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 0 С, углерод;
переходит в газ, минуя жидкое состояние.
Характеристика алмаза:
Плотность 3.5 гр. см 2 ;
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 0 С;
Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 0 С;
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.
Температура испарения углерода составляет 3670 0 С (диаграмма 1) критическая точка (Z) (температура 3670 0 С. 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 0 С) не существует. Углерод в жидком состоянии возможен и существует только при давлении свыше 120 атм. и 3740 0 С. (диаграмма 1 ).
Из физических свойств алмаза следует отметить температуру возгорания в среде кислорода которая равна 670 0 С, в основном алмаз сгорает без остатка.
При нагревании алмаза свыше 1200 0 С 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 (СН 4).
При этом методе кристалл алмаза нагревают до температуры 1111 0 С. 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 0 С 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 .
В четвертом способе получения алмазов применяют катализаторы
Применение катализаторов в алмазном производстве значительно помогает сократить величину давления и температуру. Кристаллы алмаза образуются в разделительном слое между раскаленным графитом и пленкой металла катализатора. При соответствующих подборах технологий можно получать до 50 граммов технических алмазов за один технологический цикл.
Как видим, из диаграммы 3 , приложение 3
Возникающие на границе перехода графит - катализатор, кристаллы алмаза
продолжают свой рост при неизменных условий в рабочей камере до тех пор пока пленка из металла катализатора продолжает соединяться с графитом.
Приложение 3
Рост кристаллов продолжается и в самом легирующем металле за счет проникновения атомов углерода через тонкую пленку металла.
Искусственные алмазы полученные подобным способом представляют собой очень мелкие кристаллы (30 -200 микрон ).
Полученные при низких температурах кристаллы алмазов имеют квадратную форму строения кристаллов, черного цвета, по прочности равны или превосходят естественные.
Кристаллы полученные при высоких температурах и больших давлениях имеют октаэдрическую форму, цвет различен - желтый, синий, зеленый, белый, прозрачные и непрозрачные кристаллы. По прочности равны или превосходят естественные алмазы. Влияние катализаторов на цвет очевидно. Примесь никеля в кристаллах алмаза придает алмазу зеленоватые тона, присадки бериллия придают алмазам синие тона расцветки.
Следует отметить, что по твердости нет в мире элемента тверже алмаза , хотя по другим свойствам он может уступать некоторым искусственным элементам. В таблице приведены элементы которые могут дать более полное представление о некоторых свойствах алмаза в сравнении c другими земными элементами.
Приветствуем, дорогие наши! У всех на слуху известная фраза «Лучшие друзья девушек – это бриллианты». Это не просто побрякушки-однодневки, а самое долговечное вложение, оно же, по совместительству, и фешенебельное украшение. Ценой ему порой целое состояние, на которое копить долго, а ждать в подарок от случайного богатого поклонника и вовсе глупо. Но есть отличная альтернатива – искусственный бриллиант, который внешне от настоящего не отличается, а стоит в разы дешевле.
Сегодня вы узнаете не только о видах и способах получения этого камня в искусственно созданных условиях, но и попробуете изготовить его сами дома…в микроволновке!
Всех интересует, как называется в ювелирном мире камень, созданный не природой, а человеческими руками. «Очевидно же – подделка», — скажете вы и ошибётесь. Дело в том, что нужно отличать кустарное производство фальшивок и высокотехнологичный процесс, поэтапно повторяющий появление драгоценного самоцвета. Для этого используется дорогое оборудование и качественное сырье. Как результат – идеальный бриллиант, который даже опытный специалист не отличит от природного.
Общие черты натурального и синтетического алмаза
Потоковое производство этих камней двояко отразилось на камнедобывающей промышленности. С одной стороны, «брат-близнец» настоящего бриллианта решил проблему дефицита натуральных камней. С другой – у нечистых на руку продавцов появилась возможность выдавать «искусственники» за настоящий камень и зарабатывать на этом огромные деньги.
О том, как отличить искусство природы от мастерства современной алмазной промышленности, узнаем чуть позже, ну а пока об общих чертах бриллиантов искусственных и натуральных.
Они почти идентичны по:
- Физическим свойствам, атомной структуре, химическому составу;
- Прозрачности, степени теплопроводности, чистоте кристаллической решётки;
- Исходному сырью для изготовления (кристаллизованный чистый углерод);
- Внешнему виду.
Если вам подарят кольцо с «брюликом» и будут уверять, что это ни что иное, как «золото-брильянты», вы ни за что не заподозрите обмана. Даже опытный ювелир под лупой порой не разглядит следов искусственного происхождения камушка, особенно если он белый, ведь прозрачный искусственный бриллиант без примесей других цветов от натурального не отличить.
Многогранная палитра синтетических алмазов
Полностью прозрачный алмаз считается самым редким и дорогостоящим. Хотя камни с оттенками тоже пользуются спросом и притягивают взгляд своей завораживающей красотой.
