синтетичні алмази

Видобуток алмазів і вивчення алмазних родовищ дали багатий фактичний матеріал для створення гіпотез про утворення цього мінералу. Особливо багато даних було отримано при дослідженні найбільших алмазних родовищ Південної Африки. Як з'ясувалося, основні чинники, що сприяли утворенню алмазів, - високі тиск і температура, які мали місце в земних надрах на великій глибині. Ці висновки геологів були використані дослідниками, які працюють над проблемою штучного отримання алмазів.

Позитивного результату досяг в 1880 р Ханней: він отримав кілька маленьких штучних кришталиків, які зараз зберігаються в Британському музеї природної історії в Лондоні під етикеткою "Штучні алмази Ханне". Технологія отримання кристалів алмазу в його дослідах була нескладною. Знаючи, що під дією високих температур і тисків звичайні форми вуглецю (вугілля, графіт і ін.) За рахунок ущільнення кристалічної решітки перетворюються в алмази, він герметично закупорив в сталеву трубку, що нагадує гарматний ствол, суміш, яка містить 90% легких вуглеводнів (таких, як гас і парафін), 10% кісткового масла і трохи металу літію, і нагрівав трубу до червоного розжарювання, витримуючи її в такому стані протягом 14 год. з 80 поставлених трубок вціліли тільки три, де і були отримані штучні алмази - 11 кристалів зі з єднім розміром 0,4 X 0,2 X 0,1 мм і щільністю 3,54 г / см3.

У тому ж 1880 р професор К. Д. Хрущов в Росії, Кристалізуючи вуглець з розплавленого срібла, отримав прозорі і темні осколки. При згорянні їх утворювалася вуглекислота. Осколки залишали подряпини на самому твердому після алмазу мінералі - корунді, природно, що К. Д. Хрущов прийняв їх за алмази. Однак згодом виявилося, що це не алмази, а сполуки вуглецю з металом - карбіди.

А. Муассан, першовідкривач фтору, також зумів отримати дрібні тверді кристали щільністю 3,5 г / см3, які сучасники довгий час вважали алмазами. Розправлений в дугового печі, перенасичений вуглецем чавун А. Муассан миттєво охолоджував водою. Кірка застиглого чавуну, стискаючись за рахунок охолодження, з жахливою силою здавлювала ще гаряче ядро, усередині якого створювалося високий тиск.

У 1917 р німецький дослідник Руфф, використавши всі відомі способи отримання алмазів і не отримавши позитивного результату, першим висловив припущення про те, що кристали Муассана - НЕ алмази.

Невдача спіткала також відомого англійського промисловця і винахідника Ч. Парсонса, який довгий час займався сінтерізованіем алмазів. На гігантські гідравлічні преси, що дозволяють отримувати тиску до 10 тис. Ат (980 МПа), ні безліч використаних ним вуглецевих з'єднань не допомогли йому отримати алмази. Він з жалем мушу констатувати, що синтезовані їм речовини - шпінелі. Кристали октаедричної форми, отримані сицилійцем Ла Россом, теж виявилися не алмазами.

Однак навіть невдалі спроби синтезування алмазу дозволили накопичити цінний досвід і великі знання про властивості графіту і алмазу. Так, стало відомо, що граф не плавиться, а переганяється при 3500 ° С, т. Е. Минаючи рідку фазу, переходить в газоподібний стан, але якщо одночасно з підвищенням температури підвищувати тиск до 1000 атм (98 МПа), то можна отримати розплавлений графіт. І вже встав новий питання: чи не можна при охолодженні отримати алмаз з розплавленого графіту? Досліди, проведені Мюрхером, дали негативний результат. Фальшивими виявилися й штучні алмази німецького дослідника Карабачек, які довгий час експонувалися в музеї Гарвардського коледжу. Карабачек навіть отримав патент на новий спосіб синтезу алмазів.

У 40-ті роки XX ст. англійські фізики Банністер і Лондсдейл за допомогою рентгенівських променів досліджували всі кристали, що видаються за штучні алмази. Виявилося, що всі вони були фальшивими, крім кристалів, отриманих Ханне, хоча тиск в його дослідах за розрахунками не перевищувало 100-200 ат (9,8-19,6 МПа). Ця загадка до сих пір не розгадана. Деякі вчені, зокрема відомий фахівець з алмазів К. Лондсдейл, вважають, що алмази Ханне можуть бути і неіскусственное походження.

Американському вченому П. Бріджменом, що працює в області надвисоких тисків, вдалося отримати при кімнатній температурі тиск в 425 тис. Ат. (41, 65 ГПа), але робота над синтезом алмазів не привела до бажаних результатів. Однак теоретичні роботи П. Бріджмена, лауреата Нобелівської премії, основоположника техніки високих тисків, підготували майбутній успіх в здійсненні синтезу алмазів [1] "

У 1939 р радянський вчений О. І. Лейпунський опублікував рас-зчитану їм виходячи з термодинамічних даних криву рівноваги графіт-алмаз і вказав досить точні параметри, при яких графіт має перетворюватися в алмаз. Дане їм опис процесу виключно близько до одного з варіантів сучасного способу синтезу алмазів.

