисты восторгались качеством. А когда
стали звонить армяне, китайцы, израильтяне с уговорами продать
оборудование, уже окончательно понял: перспективы есть.
Так в ноябре 2016 года появилось ООО «АдамасИнвест» (предыдущее
предприятие сейчас на стадии ликвидации). Оно также подчиняется
Управлению делами президента и работает по специальному проекту
«Восстановление производства синтезированных алмазов и развитие
ювелирного производства изделий со вставками из получаемых бриллиантов».
Работает здесь 45 человек.
— Под этот проект мы получили заем. Деньги возвратные, есть четкие
сроки, — подчеркивает Максим Наумович. — Мы разработали подробный
бизнес-план, за полгода привели в порядок здание, восстановили цех и
запустили ювелирное производство. Фактически на него мы сейчас и делаем
упор.
На рынок технических алмазов, по словам Максима Наумовича, смысла идти
нет: всех игроков уложил на лопатки Китай. Девять лет назад Киевский
инструментальный завод продал КНР образец специального пресса. Китай
наштамповал их 40 тыс. штук, в 2014 году вышел на рынок технических
алмазов и обвалил его в 20 раз. Поэтому даже несмотря на то, что
белорусские технические алмазы по качеству превосходят китайские, стоят
они впятеро дороже.
— На ювелирный рынок Китай пока не идет. Думаю, его не пускают два
крупнейших игрока: подконтрольная США De Beers и российская «Алросса».
Поэтому в синтезе ювелирных алмазов у нас неплохие шансы, — заключает
Максим Борд.
Температура может вырасти до 2 тыс. градусов, давление — до 20 тыс. атмосфер
Огромный зал с десятками цилиндров и минимум рабочих — так выглядит цех с
теми самыми БАРСами, которых здесь 120 штук. Обслужить все аппараты за
смену могут слесарь и инженер. Всего же в цеху работает 10 человек.
— Они проектировались в 1970-х, но в производстве алмазов для ювелирных
целей и лучше БАРСов пока не найти, — показывает раскрытую полусферу
Максим Наумович. — Вообще, в настоящее время в мире существует две
технологии получения алмазов: HTHP (high temperature, high pressure —
высокая температура, высокое давление) и CVD (chemical vapor deposition —
химическое осаждение из паровой фазы). Последняя хороша для
производства технических алмазов, но не очень пригодна для ювелирных.
Дело в том, что в газовой среде камень растет ровными слоями, а в
природе — неравномерно, как и при технологии HTHP, которую мы
используем.
Максим Наумович показывает пульт управления цилиндрами. Это
специальная аппаратура, которая контролируется вручную. При малейших
отклонениях от заданных значений работники регулируют показатели.
— Казалось бы, пусть бы компьютер следил за тем, как растут алмазы. И у
меня, честно говоря, были мысли автоматизировать этот процесс, —
рассуждает директор. — Но когда я увидел нашу технологию, то понял:
смысла нет. Во-первых, дорого, вложения не окупятся. Во-вторых, рост
алмазов зависит от десятка нюансов: например, от перепадов температуры
во внешней среде на различных этапах. Сможет ли компьютер учесть все эти
нюансы и среагировать, как человек? Мы думаем, что пока нет.
Сами БАРСы устроены довольно просто: 3,5 тонны металла, шланг для подачи
масла, которое создает давление, и контакты, дающие ток и температуру.
Внутри аппарата — две сферы: большая и поменьше. Каждая сфера состоит из
шести частей — пуансонов, изготовленных из специального легированного
сплава. Большие весят по 16 килограммов, маленькие — чуть меньше
килограмма. Маленькие пуансоны — это фактически расходный материал. Они
стоят по $200 и выходят из строя в среднем после пяти синтезов.
— Температура на входе в аппарат — 1500 градусов, давление — 1800
атмосфер, — объясняет директор. — Внутри температура может вырасти до 2
тыс. градусов, а давление — до 10—20 тыс. Температура и давление
меняются на протяжении всего роста алмаза. Это трое суток, а не
столетия, как в природе.