Сегодня в мире производят несколько видов цветных искусственных бриллиантов:
- Голубые (от бледного до насыщенного небесного оттенка, который получают при помощи добавления в состав бора; достигают 1,25 карата);
- Желтые (от светло-лимонного до насыщенного ярко-желтого и даже оранжевого; эту палитру формирует азот; такие бриллианты могут достигать 2 каратов и выращивать их намного проще, нежели голубые);
- Розовые, красные, сиреневые, зеленые (в зависимости от добавления в процессе обработки разных примесей, можно получить алмазы самых невероятных оттенков).
Немного истории про искусственные бриллианты
Первые «фальшивки», заменители натуральных бриллиантов, были зафиксированы еще в 1920 году.
Чарльз Парсонс изобрел прототип нынешнего синтетического кристалла. Он был настолько великолепно исполнен, что попал в колье знаменитой Сибиллы Шепард. Украшение впоследствии стало одним из реликвий Британской империи. Интересно, что повторить тот самый первый «фальшивый» алмаз пока больше не удалось никому, хотя сам автор был не слишком доволен своим творением.
Перед Второй мировой войной две компании из США решились на массовое производство бриллиантов. В лабораторных условиях они провели первый эксперимент с использованием углерода. На исходный материал воздействовали давлением и высокими температурами. Пыл изобретателей утих на время войны, хотя многие исследователи уверены: алмазы нужны были именно для военных нужд, а затем надобность в них отпала.
Известен своими бриллиантами и QUINTUS, проект шведских бизнесменов. Именно ему принадлежит огромная партия камней. Использовали их в основном в промышленности, так как для создания украшений они были не слишком красивы, даже грубоваты, и до ювелирной эстетики не дотягивали.
Первый драгоценный алмаз был создан в Токио в 1997 году. Он был дымчатым, с переливами и характерным для настоящего камня желтоватым оттенком. Сегодня у Японии в руках около 8% всего мирового производства бриллиантов. «Монстрами» в сфере синтеза камней по праву считаются США и Китай.
Теперь же это поставленное на поток производство, позволяющее любителям драгоценностей сверкать шикарными украшениями. Выращенные в «инкубаторских» условиях камушки вставляют в кулоны, перстни, декорируют ими одежду и обувь. При этом стоимость их не так сильно ударяет по бюджету.
Владельцы крупных ювелирных сетей не очень разделяют восторг по поводу массового заполонения рынка «фальшивками». Предполагается, что они потеряют более 15% прибыли от продажи природных камней.
Если вы привередливы и желаете иметь именно настоящие бриллианты, готовы платить за их природное происхождение, советуем знать «в лицо» все их синтетические заменители.
Двойники алмаза и как отличить от природного «ненастоящий» камень
Один из самых распространенных в наше время фальшивых алмазов – это фианит. Впервые он был получен в 1976 году и представляет собой диоксид циркония. Переливаются фианиты точь-в-точь, как настоящие бриллианты, и в современной ювелирной промышленности используются повсеместно. Обычно продавцы указывают название камушка на ценнике, но недобросовестные торговцы могут выдать его за драгоценный. Как отличить фианиты от природного алмаза? Очень просто: нужно взвесить два одинаковых камня (натуральный и заменитель). Настоящий будет весить больше за счет большей плотности, тогда как фианит окажется более легким.
Считается, что последний можно вычислить и с помощью ультрафиолетового излучения. При его воздействии фианит обретает зелено-желтый оттенок.
Муассанит – это более дорогостоящий аналог алмаза. Отличить их практически невозможно. Научное название муассанита – карбид кремния, который на современном оборудовании преображается в великолепный сияющий самоцвет.
Первооткрыватель этого камня – Генри Муассан, был удостоен Нобелевской премии. Он первым нашел в кратере вулкана фрагменты метеорита, которые впоследствии стали сырьем для алмазного производства.
Как же распознать этого «двойника» и не обмануться при покупке? Натуральный бриллиант, как ни странно, не идеален внешне. Его поверхность чуть шероховата, в отличие от гладкой оболочки муассанита. Если присмотреться, то можно обнаружить чёрный отблеск фрагментов алмаза, тогда как в синтетическом камне никаких чужеродных включений нет.
Среди прочих заменителей бриллианта сегодня в ходу циркон, белый сапфир и топаз, гранат алюмоиттриевый.
Ну и нельзя не сказать о всем известных «стекляшках» или стразах. Ранее их делали из натурального горного хрусталя, а теперь из простого стекла и полимеров. Еще в 18 веке Георг Фридрих Страсс придумал наносить металлическую пудру на нижнюю сторону хрусталя, чем достигался зеркальный алмазный эффект. Настоящие стразы сегодня отнюдь не считаются дурным тоном. Чего стоят знаменитые изделия от Сваровски, которые стремятся заполучить в свою коллекцию все известные красавицы мира!
Не стоит недооценивать все виды заменителей, они имеют свою ценность в ювелирном мире. К тому же их производство – очень трудоемкий процесс, который позволяет получить на выходе великолепные экземпляры, не уступающие натуральным камушкам в эстетических качествах.
Жар, газ и давление
Давайте чуть углубимся в сам технический процесс, а затем узнаем, как получить бриллиант в домашних условиях. Освоим, так сказать, профессию технологов-ювелиров, чтобы понять, насколько это сложная и кропотливая работа.
Сегодня выделяют два способа производства алмаза в условиях лаборатории.
