ДИАГРАММА РАВНОВЕСИЯ УГЛЕРОДА. СИНТЕЗ АЛМАЗА

Алмаз — абсолютно незаменимый материал в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от ювелирной и обрабатывающей промышленности и заканчивая электронной и космической. И все это — благодаря его уникальным свойствам: твердости и износостойкости, большой теплопроводности и оптической прозрачности, высокому показателю преломления и сильной дисперсии, химической и радиационной стойкости, а также возможности его легирования электрически и оптически активными примесями. Крупные и особо чистые природные алмазы — большая редкость, поэтому неудивительно, что успешные попытки их производства вызывают огромный интерес.

Физические свойства синтетических камней идентичны свойствам природных аналогов. Промышленность перешла в основном на синтетические алмазы. К настоящему времени разработано много методов синтеза алмаза. В зависимости от способа производства алмазы синтезируются в различных участках области их устойчивости, включая и метастабильную область. Применяются следующие различные технологии синтеза алмазов:

1. Синтез алмаза при высоких статических давлениях и температурах из графита и углеродсодержащих веществ в расплавах металлов и их сплавов, играющих роль катализатора-растворителя (никель, железо, кобальт, хром, марганец, тантал, платина, осьмий, иридий и др.). Температура и давление в этом процессе колеблются в широких пределах. Алмазы, полученные этим методом, обычно имеют размеры от микрон до 1 мм. Могут быть получены и более крупные кристаллы (до 6 мм).

2. Синтез алмаза путем создания условий для прямого перехода графита в алмаз в присутствии или отсутствии металла-катализатора. При этом используются высокие давления (300-400 кбар), создаваемые ударными волнами в результате взрыва. Процесс протекает почти мгновенно в течение 1 мксек, в результате адиабатического сжатия температура повышается до 1300 К. Получаются алмазы в виде порошка, состоящего из зерен размером около десятков микрон. При этом способе наряду с обычными алмазами, имеющими кубическую структуру, возникают так называемые гексагональные алмазы (лонсдейлит).

3. Синтез алмаза путем создания условий спонтанной кристаллизации в области стабильной для алмаза в системе металлографит.

4. Синтез алмаза с использованием окислительно-восстановительных реакций, в процессе которых из углеродсодержащих соединений освобождается свободный углерод.

5. Синтез алмаза путем гидролиза в растворах, состоящих из гидроуглеродистых галогенидов и щелочных металлов. Процесс протекает при атмосферном давлении и комнатной температуре.

6. Синтез алмаза путем наращивания алмазных «пленок» на грани алмазных затравок при низких давлениях и в небольшом вакууме. В этом процессе углерод для образования алмазов получается в результате диссоциации под влиянием высоких температур углеводородистых и других углеродсодержащих твердых, жидких, газообразных веществ.

Рассмотрим синтез алмаза с применением высокой температуры и давления. На рисунке 1 приведена диаграмма равновесия углерода. По оси абсцисс отложено давление в ГПа, по оси ординат - температура в градусах Кельвина.

Поле, лежащее справа от кривой равновесия и охватывающее область высоких давлений, соответствует условиям стабильности алмаза.

Рис. 1. Кривая равновесия углерода.

Поле слева от кривой соответствует условиям стабильности графита. Это значит, что если процесс выделения углерода происходит при температуре и давлении, соответсвующим правому полю, то углерод будет образовывать кристаллы алмазов; если давление и температура соответсвует левому полю - образуются кристаллы графита. При давлениях и температурах, соответствующих точкам кривой равновесия, углерод будет выделяться в виде алмаза и графита одновременно. Алмаз, находящийся в условиях стабильности графита превращается в графит, а графит, помещенный в условиях стабильности алмаза, переходит в алмаз. Однако эти превращения при комнатной температуре протекают очень медленно. Поэтому в обычных условиях алмазы существуют миллионы лет. При нагревании скорость превращения увеличивается. При температуре 1800 К и атмосферном давлении алмаз чернеет и быстро превращается в графит. Температуру 1800 К называют температурой графитизации алмаза.

Прямое превращение графита в алмаз при комнатной температуре осуществить не удалось, даже подвергая графит чудовищным давлениям в 40 ГПа. Причина неудачи - необычайно малая скорость превращения при комнатной температуре. Для получения заметных количеств алмаза в этих условиях процесс должен протекать миллионы лет. Лишь при температуре 3000 К и давлении 12 ГПа удалось получить из графита прозрачные бесцветные кристаллики алмаза.

Обеспечить условия прямого перехода графит-алмаз необычайно трудно, поэтому для производства алмазов используют иные процессы - например, выделение углерода из раствора в жидком металле (например, железе), требующее не столь высоких давлений и температур.