В самом центре сферы находится специальный фарфоровый кубик. В нем,
как говорит Максим Наумович, и есть «вся наука». Перед тем как кубик
отправят в БАРС, его «фаршируют»: закладывают специальную спрессованную
таблетку, состоящую из отдельных компонентов, как правило, металлов,
здесь же и маленький кусочек алмазика, который потом вырастает в большой
камень и графитовый стержень (графит — это среда, которая дает алмазу
возможность расти). Потом кубик сушится в печи, пропитывается
определенными материалами, и только после всех этих процедур его можно
закладывать.
Вырастет алмаз или нет, зависит даже от теплоты рук работников
— Технология производства очень «капризна», — добавляет Максим Наумович.
— Алмаз может вырасти большим, может — маленьким, хорошим или плохим, а
то и совсем не растет. Все зависит от десятка факторов: от рук
инженера, который собирает кубик, от того, как он просушит его,
правильно ли пропитает, — вплоть до температуры в цеху и качества
графита. Как-то в странах Балтии тоже пытались наладить производство.
Закупили оборудование, а алмазы не росли. Оказалось, вырастить алмаз —
это не просто включить рубильник.
Через три дня кубик вынимают из БАРСа, разбивают и достают небольшую
болваночку, на которой может виднеться край кристалла. Болванку бросают в
колбу и заливают «царской водкой» (три порции соляной кислоты и одна
азотной). Колбы ставят в специальный шкаф и нагревают, чтобы реакция
пошла быстрее.
— При нормальных условиях через два часа металлы растворяются и
остается только алмаз, — говорят в лаборатории. — Потом мы извлекаем
алмаз, промываем его и опускаем в хромовую смесь.
Так убирают графит и получают уже чистый алмаз. Его взвешивают,
упаковывают и передают на аутсорсинг — на огранку в российскую компанию
(свободных специалистов по огранке в Беларуси нет, а учить новых пока
дорого).
— От первоначального веса алмаз может потерять 30—60%. Все зависит от
наличия включений и чистоты камня, — добавляют на производстве. — Кроме
того, в половине всех синтезов гарантированно получаются
высококачественные камни для огранки и установки в изделие — это 220
камней в месяц. Еще в 20% случаев получаются камни чуть более низкого
качества.
— Для работы пока достаточно, но для развития этого маловато. Вот бьемся
над этой задачей, — Максим Наумович показывает образцы алмазов. — Мы
сертифицировали наши камни в Международном геммологическом институте в
Антверпене. Экспертное мнение таково: наши камни ничем не отличаются от
натуральных по всем своим химическим и физическим характеристикам. Здесь
точно же такие показатели по прочности, отсутствию реакции на радиацию и
так далее.
В основном предприятие выращивает бесцветные алмазы весом до 1 карата,
получая бриллианты в 0,2—0,3 карата. Такие камни идут в основном на
серьги и кольца. Кристаллы можно и облагораживать: придавать лимонный,
черный, красный и другие цвета. Но на предприятии говорят, что белорусы
предпочитают классику.
«Индусы стали просить делать ритуальные алмазы из праха умерших»
Узнав про невысокие по мировым меркам цены на белорусские камни, на
предприятие позвонили индусы с необычной просьбой: делать ритуальные
камни.
— Они хотят сохранять память о своих кремированных родственниках в
таком виде. По сравнению с британской компанией, которая вплотную
занимается подобным производством, наши алмазы выходили в пять раз
дешевле, — объясняет директор.
— Работать с прахом умерших мы не решились, а вот технологию получения
алмаза из волос отработали. Да, алмазы можно получить из волос. Мы
получаем из них углерод, а дальше работаем по той же схеме. Технологию
мы опробовали, выпустили уже 12 таких камней. Правда, пока массовое
внедрение этой темы — следующий этап работы для нас. И в этой теме
большой потенциал для науки.
Но все же основной упор компания делает на собственное ювелирное
производство. Ювелирный цех хоть и небольшой (9 человек), но
потенциально там могут производить до 5 тыс. единиц в месяц. На прошлой
неделе большая партия белорусских бриллиантов поступила в магазины.