- В специальную капсулу помещают алмазную пудру, которая растворяется под действием давления и высоких температур. Затем происходит процесс кристаллизации, который занимает до нескольких месяцев. Как результат – алмазы с кубическими гранями, отличные от настоящих не только по форме, но и по самому процессу роста.
- Второй способ предполагает также наличие камеры, заполненной газом. При воздействии потоков энергии молекулы газа в вакууме разрушаются, а атомы углерода оседают внутри капсулы в виде пластин. В достаточно большой камере за несколько недель можно вырастить десятки алмазов. Они будут слоистыми, с шероховатыми чёрными краями. Иногда камни при этом методе получаются с коричневым оттенком, но все примеси хорошо очищаются в процессе термической обработки. Затем мастера приступают к огранке.
Растим бриллиант дома
Как видите, процесс очень интересный, хорошие мастера зарабатывают в алмазной промышленности баснословные суммы. Готовы попробовать себя в этой профессии? Тогда приступаем к нашему эксперименту.
Нам понадобится:
- Микроволновая печь;
- 3 стержня простого карандаша (графита), около 3 мм толщиной;
- 15 см х/б нитки;
- 2 кружки;
- Оливковое масло.
А теперь само действо:
- В небольшое блюдечко накапайте немного оливкового масла, по периметру его положите нитку, чтобы она адсорбировала излишки.
- Теперь нитку чуть приподнимите и завяжите в слабый узелок. В него пропустим графитовый стержень. Его можно положить на 2 зубочистки, чтобы он был чуть выше поверхности масла. Можно аккуратно потянуть за оба конца нити, завязав плотный узелок. Оставьте всю эту конструкцию на полчаса.
- Микроволновку хорошенько вымойте и высушите, там не должно быть остатков еды или пыли.
- Переверните кружку и установите ее в микроволновую печь. На нее положите два оставшихся стержня, а поперек них – подготовленный масляный. Накройте сверху второй кружкой. Включите печку на максимальную температуру и время.
- В финале нетронутыми останутся непромасленные стержни, а участок, который был пропитан, расплавится и на его месте образуется бриллиант. Трогать руками конструкцию сразу нельзя, иначе рискуете заполучить ожог.
Можете любоваться собственным творением, и пусть это создание напоминает не совсем драгоценность, а скорее, поделку из набора «юный химик», зато вы познали азы «камнеобработки» и «алмазодобычи».
Как правильно выбирать
В деле покупки драгоценностей каждого из нас едва ли можно назвать экспертом, поэтому лучше если вы будете приобретать украшения в проверенных ювелирных магазинах известных торговых сетей.
Согласитесь, купить вместе алмаза его подделку из стекла не слишком приятно. Считается, что все настоящие бриллианты имеют специальную маркировку. К тому же они весят больше синтетических и имеют иную кристаллическую решетку. Фальшивки порой более безупречны внешне, без примесей и с идеально гладкой поверхностью, они могут реагировать на сильные магниты, поэтому на всякий случай перед покупкой проведите эксперимент прямо в магазине. Если же хотите быть уверенным на все 100%, отнесите камень на исследование к геммологу, специалисту по алмазам. Он наверняка сможет определить, искусственник перед вами или нет.
Впрочем, носить неприродные камни сейчас вовсе не постыдно, тем более если ваш бюджет не позволяет покупать шикарные настоящие бриллианты. Ожерелье или серьги с фианитами или стразами будут блистать даже ярче натуральных собратьев, а обойдутся в разы дешевле, чем изделия с алмазом.
Итак, сегодня мы с вами ознакомились с тем, что такое заменители бриллиантов и «с чем их едят», вернее, как они зародились, каким способом производятся. Научились самостоятельно добывать бриллиант из простого карандаша и можем с полным правом считать себя специалистами в этой теме.
Команда ЛюбиКамни
Другой способ (CVD), который стали применять, чтобы произвести искусственные бриллианты, отличается тем, что весь процесс происходит при более низком уровне давления и за более короткий срок. Исходный материал погружают в специальную камеру, где создаются условия вакуума. Затем начинается воздействие микроволновыми лучами и газами. Углеродная плазма разогревается до 3000 градусов. Происходит формирование синтетических алмазов путем осаждения молекул углерода на пластинку-заготовку.
В качестве сырья используют вещества, которые богаты углеродом. Это может быть графит, сахарный уголь, сажа. Искусственно выращенные камни обладают той же структурой, что и природные. И это объясняет их твердость и высокую прочность.
Области применения
По своему внешнему виду искусственный бриллиант ничем не отличается от настоящего природного минерала. Однако стоимость его значительно меньше. Такие камушки, полученные в условиях лаборатории, лучше поддаются огранке. Ювелиры могут огранить даже очень маленький синтетический кристалл. Такие мелкие образцы очень востребованы, ведь натуральные мелкие кристаллы очень трудно извлекать из породы.
Высокие показатели твердости и прочности, которыми отличаются искусственно выращенные алмазы, делают их незаменимыми для использования при создании различных устройств для резки или шлифовки. Алмазное напыление и крошка сегодня присутствуют на пилах, сверлах, бурах и множестве других инструментов. Сейчас такой материал активно используется и при производстве микросхем.
