Синтетический алмаз

Синтетический алмаз

Синтетический алмаз

Синтезом алмазов занимались многие ученые. Ведущая роль принадлежит советскому физику О Л. Лейпунскому, который в 1938 г. провел теоретический анализ условий образования алмаза из графита и определил области стабильного существования алмаза. В результате им была изучена диаграмма состояния алмаз — графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов.

В феврале 1953 г. группе физиков шведской энергетической компании ASEA при проведении очередного опыта по синтезу алмаза из графита при давлении 80*108 МПа и температуре 2500 °С с выдержкой во времени 2 мин удалось получить первые в мире искусственные алмазы. В декабре 1954 г. ученые фирмы ’’Дженерал Электрик К°” создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. Впоследствии ими была разработана камера типа ”белт”.

После этого синтез алмазов был организован в ряде стран — Бельгии, Англии, Японии и др. В СССР в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л.Ф. Верещагина был разработан способ получения синтетических алмазов, который был передан для промышленного освоения Институту сверхтвердых материалов АН УССР. В 1961 г. была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800—2500 °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. В настоящее время составлены диаграммы образования алмаза из графита с различными катализаторами.

Синтез алмаза проводится в камере типа ’’чечевица” объемом несколько кубических сантиметро. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 50 х102 МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза, так как при времени реакции 3 мин образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин — 70 мг. Наиболее прочны кристаллы размером до 0,5—0,8 мм, более крупные имеют невысокие физико-механические свойства. Кроме описанного метода разработан еше ряд способов выращивания алмазов.

Схема камеры типа Чечевица

Схема камеры типа "чечевица":
1 — пуансоны; 2 — реакционная смесь графита с никелем; 3 — пирофилитовая прокладка; 4 — муфта

В 1963 г. В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из газовой фазы (из метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10*102 МПа. Суть метода — создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит — воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод 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.

В 1961 г. в США фирмой ’’Эллайд Хемикал и Дю Пон” был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200 -102 МПа и температуры до 2000 °С, при этом в графите образуются мелкие (до 10— 30 мкм) синтетические алмазы. В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов, получивших название АВ.

В США фирмой ’’Дженерал Электрик К°” 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.

В настоящее время мировое производство синтетических алмазов (без СССР) составляет более 200 млн. кар/год. Главные центры производства синтетических алмазов — США (’’Дженерал Электрик К°”), ЮАР (”Де Бирс”), Англия, Япония.

В СССР промышленностью выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО — алмазы обычной прочности, АСР — алмазы повышенной прочности, АСВ - алмазы высокой прочности, АС К и АСС — алмазы монокристаллические.

Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04-0,63 мм. Кроме того, выпускаются две марки микропорошков — ACM и АСН с размером зерен 1—60 мкм. Монокристаллические синтетические алмазы АСК и АСС имеют размер зерен до 1 мм.

Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алмазов АСО, а наименее развитая — для алмазов АСС. Прочность алмазов возрастает от АСО -> АСР -> АСВ -> АСК -> АСС. Механическая прочность алмазов АСС приближается к прочности природных алмазов.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, кругов шлифовальных и отрезных, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т.д. В настоящее время более 80 % потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических.

Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, используемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным алмазам — эльбор (или кубонит), гексанит и др. ’’Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственного его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немногое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом...” — так писал А.Е. Ферсман в 1945 г., а уже через несколько лет синтетические алмазы заняли ведущее положение в технике [37, стр. 208].

Около 200 лет пытаются создать синтетические алмазы. Десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов как для технических нужд, так и для ювелирных целей. Нерешенных проблем в этой области очень много, однако каждый день приближает нас к цели и не исключено, что в скором времени будут найдены экономичные способы получения синтетических алмазов любой формы, размера, цвета и качества. Природные драгоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих синтетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные. Г. Банк пишет:

’’Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драгоценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по-прежнему ценит лишь оригинал!”.