На сьогоднішній день існує безліч різних технологій отримання кристалів алмазу. для найрізноманітніших цілей застосування, різної величини, забарвлення і міцності.
Алмаз є не що інше, як чистий вуглець з особливою кристалічною решіткою.
Іншим представником чистого вуглецю на Землі є деревне вугілля, графіт.
Атомний вагу вуглецю 12.011;
Порядковий номер у періодичній системі Менделєєва 6;
Кількість електронів 6;
основна валентність 4;
При нормальному атмосферному тиску в рідина не переходить;
При нагріванні при нормальному тиску до температури 3670 0 С, вуглець;
переходить в газ, минаючи рідкий стан.
Щільність 3.5 гр. см 2;
Заломлення світла 2,42 (Скло 1, 8);
Твердість 2 000 000 ум. од. (Сталь 30 000, скло 40 000 щодо тальку у якого твердість = 1);
Температура переходу в графіт в відкритому повітрі - 1200 0 С;
Точка спалаху в середовищі чистого кисню 740 0 С;
Одиниці виміру алмазів - карат. Один карат дорівнює 0.2 грама. Алмаз, розмірами 1 x 1 см = 17,5 каратів;
У алмазі кожен атом вуглецю сполучений з 4 іншими атомами вуглецю і відстань між ними строго однаково = 1,54 ангстрем. Розташовані атоми вуглецю в алмазі по кутах правильного тетраедра атомної кристалічної решітки.
Атомна кристалічна решітка алмаза - тетраедр
Температура випаровування вуглецю становить 3670 0 С (діаграма 1) критична точка (Z) (температура 3670 0 С. тиск -120 атм.) Називається першою точкою потрійного стану.
У цій точці можливі переходи вуглецю в тверде, газоподібне або рідке стан.
При підвищенні тиску і температури, отримуємо другу потрійну точку (D), в якій можливі стан вуглецю у вигляді кристалів (алмаз), у вигляді рідини і аморфному стані (графіт).
Найкращий результат отримання алмазів при переході з рідкого стану вуглецю в кристалічну - зниження температури, але по можливості, залишаючи дуже високий тиск. Величезне значення в технології виробництва алмазів грають тимчасові характеристики процесу.
Як було зазначено раніше, вуглецю в рідкому стані при нормальних умовах (760 мм рт. Стовпа і 20 0 С) не існує. Вуглець в рідкому стані можливий і існує тільки при тиску понад 120 атм. і 3740 0 С. (діаграма 1).
З фізичних властивостей алмазу слід зазначити температуру спалаху в середовищі кисню яка дорівнює 670 0 С, в основному алмаз згорає без залишку.
При нагріванні алмазу понад 1200 0 С без повітря починається процес графітизації алмаза. це і відбувається при неправильній технології процесу виробництва алмазів.
Способи отримання штучних кристалів алмазу
Першим способом отримання штучних алмазів є метод наближений до природного виникнення природних алмазів. це поєднання дуже високого тиску і високої температури.
Перший спосіб найнадійніший, але і найскладніший технологічний
Нижче наводиться одна з лабораторних установок по одержанню кристалів алмазу максимально наближеною до передбачуваної природного схемою виникнення алмазів в земній товщі - потужний тиск, висока температура.
Лабораторна установка по отриманню штучних алмазів є прес високого тиску. У корпус преса вставляється робочий циліндр.
У цьому циліндрі передбачені свердління для циркуляції холодоагенту, і отвори для подачі води під тиском. В цей корпус вставляється камера, виконана з карбіду танталу в якій розміщують заготовку - графіт який повинен перетвориться в алмаз.
Передбачено підведення мідних шин для подачі електричного струму до робочої камері.
Технологія отримання алмазу відбувається в кілька етапів.
Спочатку, після установки циліндра в прес високого тиску, подається вода і відбувається процес попереднього стиснення графіту тиском води, приблизно до 2-3 тисячі атмосфер. Другим етапом подається хладоагент і заморожується вода до температури мінус 12 градусів Цельсія.
При цьому відбувається додаткове стиснення графіту до 20 тисяч атмосфер за рахунок розширення льоду.
На наступному етапі подається потужний імпульс електричного струму тривалістю 0.3 секунди.
На заключному етапі розморожують лід і виймають алмази.
Отримані таким чином алмази в основному брудного кольору, мають пористу структуру, форма кристалів тетраедричних.
Здебільшого міцніше природних алмазів і в основному служать для технічних цілей.
Другим способом, можливо технологічно простим, але складним по застосовуваної апаратурі є спосіб нарощування кристалів алмазу в середовищі метану (СН4).
При цьому методі кристал алмазу нагрівають до температури 1111 0 С. і обдувають метаном. Тиск в робочій камері може бути невеликим, близько 0,1 технічної атмосфери. Це тиск в основному служить для перешкоди проникнення в камеру атмосферного кисню.