Производство синтетических алмазов газовым способом (CVD) очень важно, так как полученный материал используется для создания высокотехнологичного медицинского оборудования. Использование таких составляющих позволяет продлить срок службы приборов, так как алмазные детали способные выдерживать сильный нагрев, сохраняя эффективность и работоспособность.
Разнообразие видов
Высокий спрос на красивые ювелирные изделия с искрящимися, переливающимися камнями естественно привел к тому, что стали появляться различные имитации алмаза. Иногда вместо этого драгоценного камня в украшениях использовали прозрачную разновидность кварца – горный хрустать, белый сапфир. Но с развитием технологий появились искусственные бриллианты, которые мало чем отличались от настоящего камня. .jpg" alt="искусственный бриллиант" width="200" height="213">
Заменитель бриллианта, полученный в условиях лаборатории, помимо атомов углерода содержит в своей кристаллической решетке азот, включения которого появляются там на стадии роста. Из-за того, что азот подавляет голубой спектр, искусственный камень приобретает оттенок желтого цвета. Сейчас существуют следующие разновидности:
- Еще в семидесятых года ХХ века в ювелирной промышленности появился фианит. Эта имитация алмаза представляла собой кубически стабилизированный циркон. По своим оптическим свойствам он очень схож с натуральным образцом, однако значительно уступает ему по прочности.
- Другим вариантом имитации алмаза является нексус (Nexus). При его получении углерод соединяется с различными примесями. Образец отличается высокими показателями прочности и твердости.
- Полученный из карбида кремния муассанит является самым дорогим. Он обладает необыкновенным блеском и отменной прочностью.
На изделия, в которых используется имитация бриллианта, всегда сохраняется высокий спрос. Однако, даже выбирая украшение, в котором используется искусственно выращенный камень, нужно быть осторожными. Недобросовестные продавцы могут реализовывать обычное стекло, которое было огранено.
Как отличить имитацию
Покупая любое украшение в ювелирном магазине, вы можете попросить у продавца документы, которые подтверждают подлинность того или иного изделия. И если в изделии используется искусственно выращенный кристалл, то об этом вы должны получить полную информацию.
Если вы сомневаетесь, что перед вами природный бриллиант, то можно попробовать проверить это и в домашних условиях:
- Первое, на что стоит обратить внимание, – это количество граней. Фианит получает при огранке меньше граней, которые к тому же более округлы.
- Можно капнуть на испытуемый образец каплю масла. На натуральном камушке она останется без изменений. А на имитации – распадется на мелкие частички, а потом соберется в маленькие капельки.
- Если опустить кристаллик в масло, а потом прикрепить к стеклянной поверхности, то настоящий к ней прилипнет, а с такой фокус не пройдет.
- Попробуйте положить кристалл на газету. Через фианит вы будете видеть буквы, а через бриллиант – нет.
- Натуральный камень, сжатый в руке, будет оставаться прохладным, когда как имитация быстро приобретет температуру тела.
- Рассмотрите кристалл. Природные алмазы исключительно редко бывают однородными, в них всегда присутствуют вкрапления, мелкие дефекты. Тогда как фианиты всегда абсолютно прозрачны.
Интересно, что фианиты, не обладая уникальным бриллиантовым сиянием, намного лучше отбрасывают блики. Но если вы сомневаетесь в происхождении камня, лучше всего обратитесь к профессионалам. Используя современное оборудование, геммологи сообщат вам результат, точность которого будет равна 100%.
УО "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности
Индивидуальное задание
на тему: Производство искусственных алмазов
Реферат. 3
Введение. 4
Глава 1. Природные алмазы.. 5
1.1 Углеродная природа алмаза. 5
1.2 Природные месторождения. 6
1.3 Цена бриллианта. 7
Глава 2. Развитие технологии производства алмазов. 9
2.1 Необходимость промышленного производства алмазов. 9
2.2 Этапы развития. 10
2.3 Метод температурного градиента. 11
2.4 Применение тиснумита. 13
2.5 Современные технологии. 15
2.6 Химическая обработка. 17
2.7 Радиационная обработка. 17
2.8 Термобарическая обработка. 18
2.9 Управляемый синтез. 18
2.10 Контроль происхождения алмазов. 20
Заключение. 22
Список использованных источников. 23
Ключевые слова: алмаз, бриллиант, тиснумит, огранка, кимберлит, графит, кристалл, примеси, синтез.
В данной работе приводится общая информация о свойствах и природе алмазов, их крупнейших местрождениях и способах добычи; о развитии технологии производства искусственных алмазов и их применения, а также о современных технологиях выращивания и обработки алмазов.
Введение
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.
Алмазы применяются во многих отраслях промышленности как абразивный материал. Дороговизна натуральных алмазов вызывает необходимость производства синтетических камней в промышленных масштабах. Ежегодное производство их составляет несколько миллионов карат. И большая их часть применяется для технологических нужд.
Целью работы является изучение технологии производства и обработки синтетических алмазов. Для этого ставится задача осветить историю развития отрасли, рассмотреть основные технологические процессы производства и способы обработки искусственных алмазов, а также показать разнообразные сферы применения таких алмазов в промышленности и современных нанотехнологиях.
