Синтетический алмаз. Синтезом алмазов занимались многие ученые. Ведущая роль принадлежит советскому физику О.И. Лейпунскому, который в 1938 г. провел теорети¬ческий анализ условий образования алмаза из графита и определил обла¬сти стабильного существования алмаза.
В результате им была изучена диа¬грамма состояния алмаз – графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов.
В феврале 1953 года группе физиков шведской энергетической компании ASEA при проведении очередного опыта по синтезу алмаза из графита при давлении 8 • 108 МПа и температуре 2500 °С с выдержкой во времени 2 минуты удалось получить первые в мире искусственные алмазы. В декабре 1954 г. ученые фирмы "Дженерал Электрик К°" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. Впоследствии ими была разработана ка¬мера типа "белт". После этого синтез алмазов был организован в ряде стран – Бельгии, Англии, Японии и др. В СССР в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л.Ф. Верещагина был разработан способ получения синтетических алмазов, который был передан для промышленного освоения Институту сверхтвердых материалов АН УССР. В 1961 г. была отработана промышленная технология синтеза алмазов.
Про¬цесс осуществляется при температуре 1800 – 2500 °С и давлении более 5 • 102 МПа в присутствии катализаторов – хрома, никеля, железа, мар¬ганца, платины, кобальта или других металлов.
Впоследствии было уста¬новлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-ка¬тализатора. В настоящее время составлены диаграммы образова¬ния алмаза из графита с различ¬ными катализаторами. На рис. 6 приведена диаграмма системы алмаз – графит – никель. Рис. 6. Диаграмма процесса синтеза ал¬мазов с катализатором из никеля: 1 – кривая равновесия алмаз – графит; 2 – кривая плавления никель – углерод; 3 – кривая плавления никеля; 4 – об¬ласть кристаллизации алмаза.
Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантимет¬ров (рис. 7). Нагревание осу¬ществляется индукционным ме¬тодом или прямым пропускани¬ем электрического тока. При сближении пуансонов реакцион¬ная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофилли¬том) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 5 • 102 МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза.
Раз¬мер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза, так как при времени реакции 3 минуты образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин – 70 мг. Наиболее прочны кристаллы размером до 0,5 – 0,8 мм, более круп¬ные имеют невысокие физико-механические свойства. Кроме описанного метода разработан еще ряд способов выращивания алмазов. В 1963 г. В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из газовой фазы (из метана, ацетилена или других углеводо¬родов) при давлении ниже 103 МПа. Суть метода – создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит – воздух способствует формиро¬ванию зародышей алмазов. Подобный метод был разработан в СССР Б.В. Дерягиным и Д.В. Федосеевым.
При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низ¬кая – около 0,1 мкм/ч. В 1961 г. в США фирмой "Эллайд Хемикал и Дю Пон" был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200 • 102 МПа и температуры до 2000 ºС, при этом в графите образуются мелкие (до 10 – 30 мкм) синтетические алмазы.
В СССР в Институте сверхтвердых мате¬риалов АН УССР была отработана подобная технология получения искус¬ственных алмазов, получивших название АВ. В США фирмой "Дженерал Электрик К0" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин.
Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных. В настоящее время мировое производство синтетических алмазов (без СССР) составляет более 200 млн. карат/год. Главные центры производства синтетических алмазов – США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР (" Де Бирс"), Англия, Япония. Рис.7. Схема камеры типа "чече¬вица": 1 – пуансоны; 2 – реакционная смесь графита с никелем; 3 – пирофилитовая прокладка; 4 – муфта.
В мире выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО – алмазы обычной прочности, АСР – алмазы повышенной прочности, АСВ – ал¬мазы высокой прочности, АСК и АСС – алмазы монокристалли¬ческие. Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04 – 0,63 мм. Кроме того, выпускаются две марки микропо¬рошков – АСМ и АСН с размером зерен 1 – 60 мкм. Монокристаллические синтетические алмазы АСК и АСС имеют размер зерен до 1 мм. Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и меха¬нической прочности.
Наиболее развитая поверхность характерна для алма¬зов АСО, а наименее развитая – для алмазов АСС. Механическая прочность ал¬мазов АСС приближается к прочности природных алмазов. Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, кругов шлифовальных и отрезных, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т.д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах по¬крывается за счет синтетических.
Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, ис¬пользуемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным ал¬мазам – эльбор (или кубонит), гексанит и др. "Блестящее будущее рису¬ется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственно¬го его получения.
Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немно¬гое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в це¬лом " – так писал А.Е. Ферсман в 1945 г а уже через несколько лет син¬тетические алмазы заняли ведущее положение в технике. Около 200 лет пытаются создать синтетические алмазы. Десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов как для технических нужд, так и для ювелирных целей. Нерешенных проблем в этой области очень много, однако каждый день приближает нас к цели и не исключено, что в скором времени будут найдены экономичные способы получения синтети¬ческих алмазов любой формы, размера, цвета и качества.
Природные дра¬гоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих син¬тетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные.
Г. Банк пишет: "Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драго¬ценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по прежнему ценит лишь оригинал!". Глава 5.