— Наши изделия обходятся на 20—30% дешевле изделий с натуральными
камнями, а сами синтезированные бриллианты стоят и вовсе вдвое дешевле
натуральных. К примеру, отпускная цена на готовое изделие с бриллиантом в
0,15 карата составляет 300 рублей, с камнем в 0,25 карата будет стоить
600 рублей, — директор показывает образцы изделий.
В основном это помолвочные кольца. Максим Наумович говорит, что в планах
есть и серьги, и запонки, и серебро с бриллиантами, и даже арт-серия в
экостиле.
— В Европе синтезированные алмазы набирают популярность. Считается, что
они более экологичны, чем добытые из недр земли. И это правда. Тем более
что по свойствам они не уступают природным, — рассуждает он и делится
планами: укрепиться на ювелирном рынке, открыть фирменный магазин с
ценами на 40% ниже рыночных и многое другое.
— Есть цель сделать наши бриллианты доступным белорусским брендом. А
глобальная задача — за счет полученной прибыли дальше развивать научные
технологии в этой сфере, — добавляет Максим Борд.
С неожиданным явлением столкнулись ученые Всесоюзного научно-исследовательского института синтеза минерального сырья. Обычным методом высоких температур и давлений они выращивали искусственные алмазы . На этот раз целью опытов было выяснить, как влияет на свойства алмаза сверхнормативный азот, и для того чтобы ввести в будущие кристаллы побольше азота, в смесь металлов - растворителей углерода добавляли от 5 до 20% нитрида марганца Mn 4 N.
Полученные кристаллы действительно содержали больше азота, чем обычно (на два - три порядка!). Это были настоящие искусственные алмазы , правда, монокристаллов идеальной формы, с кубической решеткой, среди них было очень мало. Зато почти 20% всех алмазов оказались двойниковыми сростками, а не монокристаллами. Наблюдались и некоторые аномалии физических характеристик, в частности слабая анизотропия (неоднородность) оптических свойств.
Большинство «отклонений от нормы» объясняются напряжениями, возникшими в кристаллической решетке из-за добавки азота. Но как объяснить необычную окраску большинства кристаллов? Исследователи получили не желтые, как обычно, а густозеленые прозрачные искусственные алмазы.
Применение искусственных алмазов
Алмазные стеклорезы
Использование алмаза для резки стекла - наиболее древний способ практического применения этого минерала. Самым распространенным инструментом для этой цели является алмазный стеклорез, который состоит из ограненного в форме правильной четырехгранной пирамиды кристалла алмаза, закрепленного в металлическом держателе, и латунного молоточка с деревянной ручкой. Для изготовления стеклорезов применяются алмазы весом 0,02-0,20 карата плотного строения без дефектов.
В зависимости от толщины стекла используются различные стеклорезы. Например, для резки стекла толщиной до 5 мм применяются стеклорезы, где вес кристалла составляет от 0,02 до 0,12 карата, а толщиной до 10 мм - от 0,12 до 0,20 карата.
Производительность алмазного стеклореза очень высокая. Алмазом весом 0,1 карата, например, можно нарезать 100 000 погонных м стекла. Твердосплавные стеклорезы такой производительности не дают.
Зубоврачебный инструмент
Помимо перечисленных методов технического применения алмаз используется и в медицине главным образом, при лечении зубов.
Зубная эмаль по твердости близка к кварцу. Поэтому для ее обработки необходимы очень твердые материалы. Применяемые инструменты с карбидом кремния обладают недостаточной твердостью; кроме того, они вызывают боль. Применение алмазного инструмента устраняет эти недостатки.
Создается возможность значительного увеличения числа оборотов бормашин для обработки зуба при малой силе давления на него. Болевые ощущения при использовании алмазного инструмента сводятся до минимума.
Мы коротко рассказали о важнейших областях применения алмазов в технике. Однако этим не исчерпываются все области его использования. Алмаз применяется и для многих других целей, и эта сфера его использования увеличивается с каждым годом.