1.1 Углеродная природа алмаза
С давних пор алмаз считали чудодейственным камнем и могущественным талисманом. Полагали, что человек, носящий его, сохраняет память и веселое расположение духа, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он храбр и верен.
Алмаз является самым твердым минералом (твердость 10 по минералогической шкале; плотность 3,5 г/см3) с высоким показателем преломления 2,417. Кроме того, алмаз – полупроводник. На воздухе алмаз сгорает при 850 oС с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1500 oС переходит в графит. Свойства алмаза резко меняются в зависимости от наличия (тип I) или отсутствия (тип II) примеси азота. Для типа I характерно аномальное двупреломление, низкая фотопроводимость, отсутствие электропроводности, поглощение в инфракрасном (между 8-10 мкм) и ультрафиолетовом (от 3300 А) диапазонах, высокая теплопроводность. Безазотные алмазы (тип II) практически изотропны, с высокой фотопроводностью, не поглощают инфракрасное излучение и прозрачны в ультрафиолетовом (до 2200 А), обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. Рентгеновская дифракция выявляет в первом типе дополнительные линии, свидетельствующие о «дефектности» кристаллической структуры.
Трудно представить, что самый твердый из известных природных материалов является одной из полиморфных (отличающихся расположением атомов в кристаллической решетке) модификаций углерода, другая модификация которого - графит, мягкое вещество, использующееся в качестве смазки и грифелей для карандашей. В алмазе, имеющем кубическую структуру, каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, которые образуют правильную четырехгранную пирамиду. Графит же имеет слоистую структуру, в которой прочные связи между атомами углерода существуют только внутри слоя, где атомы образуют гексагональную сетку. Связь же между отдельными слоями очень слабая, поэтому они могут легко скользить относительно друг друга и остаются на бумаге в виде микрочешуек, когда мы пишем карандашом.
Зарождались и росли алмазы миллиарды лет назад на глубинах в 150-200 км под воздействием высоких температур и давлений. Условия для их роста, как правило, сохранялись в течение нескольких миллионов лет, а затем нарастающее давление выбрасывало их ближе к земной поверхности. После чего они либо оставались на месте (в «коренных» месторождениях), либо под действием ветра и воды извлекались из породы и накапливались во вторичных (россыпных) месторождениях. До середины XX века основная добыча алмазов приходилась на россыпные месторождения. Их гораздо легче было искать и разрабатывать. Однако эти месторождения, как правило, мелкие и быстро истощаются. После 1990 года более 75% мировой добычи алмазов стало приходиться на долю коренных месторождений, так называемых кимберлитовых трубок. Эти конусообразные, суживающиеся книзу залежи породы выступали своеобразным транспортером, доставляющим алмазы на поверхность земли. Площадь выхода кимберлитовых тел на поверхность различна. Самая крупная кимберлитовая трубка «Мвадуи» в Танзании имеет поперечник ~1-1,5 км. Глубина разработки трубок доходит до 1 км. Однако далеко не все кимберлитовые трубки являются алмазоносными. Рентабельны только те, в которых содержание алмазов составляет 0,5-5 каратов (0,1-1,0 грамма) на одну тонну породы. Подавляющая часть алмазов обычно имеет размер от долей миллиметра до 4-5 мм, и их масса меньше карата (0,2 грамма).
В настоящее время добыча минералов ведется в 26 странах мира, крупнейшими из которых являются Россия (Якутия и Урал), Ботсвана, ЮАР, Заир и Намибия. Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн. каратов (20 тонн). В последние годы Россия вышла на первое место по добыче природных алмазов и на второе по их суммарной стоимости. По данным Минфина, объем добычи алмазов в России в первом полугодии 2004 года составил 17,7 млн. карат при средней цене 51 доллар за карат (0,2 грамма). Экспорт необработанных природных алмазов с территории РФ за январь-сентябрь 2004 года составил 23,6 млн. каратов. Доля ювелирных алмазов составляет 20-25%. Основная масса (75-80%) добываемых камней - так называемые технические. Алмазы данной категории благодаря своим высоким абразивным качествам нашли широкое применение в обрабатывающей и бурильной промышленности. Самый большой ювелирный алмаз в мире - «Куллинан», массой 3106 карат (621,2 грамма), размером 5,5х10х6,5 см, был найден в 1905 году в Трансваале (ЮАР). Впоследствии из него было изготовлено 9 крупных бриллиантов (самый большой «Звезда Африки» - 530,2 карата) и 96 мелких. В процессе огранки было потеряно 66% исходной массы кристалла.
Бриллианты (ограненные алмазы) оцениваются по четырем главным CCCC критериям (так называемая система 4’C): цвет (color), качество (clarity), огранка и пропорции (cut), вес в каратах (carat weight). Наиболее ценны те, что имеют так называемый «высокий» цвет, а в действительности являются бесцветными. Наличие даже едва заметного и незначительного, на взгляд неспециалиста, оттенка желтого, коричневого или зеленого цвета (называемого ювелирами «нацветом») может серьезно понизить стоимость камня. У бесцветных алмазов выше всего ценится круглая огранка (бриллиант в этом случае имеет 57 граней), позволяющая максимально выявить блеск и игру камня (так называемый «огонь»). Максимальная стоимость бриллианта весом 1 карат сегодня составляет $18 000. Наиболее часто камни такого же веса имеют менее высокий цвет и качество, и их стоимость - $5 000- $8 000.
Рисунок 1.1. Цветные бриллианты
Чемпионами по стоимости в мире бриллиантов являются окрашенные в красный, голубой, розовый, зеленый и оранжевый цвета камни. Цена на розовые и голубые бриллианты может превосходить стоимость бесцветных аналогичного веса и качества в 10 и более раз, а самым дорогим (за карат) за всю историю бриллиантом является камень красного цвета весом 0,95 карата, проданный в 1987 году на аукционе Christie’s за 880 000 долларов США. Единого прейскуранта для цветных камней не существует, и, как правило, они формируются на аукционных торгах.
Высокая цена на эти камни объясняется не только их особыми характеристиками, но и уровнем монополизации в торговле: Международная корпорация «Де Бирс», контролирующая 70-80% поставляемых на рынок природных алмазов, уже более столетия удерживает на них известные цены. Освоение во второй половине XX века промышленного производства технических и ювелирных аналогов не снизило стоимость алмазов на мировом рынке.
В промышленном количестве выращивают только мелкие камни диаметром до 0,6 мм, используемые в качестве сырья для изготовления абразивного инструмента. Цены на них незначительно упали после освоения данной технологии и составляют около 10 центов за карат. Снижение цен на ювелирные алмазы не предвидится, поскольку их выращивание обходится довольно дорого.
Словосочетание «белорусские бриллианты» для нашего уха звучит так же, как и «белорусские креветки». Но не торопитесь с шутками. Мало кто знает, что в девяностые в Беларуси построили один из первых в мире заводов по синтезу алмазов, что за белорусскими учеными из этой сферы готовы гоняться мировые промгиганты, а качество кристаллов оценили на международном уровне.
Первый в мире синтезированный алмаз получила компания General Electric еще в 1950-х годах при помощи специального пресса. Небольшой грязный камешек по свойствам ничем не отличался от природных алмазов. Была только одна загвоздка: денег на его синтез нужно было гораздо больше, чем при добыче в природе. На это дело махнули рукой и до 1980-х годов про выращивание алмазов благополучно забыли.
Одни из первых попыток получить алмазы с помощью электродуговой печи. В конце 1980-х ученые из Новосибирского отделения Российской академии наук создали беспрессовый аппарат «разрезная сфера» (БАРС), при помощи которого впервые в мире получили синтезированный алмаз, готовый конкурировать с природным не только по качеству, но и по себестоимости. У первых синтезированных новосибирских алмазов она была значительно ниже.
Отставной генерал, семеро ученых и $5 млн
После удачной апробации в 1990-х семеро известных советских ученых (двое из них — белорусы) загорелись идеей создать первый в мире завод по синтезу алмазов. Площадкой благодаря хорошему географическому положению выбрали Беларусь.
Ученые стали учредителями компании «Адамас». Они взяли в «Промстройбанке» СССР кредит на 51 млн советских рублей и начали
строительство в деревне Атолино, что под Минском.
Аппараты БАРС.
Завод должен был быть довольно крупным: трехэтажное здание, 220 работников. Но денег не хватало, поэтому позже в состав учредителей вошли тогдашний «Белпромстройбанк», который выделил предприятию кредитную линию в $5 млн, а также двое известных в советские времена бизнесменов, внесших еще $2,5 млн.
Инвесторы успели только завершить здание, поставить 120 аппаратов БАРС и немного отработать технологию, как тут у бизнесменов-учредителей начались проблемы — они оставили завод без денег.
Неожиданно четверых ученых переманивает в США генерал в отставке Картер Кларк. Оказывается, в 1995 году он за $60 тыс. купил технологию производства синтезированных алмазов и основал компанию Gemesis Diamond. К слову, все было оформлено официально, так как России на то время остро нужны были деньги и она распродавала свои научные разработки.
Ученые оставили «Адамас» и уехали к Кларку.
Один из крупнейших производителей синтезированных алмазов в мире.
Оказавшись в тяжелом положении, учредители пытались вернуть кредитные
деньги банку, но тщетно. В 1999 году в отношении руководства «Адамаса»
возбудили уголовное дело. Разбирательство шло пять лет, сумму ущерба
оценили в $7 млн. Бизнесмены и юрист уехали за границу. Однако четверых
все же посадили.
После выхода на свободу никто из прежних руководителей «Адамаса» в
Атолино не вернулся. Уехали в Санкт-Петербург и Москву и оставшиеся трое
ученых, а с ними — и технология синтеза алмазов.
Первые синтетические бриллианты.
Так в мире появилось три крупнейших центра синтезированных алмазов:
Москва, Питер и американский штат Флорида. Есть еще несколько мелких
компаний, но говорят, что все ниточки ведут все к тем же семерым.
Что все это время происходило с самим заводом? Его передали на баланс
Белгосуниверситета. В одной из частей здания функционировало
предприятие РУП «Адамас БГУ»: ученые проводили исследования, изучали
производство технических алмазов, совершенствовали его. Правда,
эксплуатация установок обходилась очень дорого и финансовый вопрос
становился все острее.
Белорусские бриллианты
«Когда китайцы, арабы и израильтяне стали уговаривать продать производство, стало понятно: спрос есть»
На краю Атолино стоит то самое трехэтажное здание завода, о котором так
грезили советские ученые — обычное производство с крашеными стенами и
свежим ремонтом внутри. На проходной здесь — милиционер и строгий
пропускной режим.
Несколько лет назад предприятие «Адамас БГУ» перешло в структуру
Управления делами президента. А чуть больше года назад проректора
Академии управления при президенте Максима Борда попросили оценить
ситуацию в Атолино: есть смысл наладить там производство или же проще
сдать аппараты в утиль?
— Признаюсь сразу: по образованию я юрист и тема производства алмазов
для меня была нова, — Максим Наумович ведет нас в цех. — Я стал
штудировать литературу, смотреть зарубежный опыт. Честно, сам не верил в
то, что наши кристаллы на самом деле хорошие и их можно продавать. Но
поездил по выставкам, показывал алмазы, ограненные бриллианты, которые
вырастили у нас в цеху, — специалисты восторгались качеством. А когда
стали звонить армяне, китайцы, израильтяне с уговорами продать
оборудование, уже окончательно понял: перспективы есть.
Так в ноябре 2016 года появилось ООО «АдамасИнвест» (предыдущее
предприятие сейчас на стадии ликвидации). Оно также подчиняется
Управлению делами президента и работает по специальному проекту
«Восстановление производства синтезированных алмазов и развитие
ювелирного производства изделий со вставками из получаемых бриллиантов».
Работает здесь 45 человек.
— Под этот проект мы получили заем. Деньги возвратные, есть четкие
сроки, — подчеркивает Максим Наумович. — Мы разработали подробный
бизнес-план, за полгода привели в порядок здание, восстановили цех и
запустили ювелирное производство. Фактически на него мы сейчас и делаем
упор.
На рынок технических алмазов, по словам Максима Наумовича, смысла идти
нет: всех игроков уложил на лопатки Китай. Девять лет назад Киевский
инструментальный завод продал КНР образец специального пресса. Китай
наштамповал их 40 тыс. штук, в 2014 году вышел на рынок технических
алмазов и обвалил его в 20 раз. Поэтому даже несмотря на то, что
белорусские технические алмазы по качеству превосходят китайские, стоят
они впятеро дороже.
— На ювелирный рынок Китай пока не идет. Думаю, его не пускают два
крупнейших игрока: подконтрольная США De Beers и российская «Алросса».
Поэтому в синтезе ювелирных алмазов у нас неплохие шансы, — заключает
Максим Борд.
Температура может вырасти до 2 тыс. градусов, давление — до 20 тыс. атмосфер
Огромный зал с десятками цилиндров и минимум рабочих — так выглядит цех с
теми самыми БАРСами, которых здесь 120 штук. Обслужить все аппараты за
смену могут слесарь и инженер. Всего же в цеху работает 10 человек.
— Они проектировались в 1970-х, но в производстве алмазов для ювелирных
целей и лучше БАРСов пока не найти, — показывает раскрытую полусферу
Максим Наумович. — Вообще, в настоящее время в мире существует две
технологии получения алмазов: HTHP (high temperature, high pressure —
высокая температура, высокое давление) и CVD (chemical vapor deposition —
химическое осаждение из паровой фазы). Последняя хороша для
производства технических алмазов, но не очень пригодна для ювелирных.
Дело в том, что в газовой среде камень растет ровными слоями, а в
природе — неравномерно, как и при технологии HTHP, которую мы
используем.
Максим Наумович показывает пульт управления цилиндрами. Это
специальная аппаратура, которая контролируется вручную. При малейших
отклонениях от заданных значений работники регулируют показатели.
— Казалось бы, пусть бы компьютер следил за тем, как растут алмазы. И у
меня, честно говоря, были мысли автоматизировать этот процесс, —
рассуждает директор. — Но когда я увидел нашу технологию, то понял:
смысла нет. Во-первых, дорого, вложения не окупятся. Во-вторых, рост
алмазов зависит от десятка нюансов: например, от перепадов температуры
во внешней среде на различных этапах. Сможет ли компьютер учесть все эти
нюансы и среагировать, как человек? Мы думаем, что пока нет.
Сами БАРСы устроены довольно просто: 3,5 тонны металла, шланг для подачи
масла, которое создает давление, и контакты, дающие ток и температуру.
Внутри аппарата — две сферы: большая и поменьше. Каждая сфера состоит из
шести частей — пуансонов, изготовленных из специального легированного
сплава. Большие весят по 16 килограммов, маленькие — чуть меньше
килограмма. Маленькие пуансоны — это фактически расходный материал. Они
стоят по $200 и выходят из строя в среднем после пяти синтезов.
— Температура на входе в аппарат — 1500 градусов, давление — 1800
атмосфер, — объясняет директор. — Внутри температура может вырасти до 2
тыс. градусов, а давление — до 10—20 тыс. Температура и давление
меняются на протяжении всего роста алмаза. Это трое суток, а не
столетия, как в природе.