Необхідно пам'ятати, що починаючи з 1200 0 С алмаз починає свій перехід в стан графіту (без доступу кмслорода).
Процес нарощування кристала алмаза відбувається на розпеченій поверхні алмазу шляхом додавання атомів вуглецю в існуючу кристалічну решітку затравочного кристала алмаза. Кількість виділеного вуглецю (алмаза) 0.2% від поверхні затравочного кристала за одну годину.
Форма кристалів отримується подібним способом кубічна, на відміну від природного тетраедричних, колір чорний, міцність порівнянна з природними алмазами. За своєю суттю це чистий карбід, але називається алмазом в зв'язку з дуже високою твердістю отриманих кристалів, і в зв'язку з тим, що в якості затравочного кристала використовують справжні алмази.
Третім способом отримання алмазів є метод вибуху
При цьому способі отримують дуже дрібну алмазну пил для виробництва заточних каменів, абразивів. Застосовують або вибух «звичайного» вибухової речовини, або вибух дроту великим імпульсом струму.
Для отримання щільної детонаційної хвилі необхідна мембрана яка рветься зі швидкістю звуку в тому металі з якого виготовлена мембрана (для заліза це - 5000 м / сек.).
«Підігрітий» графіт, що знаходиться на так званій "сковорідці" в момент проходження детонаційної хвилі перетворюється в кристали алмазу.
Цей спосіб дає вихід продукції набагато більше в процентному відношенні від кількості графіту, ніж спосіб високого тиску.
Кристали виходять безбарвні, найчистішої води, прозорі, але дуже дрібні (30 - 50 мкрн.). Форма кристалів тетраедричних міцність порівнянна з природними алмазами.
Сутність даного способу отримання алмазів. методом вибуху, полягає в тому, що при підриві вибухової речовини в замкнутому просторі, детонационная хвиля при ударі з перешкодою на прикордонному шарі, ударна хвиля - перешкода, створює одночасно і високий тиск і високу температуру. Тиск може досягати понад 300 000 атм, температура десятки тисяч градусів. На жаль (чи на щастя) все це по часу укладається в мільйонні частки секунди і розміри (товщина) детонаційної хвилі не перевищує 10-30 мікрон.
У момент розриву мембрани ударна хвиля набуває «щільність» і свого роду така якість як - гомогенність.
Деякі кристали алмазів одержувані подібним способом можуть мати в діаметрі до 50 мк. Велике значення в даному способі має положки на якій розташований підігрітий графіт і товщина робочого шару.
Цікаві експерименти по «вторинного» пресування отриманих алмазів тим же способом вибуху, за принципом порошкової металургії. В даному випадку, в алмазному виробництві. можна отримати кристали різного розміру і ваги з алмазного порошку. У переважній більшості кристали мутного кольору. Відзначається крихкість отриманих вторинних кристалів алмазу. Міцність набагато нижче природних, при обробки можливі «сюрпризи». В даному випадку жадібність може погубити ідею в самому прямому сенсі цього розуміння. Товщину графіту не рекомендується перевищувати 60 мікрон.
У четвертому способі отримання алмазів застосовують каталізатори
Застосування каталізаторів в алмазному виробництві значно допомагає скоротити величину тиску і температуру. Кристали алмаза утворюються в роздільному шарі між розпеченим графітом і плівкою металу каталізатора. При відповідних підборах технологій можна отримувати до 50 грамів технічних алмазів за один технологічний цикл.
Як бачимо, з діаграми 3. додаток 3. найкращим каталізатором є залізо, потім слідують нікель, родій, паладій, платина.
Виникаючі на межі переходу графіт - каталізатор, кристали алмазу продовжують своє зростання при незмінних умов в робочій камері до тих пір поки плівка з металу каталізатора продовжує з'єднуватися з графітом.
додаток 3
Зростання кристалів триває і в самому легуючих металів за рахунок проникнення атомів вуглецю через тонку плівку металу.
Штучні алмази отримані подібним способом є дуже дрібні кристали (30 -200 мікрон).
Отримані при низьких температурах кристали алмазів мають квадратну форму будови кристалів, чорного кольору, по міцності рівні або перевищують природні.
Кристали отримані при високих температурах і високому тиску мають октаедричні форму, колір різний - жовтий, синій, зелений, білий, прозорі і непрозорі кристали. По міцності рівні або перевищують природні алмази. Вплив каталізаторів на колір очевидно. Домішка нікелю в кристалах алмазу надає алмазу зеленуваті тони, присадки берилію надають алмазам сині тони забарвлення.
Слід зазначити, що за твердістю немає в світі елемента твердіші за алмаз. хоча за іншими властивостями він може поступатися деякими штучним елементам. У таблиці наведено елементи які можуть дати більш повне уявлення про деякі властивості алмазу в порівнянні c іншими земними елементами.