Применение алмаза в технике позволяет резко повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции, облегчить процессы автоматизации производства, получить детали исключительной точности и чистоты отделки, а также сэкономить огромные средства.
Наконец-то человек нашел для алмаза настоящее место в жизни, заставил его работать на себя. И для нас сейчас алмаз в рабочей спецовке гораздо ценнее, чем алмаз в сверкающей короне.
Алмазное волочение
Процесс волочения - это способ обработки металлов давлением, состоящий в протягивании катаных, реже кованых изделий круглого или фасонного профиля через отверстие, сечение которого меньше сечения исходного изделия. В результате волочения поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Этот процесс особенно широко применяется для изготовления тонкой проволоки из цветных металлов. Рассматриваемый способ обработки металла был известен еще 3-3,5 тыс. лет до нашей эры. В те далекие времена волочение применялось для изготовления золотой и серебряной проволоки для украшений. Такая проволока называлась канителью. Отсюда в наш обиход прочно вошло выражение «тянуть канитель», т. е. медленно, однообразно делать какое-либо дело.
Такое выражение объяснилось технологией изготовления проволоки в древние времена. Тогда все оборудование состояло из волочильной доски, закрепленной между двумя столбами, и клещей, которые привязывались к поясу рабочего, сидящего в качающейся люльке. Рабочий подтягивался к волоке, захватывал пропущенный через нее конец проволоки клещами, упирался согнутыми ногами в столбы и, распрямляя их, протягивал проволоку. Он качался до тех пор, пока не вытягивал проволоку нужного диаметра и размера.
Для того чтобы вытягивать проволоку нужного диаметра, волоки должны быть изготовлены из очень прочного материала, трудно поддающегося деформации. Волоки делали из твердых сплавов, которые не могли долго выдерживать напряжение и быстро выходили из строя.
С внедрением алмазов в технику для волочения тонкой проволоки стали применяться алмазные волоки (фильеры). Через такие фильеры стало возможным протягивать проволоку точного диаметра - от 0,001 до 2 мм.
Применение алмазных волок обеспечивает высокое качество поверхности и точность диаметра протягиваемой проволоки, так как алмаз трудно поддается истиранию. При алмазном волочении можно получить тонкую проволоку диаметром 9-10 микрон. Стойкость алмазных волок выше стойкости твердосплавных в 100-300 раз в зависимости от диаметра волоки. При волочении медной проволоки стойкость алмазных волок, выраженная в километрах протянутой проволоки, составляет 25-30 тыс. км, тогда как стойкость твердо-сплавных лишь 100 км. Через одну алмазную фильеру можно протянуть проволоку такой длины, которой можно опоясать земной шар по экватору несколько раз.
Алмазная волока представляет собой ограненный по трем плоскостям кристалл алмаза, закрепленный в металлической оправе, с просверленным в центре и отшлифованным каналом.
Вес алмаза для волок выбирается в зависимости от диаметра их отверстий. ГОСТ 6271-60 устанавливает вес кристаллов для волок.
Волочение проволоки на отечественных заводах осуществляется на машинах однократного и многократного волочения. В первых - проволока протягивается через одну фильеру, а во вторых - через несколько последовательно расположенных волок. Наибольшее распространение имеют машины многократного волочения, отличающиеся высокой производительностью.
Алмазные наконечники
Современный уровень машиностроения характерен применением большого разнообразия высокопрочных и износостойких материалов. Важным их качеством является твердость. Поэтому в промышленности, связанной с обработкой металлов и минералов, наиболее широко применяются испытания на твердость.
Для определения твердости металлов и минералов применяется несколько методов. По методам Бринелля и Роквелла испытание проводится путем вдавливания стального шарика в испытываемый материал; по методу Виккерса для этой цели используют кристалл алмаза в форме пирамиды; по методу Мооса твердость определяют путем царапания минерала, металлов и минералов определяется их сопротивление деформации при вдавливании шарика или пирамидки. При этом происходит определенная деформация не только в испытываемом материале, но и в том, которым испытывают. Алмаз не подвергается деформации и поэтому он отвечает требованиям, предъявляемым при конструкции приборов для определения твердости минералов и металлов.