В середині 50-х років штучні алмази почали отримувати в цілому ряді країн. Перше повідомлення про успішне синтезі алмазів в 1953 р надійшло від вчених Швеції (фірма ASEA). У 1954 р процес синтезування алмазів був здійснений групою фахівців американської компанії "Дженерал електрик". Методом, при придатним для промислового застосування, були отримані перші штучні алмази - темні кристали розміром до 1,6 мм (найбільший).

У 1959 р відома алмазна компанія "Де Бірс" також опублікувала дані про отримання штучних алмазів.

Компанія "Дженерал електрик" випустила на ринок першу партію штучних алмазів через два роки після вдалих дослідів. У Детройті було побудовано перше спеціальне підприємство з виробництва синтетичних алмазів з річною потужністю 3,5 млн. Кар. У 1957 р компанією "Дженерал електрик" було вироблено близько 100 тис., 1958 р.- 750 тис., 1959 р.- 1 млн. І 1968-1969 рр.- 11-13 млн. Кар синтетичних алмазів. У 1970 р було оголошено про успішне синтезі великих (до 1 кар) алмазів ювелірної якості. В останні роки США публікують дуже мізерні і суперечливі дані про виробництво алмазів. У середньому вона становить 25-26 млн. Кар в рік.

Про сучасною технологією одержання синтетичних алмазів відомий радянський вчений В. Н. Бакуль писав: "В даний час відомі три методи синтезу алмазів: в області термодинамічної стабільності алмазу впливом на вихідний вуглецевмісний матеріал високим статичним тиском і температурою протягом часу, що вимірюється принаймні декількома секундами; в області термодинамічної стабільності алмазу впливом на вихідний вуглецевмісний матеріал високим динамічним тиском і температурою протягом ча єни, вимірюваного мікросекуідамі і частками мікросекунд; в області термодинамічної стабільності графіту, здійснюваної при атмосферному і менших тисках і високій температурі епітаксіальним нарощуванням алмазу на затравки. Всі ці методи є предметом серйозних досліджень в СРСР. Основна маса синтетичних алмазів виробляється в усьому світі за першим методом , т. е. при високих статичних тисках. Сформульоване О. І. Лейпунським (СРСР) раціональне поєднання трьох умов, необхідних для синтезу алмазів (значення темпі АТУР, тиску і наявність певного середовища), лежить в основі методів виробництва синтетичних алмазів при високих статичних тисках, використовуваних в СРСР, США, Великобританії, Швеції, Японії, ПАР та інших країнах ".

Великий внесок у фізику і техніку високого тиску, розробку камер для синтезу надтвердих матеріалів вніс академік Л. Ф. Верещагін [2]. За його безпосередньої участі і під його керівництвом в 1960 р був вперше здійснений синтез алмазів в Радянському Союзі. Для організації та успішного розвитку промислового виробництва синтетичних алмазів і впровадження їх у народне господарство країни було створено Інститут надтвердих матеріалів АН УРСР. У жовтні 1961 р колектив інституту рапортував XXII з'їзду КПРС про те, що вперше в СРСР розроблена технологія виробництва синтетичних алмазів і виготовлені перші 2 тис. Кар. Цим і було покладено початок промислового виробництва синтетичних алмазів в Радянському Союзі.

Перше десятиліття після отримання в промислових умовах синтетичних алмазів (1961-1971 рр.) Було періодом бурхливого зростання їх використання у всіх галузях промисловості СРСР. За цей час загальне споживання технічних алмазів зросло в 35 разів, або в середньому більш ніж на 45% в рік; при цьому споживання природних алмазів зросла в 5,5 рази, або на 18,6% в рік, а виробництво і споживання синтетичних алмазів - в 295 разів. Неабияке значення мало й те обставина, що постійне вдосконалення технології виробництва синтетичних алмазів сприяло зниженню цін на них.

До теперішнього часу в нашій країні створена ціла галузь промисловості з виробництва синтетичних алмазів та інструментів з них. Випускаються синтетичні алмази марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, САМ, АСБ і АСПК, а також мікропорошки на основі синтетичних алмазів - АСМ і АСН розміром від 1 до 630 мкм. Синтетичні алмази ефективно замінюють природні і застосовуються тепер на тисячах підприємств в різних областях народного господарства. Впровадження синтетичних алмазів позбавило від необхідності дробити більшу частину природних алмазів для виготовлення порошків, паст і абразивного інструменту, на що, за даними світової практики, раніше витрачалося понад 70% природних технічних алмазів. З'явилася можливість більш раціонально підійти до застосування природних алмазів.

За кордоном промисловий синтез алмазів налагоджений в США, ПАР, Ірландії, Японії, Швеції та ряді інших країн. Всього в світі (без СРСР) виробництво синтетичних алмазів з 1965 по 1975 г. (період становлення і інтенсивного розвитку цієї галузі промисловості) зросла приблизно в 3 рази і продовжує збільшуватися.