В самом центре сферы находится специальный фарфоровый кубик. В нем,
как говорит Максим Наумович, и есть «вся наука». Перед тем как кубик
отправят в БАРС, его «фаршируют»: закладывают специальную спрессованную
таблетку, состоящую из отдельных компонентов, как правило, металлов,
здесь же и маленький кусочек алмазика, который потом вырастает в большой
камень и графитовый стержень (графит — это среда, которая дает алмазу
возможность расти). Потом кубик сушится в печи, пропитывается
определенными материалами, и только после всех этих процедур его можно
закладывать.
Вырастет алмаз или нет, зависит даже от теплоты рук работников
— Технология производства очень «капризна», — добавляет Максим Наумович.
— Алмаз может вырасти большим, может — маленьким, хорошим или плохим, а
то и совсем не растет. Все зависит от десятка факторов: от рук
инженера, который собирает кубик, от того, как он просушит его,
правильно ли пропитает, — вплоть до температуры в цеху и качества
графита. Как-то в странах Балтии тоже пытались наладить производство.
Закупили оборудование, а алмазы не росли. Оказалось, вырастить алмаз —
это не просто включить рубильник.
Через три дня кубик вынимают из БАРСа, разбивают и достают небольшую
болваночку, на которой может виднеться край кристалла. Болванку бросают в
колбу и заливают «царской водкой» (три порции соляной кислоты и одна
азотной). Колбы ставят в специальный шкаф и нагревают, чтобы реакция
пошла быстрее.
— При нормальных условиях через два часа металлы растворяются и
остается только алмаз, — говорят в лаборатории. — Потом мы извлекаем
алмаз, промываем его и опускаем в хромовую смесь.
Так убирают графит и получают уже чистый алмаз. Его взвешивают,
упаковывают и передают на аутсорсинг — на огранку в российскую компанию
(свободных специалистов по огранке в Беларуси нет, а учить новых пока
дорого).
— От первоначального веса алмаз может потерять 30—60%. Все зависит от
наличия включений и чистоты камня, — добавляют на производстве. — Кроме
того, в половине всех синтезов гарантированно получаются
высококачественные камни для огранки и установки в изделие — это 220
камней в месяц. Еще в 20% случаев получаются камни чуть более низкого
качества.
— Для работы пока достаточно, но для развития этого маловато. Вот бьемся
над этой задачей, — Максим Наумович показывает образцы алмазов. — Мы
сертифицировали наши камни в Международном геммологическом институте в
Антверпене. Экспертное мнение таково: наши камни ничем не отличаются от
натуральных по всем своим химическим и физическим характеристикам. Здесь
точно же такие показатели по прочности, отсутствию реакции на радиацию и
так далее.
В основном предприятие выращивает бесцветные алмазы весом до 1 карата,
получая бриллианты в 0,2—0,3 карата. Такие камни идут в основном на
серьги и кольца. Кристаллы можно и облагораживать: придавать лимонный,
черный, красный и другие цвета. Но на предприятии говорят, что белорусы
предпочитают классику.
«Индусы стали просить делать ритуальные алмазы из праха умерших»
Узнав про невысокие по мировым меркам цены на белорусские камни, на
предприятие позвонили индусы с необычной просьбой: делать ритуальные
камни.
— Они хотят сохранять память о своих кремированных родственниках в
таком виде. По сравнению с британской компанией, которая вплотную
занимается подобным производством, наши алмазы выходили в пять раз
дешевле, — объясняет директор.
— Работать с прахом умерших мы не решились, а вот технологию получения
алмаза из волос отработали. Да, алмазы можно получить из волос. Мы
получаем из них углерод, а дальше работаем по той же схеме. Технологию
мы опробовали, выпустили уже 12 таких камней. Правда, пока массовое
внедрение этой темы — следующий этап работы для нас. И в этой теме
большой потенциал для науки.
Но все же основной упор компания делает на собственное ювелирное
производство. Ювелирный цех хоть и небольшой (9 человек), но
потенциально там могут производить до 5 тыс. единиц в месяц. На прошлой
неделе большая партия белорусских бриллиантов поступила в магазины.
— Наши изделия обходятся на 20—30% дешевле изделий с натуральными
камнями, а сами синтезированные бриллианты стоят и вовсе вдвое дешевле
натуральных. К примеру, отпускная цена на готовое изделие с бриллиантом в
0,15 карата составляет 300 рублей, с камнем в 0,25 карата будет стоить
600 рублей, — директор показывает образцы изделий.
В основном это помолвочные кольца. Максим Наумович говорит, что в планах
есть и серьги, и запонки, и серебро с бриллиантами, и даже арт-серия в
экостиле.
— В Европе синтезированные алмазы набирают популярность. Считается, что
они более экологичны, чем добытые из недр земли. И это правда. Тем более
что по свойствам они не уступают природным, — рассуждает он и делится
планами: укрепиться на ювелирном рынке, открыть фирменный магазин с
ценами на 40% ниже рыночных и многое другое.
— Есть цель сделать наши бриллианты доступным белорусским брендом. А
глобальная задача — за счет полученной прибыли дальше развивать научные
технологии в этой сфере, — добавляет Максим Борд.
