ЛЕКЦИЯ 9

ФИЗИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ АЛМАЗА

Область применения природных алмазов со временем расширяется. Были проведены многочисленные исследования механических оптических, электрических, тепловых и других свойств алмаза. Выявлены влияние окраски и морфологических особенностей алмаза на качество теплоотводов, резисторов, счетчиков α, β, γ-лучей. Каждый кристалл алмаза неповторим.

Оказалось, что некоторые кристаллы алмаза являются абсолютными диэлектриками, а другие обладали полупроводниковыми свойствами. Но по внешнему виду алмаза невозможно определить, какими же свойствами обладает конкретно данный кристалл. Как определять и отбирать алмазы для определенных целей? Требовалась система, классификация, с помощью которой определялось бы качество кристалла алмаза.

Попытки классифицировать алмазы предпринимались с незапамятных времен. Так, древние индусы разделяли алмазы, как и людей, на четыре касты: брахманы, кшатрии, вайшии и шудры. К брахманам относились прозрачные высококачественные кристаллы, к кшатриям и вайшиям – камни низкокачественные алмазы серого цвета. Соответственно шудры оценивались в четверть, вайшии – в половину, а кшатрии – в три четверти стоимости брахманов.

В настоящее время существует множество классификаций алмазов, основанных на различных принципах. В одних классификационных схемах сделаны попытки учесть все свойства алмазов, в других – в основу положен генетический   принцип, т.е представления об условиях образования тех или иных – групп  алмазов.  

Технологи по обработке алмаза в бриллиант и ювелиры разделяют алмазы почти  на тысячу сортов в зависимости  от прозрачности, тона, густоты и равномерности   окраски. Некоторые зарубежные фирмы используют классификацию,     в   основу которой положены качество и ценность алмазов.    В нашей стране принята классификация, где учитывается качество алмазов, их масса, размерность и сфера применения. По качеству   выделяется девять категорий природного   алмазного сырья. К категориям 1 и 2 отнесены ювелирные алмазы,  к остальным—различные сорта технических алмазов. В свою очередь, категории подразделяются на группы с учетом массы и размеров кристаллов, а группы—на подгруппы с указанием области использования алмазов.

Известно, что все реальные кристаллы имеют примеси и дефекты кристаллической решетки, создающие нарушения периодической структуры кристалла. Степень дефектности и качества природных кристаллов алмаза разного габитуса, окраски и размера зависит от колебания ТР-условий среды кристаллообразования, а также от режима постмагматического процесса кимберлитовых трубок. Вероятно, для «именных» алмазов весом более 20 кар существовали стабильные и длительные условия роста. «Именные» алмазы размером более 10 мм в основном октаэдрического габитуса, бесцветные, среди них редко встречаются дефектные кристаллы. Среди мелких кристаллов алмаза размером менее 1 мм часто обнаруживаются кристаллы неправильной формы, кубы, ромбододекаэдры, сростки, окрашенные и дефектные кристаллы. Мелкие и «именные» алмазы генетически связаны с глубинными породами, отличающимися по геохимическому и газовому составам, термодинамическим параметрам, т.е. для каждой породы (кимберлиты, лампроиты, эклогиты, тагамиты, щелочные базальты и др.) и каждой кимберлитовой трубки характерны специфические условия нахождения алмазов различного размера.

Наличие дефектов кристаллической решетки в процессе роста существенно изменяет размер, габитус и физические свойства алмаза. Различные физические и морфологические классификации природных алмазов были предложены Робертсоном, Раманом, Гомоном, Гневушевым, Бартошинским, Кухаренко, Орловым и др. Эти данные позволили разделить алмазы на определенные типы по комплексу взаимосвязанных особенностей и свойств, зависящих от содержания в алмазе примесного азота.

Таблица 1

Характерные особенности алмазов типа I и II

свойства	тип I (азотные)		тип II (почти безазотные)
	Ia	Ib	IIa	IIb
распространенность	обычная		редкая
двупреломление	значительная анизотропия		почти изотропные
поглощение УФ-лучей	сплошное с λ≤3000 Å		сплошное с λ≤2250 Å
поглощение в ИК области	7,5 мак. 3; 4,1; 4,8 μ	8,5 мак. 6-13 μ	прозрачен 6-13 3; 4,8; 4,1; 3,75; 3,4; 2,5 μ
фотопроводимость	очень слабая	слабая	слабая	224; 228; 255; 640 нм
электропроводимость	диэлектрик	диэлектрик	диэлектрик 1016 Ом/см	р-типа полупроводник 104 Ом/см
счетные свойства	считает α и β частицы		считает α, β и γ частицы
рентгенограмма	наблюдается экстраотражение (222)		не наблюдается экстраотражения
содержание и форма вхождения азота	0,2 % отдельные скопления (200х200х10Å)	0,2% в дисперсной парамагнитной форме	0,002%	0,002%

Первая попытка дать классификацию алмазов по их физическим свойствам была предпринята в 1934 году Робертсоном, Фоксом и Мартином. Далее данная классификация была расширена, дополнена другими исследователями. В результате изучения комплекса физических характеристик алмаза получен вывод о возможности разделения всех природных алмазов на два типа – по содержанию в кристаллической решетке алмаза примеси азота. Основные свойства алмазов этих двух типов сведены в таблице 1.

Большая часть (98%) добываемых алмазов является азотсодержащей (до 0,2 вес. % N) и по физической классификации относится к типам Ia и Ib. Содержание азота в алмазах типа II существенно ниже (на два порядка), чем в алмазах типа I.

В каком же виде примесь азота находится в структуре алмаза? Оказалось, что атомы углерода в структуре алмаза типа I частично размещены на атомах азота.

Исследователями предложены следующие предположения о состоянии азота в структуре алмаза:

1. атом азота может образовать одиночный центр, а его одиночный неспаренный электрон локализуется на одной из связей C-N;

2. сегрегации примесных атомов азота формируют пластинчатые образования с наличием двойного слоя N-C-N;

3. ассоциации типа N-Al.

Алмазы обоих типов обладают способностью считывать быстрые частицы, однако механизм счета в них отличен. Алмазы типа IIb встречаются очень редко. Они обладают повышенной электропроводностью и применяются в электронной промышленности.

С увеличением количества микропримесей, в том числе и азотосодержащих, изменяется совершенство внутренней и внешней структуры. В алмазах с совершенной структурой содержание микропримесей изменяется весьма незначительно (0,0005-0,01%). У таких кристаллов относительная интенсивность рентгенолюминесценции максимальна (0,5-2 у.е.). Отдельные кристаллы прозрачны в УФ-области (алмазы IIa типа), почти не двупреломляют. Механическая прочность алмазов, не содержащих микропримесей высокая. Исследователями установлено, что незначительное количество микропримесей (до 0,015%) не влияет на параметры кристаллической решетки алмаза и мало изменяет его оптические и механические свойства.

С увеличением содержания микропримесей ухудшается качество кристаллов (окраска, различные включения, трещины и каналы травления). Для дефектных кристаллов уменьшается интенсивность рентгенолюминесценции, появляется желто-оранжевая фотолюминесценция и интерференционная окраска в скрещенных николях (аномальное двупреломление). Ухудшается прозрачность его в УФ-лучах и изменяется спектр фотолюминесценции. Снижается механическая прочность.

Таким образом, к высококачественным алмазам относятся бесцветные кристаллы с минимальным содержанием микропримесей. За счет увеличение количества микропримесей ухудшается качество кристаллов, понижается механическая устойчивость, появляется окраска, внутренняя напряженность.

Литература

1. Аргунов К.П. Методическое пособие по изучению физических свойств якутских монокристаллов и поликристаллов алмаза. Якутск: Гохран РС(Я), 1999. - 91 с.

2. Гомон Г.О. Алмазы. Оптические свойства и классификация. М.-Л.: Машиностроение, 1966. – 146 с.

3. Орлов О.Ю. Минералогия алмаза. М.: Наука, 1973. -223 с.

4. Гневушев М.А., Бартошинский З.В. К морфологии якутских алмазов//Труды ЯФ АН СССР, сб. 1959, 4, с.74-92.

5. Кухаренко А.А. Алмазы Урала. Л.: Недра, 1955. – 514 с.

6. Владимиров Б.М., Соловьева Л.В., Киселев А.И. и др. Кимберлиты и кимберлитовые породы. Новосибирск: Наука, 1990. – 264 с.

7. Квасница В.Н. Мелкие алмазы. Киев: Наукова думка, 1985. – 215 с.

8. Милашев В.А. Физико-химические условия образования кимберлитов. Л.: Недра, 1972. – 176 с.

9. Федосеев Д.В., Новиков Н.В., Вишневский А.С. Алмаз: Справочник. Киев: Наукова думка, 1981. – 77 с.

10. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Крючков А.И. Коренные месторождения алмазов мира. М.: Недра, 1998. – 554 с.