Создать столь высокие давления с высокими температурами оказалось трудной задачей. Попытки американского ученого П. Бриджмена, основателя физики высоких давлений, получить алмазы в лаборатории окончились в 1940 году неудачей. Лишь в 1955 году в печати появилось сообщение о том, что группа американских учёных во главе с Ф.Банди получила первые алмазы. Для промышленного получения синтетических алмазов была разработана специальная аппаратура. Более высокое давление можно получить, сжимая твёрдые тела.

Самый мощный гидравлический пресс для научных исследований, развивающий усилие до 500 МН, имеет высоту многоэтажного дома. Он используется для создания высоких давлений в аппаратах большого объёма. Большая часть пресса расположена под землёй, а над уровнем пола возвышается лишь верхняя часть пресса с рабочим пространством, в которое помещают аппараты высокого давления. В этом пространстве может свободно разгуливать человек.

Материалом для пуансонов, которые должны выдерживать огромные сжимающие напряжения, служит карбид вольфрама, сцементированный кобальтом. Этот сверхтвёрдый сплав много прочнее стали. Контейнеры изготавливаются из глинистого минерала пирофиллита или других подобных ему материалов. Пирофиллит - плохой проводник тепла и электричества. Это позволяет получать в контейнере высокие температуры, используя для нагрева электрический ток.

Рис. 2. Схема гидравлического пресса для синтеза алмаза: 1) Углеродосодержащий материал + катализатор;

2) Контейнер.

В контейнер помещают графит и металл-катализатор (железо, никель или их сплавы) и сжимают его между пуансонами. Когда достигает необходимое давление, через пуансоны пропускают электрический ток, который нагревает содержимое контейнера до высокой температуры. Таким образом создаются условия, соответствующие р - Т-области образования алмаза.

За процессом следят по силе тока, протекающего через аппарат. Алмаз не электропроводен, и его образование вызывает увеличение электросопротивления содержимого контейнера и, соответственно, уменьшение тока через аппарат. После окончания процесса выключают нагрев, дают контейнеру охладиться, снимают давление и извлекают контейнер из аппарата.

Полученные алмазы - кристаллики размером от долей миллиметра до 1-2 миллиметров - отмывают в кислотах от частичек металла и графита, сортируют и отправляют на изготовление алмазного инструмента.

Из кристаллов алмаза, спеченных с металлической связкой. Делают пилы и шлифовальные круги для резки и обработки твёрдых металлов, графита, камней. Алмазные коронки и долота применяют при бурении скважин в горных породах. При этом скорость бурения возрастает больше чем в два раза, а стоимость работ снижается на 40-60 %.

Невозможно перечислить все профессии алмаза, ведь сейчас выпускается более 5000 видов алмазного инструмента. Подчитано. Что каждый карат алмаза сберегает народному хозяйству около 100 рублей.

Алмаз оказался помощником учёным в исследованиях при высоких давлениях. Недавно в Институте физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина были получены полупроводниковые алмазы и был создан на их основе электронный прибор термистор - высокочувствительный тепловой датчик. Так перед алмазом, сделанным руками человека, открылось новое поле деятельности - мир электроники.

Если синтезировать технического качества алмазы оказалось достаточно практично и просто (он стоит недорого), то алмазы ювелирного качества получить сложно и дорого. Тем не менее, абсолютно реально синтезировать кристаллы алмаза любых заданных свойств и размеров (рис.3).

Рис.3. Синтетические алмазы ювелирного качества, полученные в «Дженерал электрик».

В основе технологии (рис.4) синтеза алмазов путем химического осаждения из газовой фазы лежат три ценнейших свойства этого минерала: 1)твердость, 2)прозрачность к излучению и 3)теплопроводность.

Источником углерода служит метан или ацетилен. При определенном составе газовой смеси и уровне температур пламени (или других источников тепла) и объекта на поверхности последнего образуется тонкая пленка из микроскопических кристаллов алмаза (рис.5). Тончайшие пленки из алмазных кристалликов придают алмазную твердость обычным предметам.

Рис. 4. В плазменных реакторах низкого давления создаются алмазные пленки.

Алмазы по этой технологии производят «Де Бирс», «Дженерал электрик», «Нортон», «Рейтеон», «Кристаллюм», «Даймонэкс», «Сумимото» и еще около 200 компаний и исследователей.

Рис.5. Структура алмазной пленки под электронным микроскопом.

Литература:

1. Аргунов К.П. Алмазы Якутии: физические, морфологические, геммологические особенности. Якутск: ГУ ГОХРАН РС(Я), 2002. – 342 с.

2. Сенаторов Я. Производство искусственных алмазов. http://cbf.mgpu.ru

3. Бокий Г.Б. и др. Природные и синтетические алмазы. М.: Наука, 1986. – 219 с.

4. Киселева Н.П. Технические алмазы. М., 2005.

5. Уорд Ф. Алмазы. М., 1995.