Обзор технологий получения искусственных алмазов
Отзыв на форуме Оставить комментарий
На сегодняшний день существует множество различных технологий получения кристаллов алмаза, для самых разнообразных целей применения, различной величины, окраски и прочности.
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.
Способы получения искусственных кристаллов алмаза
Первым способом получения искусственных алмазов является метод приближенный к естественному возникновению природных алмазов, это сочетание очень высокого давления и высокой температуры.
Первый 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.
Приложение 1.
|
|
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.
Второй способ
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 кмслорода).
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.
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.
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».В данном случае жадность может сгубить идею в самом прямом смысле этого понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон.