Синтетическое выращивание алмазов: производство, применение, перспективы

Обширные запасы месторождений импактных алмазов (импактит – горная порода, образовавшаяся при столкновении метеорита с землей) в Якутии, информация о которых была рассекречена на этой неделе, не претендуют на роль нового Клондайка, который наполнит рынок алмазным сырьем на долгие десятилетия вперед.

Между алмазами ювелирного качества и импактитами, не подлежащими огранке из-за непрезентабельного внешнего вида и мелких размеров, лежит настолько великая пропасть, что эксперты шутят: если хотите расстаться с девушкой – подарите ей импактный алмаз. Но часть минералов, содержащихся в так называемой Попигайской астроблеме, со временем может занять достойную нишу на рынке технических алмазов, без которых немыслимо развитие современных высокотехнологических отраслей.

По мнению директора Института геологии и минералогии Сибирского отделения РАН Николая Похиленко, который и сообщил общественности о находке, новый минерал мог бы найти широкое применение в промышленности, где сейчас используются технические алмазы – как натуральные, так и синтетические. Вместе с тем, по словам представителя «АЛРОСА» (РТС: ALRS), которая планирует изучать импактиты совместно с РАН, сейчас эти алмазы представляют скорее объект научного интереса, и говорить об их рыночном потенциале преждевременно.

Алмазы-пришельцы…

Попигайская астроблема (она же – метеоритный кратер) расположена на границе Красноярского края и Якутии. «Космическое тело попало в графитосодержащие породы.

Высокие температуры и давление в момент удара вызвали переход графита в плотные модификации углерода, основными из которых являются обычный алмаз с кубической структурой кристаллической решетки и лонсдейлит (лонсдейлит – вещество, подобное алмазу, но отличающееся кристаллической решеткой) с гексагональной структурой, – поясняют в «АЛРОСА».

– Образовавшийся минерал – это не совсем алмаз в привычном его понимании, он представляет собой агрегат разных углеродных фаз, по сути это – наноразмерный композит, который кратко именуется импактным алмазом».

По внешнему виду импактные алмазы резко отличаются от кимберлитовых.

Как правило, они имеют форму узких пластинок или игл, средний вес 0,01-0,02 мг и средний размер до 2 мм, отмечены единичные находки более крупных кристаллов размером до 12 мм.

Содержание этого минерала в руде неоднородно, но в некоторых участках достигает 300 карат на тонну. Советские данные говорят о совокупных прогнозных ресурсах более 100 млрд карат.

Как сообщил Н. Похиленко «Интерфаксу», алмазов ювелирного качества на этом участке нет, поэтому на состояние мирового алмазного рынка импактиты повлиять не могут.

Однако они могли бы использоваться в качестве технического сырья.

По его словам, за счет уникальной структуры технологические характеристики импактитов (твердая и абразивная способность) в 2 раза лучше, чем у качественных технических алмазов кимберлитовой природы или синтетических.

…Мнения о сверхтвердости которых расходятся

Абразивные свойства импактитов были обнаружены советскими геологами еще в начале 70-х годов при начальных геологоразведочных работах. На тестовых испытаниях в Институте сверхтвердых материалов им.

Бакуля в Киеве было установлено, что абразивная устойчивость порошков импактных алмазов в среднем в 1,5 раза выше, чем у аналогичных порошков природных и синтетических алмазов.

Этим определилось основное направление технологических испытаний – режущий и шлифовальный инструмент, шлифовальные порошки.

Следующие испытания в 1977 году на предприятиях Минстанкопрома СССР подтвердили эти данные. Стойкость и производительность инструментов из импактных алмазов в 2 раза превышала показатели инструментов из кимберлитовых алмазов.

«Если использовать это сырье, можно повысить производительность труда при проведении буровых работ, при изготовлении композитных материалов, обработке деталей и керамики, полировке, шлифовке, огранке бриллиантов, в оптике, – считает Н. Похиленко. – Импактит вполне может составить конкуренцию синтетическим алмазам, производимым в Китае и Японии».

Между тем, по мнению директора Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН Александра Смелова, мнение об исключительной твердости импактитов преувеличено, «ведь алмаз сам по себе имеет наивысшую твердость». «Можно говорить только о большей износостойкости. Фактически импактиты дольше служат только на буровых коронках», – сказал он.

Рынок синтетических и технических алмазов

Вопрос о том, найдутся ли потребители на новое сырье, не менее интересен, чем вопрос о свойствах этих минералов. По данным Bain, в 2010 году спрос на технические алмазы полностью покрывал предложение и составлял около 4,5 млрд карат. Сейчас эксперты называют большие цифры (по оценке Н. Похиленко – 7 млрд карат производит только Китай).

При этом доля собственно натурального сырья в структуре производства и потребления «техники» минимальна – около 5%. Основа этого рынка – синтетические алмазы, производство которых в мире ведется с 50-х годов прошлого века.

По данным Bain, крупнейшим производителем искусственных алмазов является компания Element Six, входящая в структуру De Beers и имеющая предприятия в Китае, Европе и ЮАР. Другие значимые производители – Sumitomo Electric (Япония), Hehan Huanghe Whirlwind и Zhengzhou Sino-Crystal Diamond (Китай).

Собственно в Китае выпускается более 90% синтетических алмазов мира.

Синтетические алмазы на этом рынке имеют существенные преимущества перед натуральными. Они дешевы, а кроме того, существующие технологии позволяют производить искусственные алмазы с теми свойствами, которые необходимы конкретному потребителю в зависимости от его нужд – например, контролировать размер, твердость, теплопроводность.  

«Может быть так, что импактиты окажутся ощутимо дороже, чем синтетическая и даже натуральная «техника», – сказал «Интерфаксу» представитель «АЛРОСА».

– И тогда возникает вопрос: а будет ли востребованным у потребителей дорогое сырье, пусть и обладающее повышенными характеристиками? Или же потребители предпочтут взять за те же деньги несколько более дешевых инструментов.

Чтобы понять это, нужно проводить масштабные исследования рынка».

Вместе с тем, Н. Похиленко уверен, что импактиты могут найти свою нишу на рынке. «Ниша для природных технических алмазов очень значительная, – сказал он. – К примеру, синтетические камни не используются в автопроме при производстве двигателей внутреннего сгорания».

Перспективы добычи

Возможность начала добычи импактитов анализировалась еще в советское время.

Параллельно с геологоразведкой отечественные специалисты просчитывали варианты разработки месторождения и даже готовили технико-эксплуатационную документацию.

Она предусматривала строительство ГОКа, энергоснабжение за счет атомного блока, который мог быть построен в перспективе, и вывоз готовой продукции самолетами.

Однако за те годы, что геологи работали на месторождениях, в стране было построено несколько заводов по производству синтетических алмазов. Импактиты в связи с этим остались невостребованными, а их изучение – практически свернуто. Не последнюю роль в этом решении сыграло отсутствие инфраструктуры в месте расположения месторождений и сложности с технологией добычи.

Остается открытой и проблема расположения месторождения. «Попигай расположен на 72-й параллели, – отметил А. Смелов. – И его освоение крайне затруднительно из-за жестких природных условий».

«Попигай почти в 200 километрах севернее Удачного, – отмечают в «АЛРОСА». – И, для сравнения, еще севернее, чем Норильск. Инфраструктуры в этом районе нет и сейчас, и это тоже усложняет и изучение месторождения, и, тем более, какие-либо планы по его разработке».

Россыпные импактиты не требуют обогащения

В 1970-х годах полупромышленные алмазосодержащие пробы импактитов исследовались на предприятиях «Якуталмаза» в Мирном.

«Сама порода, в которой находятся эти кристаллы, очень твердая – настолько, что при первых пробах дробления вышла из строя мельница, –  рассказал представитель «АЛРОСА».

– Технология извлечения импактитов требует процесса термического растворения, что на сегодняшний день экономически нерентабельно».

«Проблемы есть при обогащении любой породы, – соглашается Н. Похиленко. – Но сейчас с использованием новых технологий вопрос может быть решен. Кроме того, в этом регионе есть россыпные месторождения с содержанием алмазов до 6 карат на кубометр, а это сырье не требует обогащения».

Данные «АЛРОСА» также свидетельствуют о том, что россыпные проявления импактитов более перспективны для изучения.

В первую очередь это Средне-Догойская россыпь, где по данным проведенных оценочных работ содержания алмазов достигают до 3 карат на кубометр (в отдельных пробах до 30 карат на кубометр), прогнозные ресурсы этой россыпи оцениваются в 5,8 млн карат. Остальные россыпные проявления импактных алмазов на территории Якутии практически не изучались.

По данным оценки 1999 года, средняя цена импактных алмазов размером +0,5 мм из россыпей варьируется от $3,6 до $7-8. Для сравнения, средняя цена за карат алмазов «АЛРОСА» сейчас составляет около $190.

Перспективы доизучения

Институт геологии и минералогии СО РАН в следующем году собирается отправить экспедицию для доизучения свойств импактных алмазов, обнаруженных в Попигайской астроблеме.

«АЛРОСА» будет принимать участие в этих работах. Как сообщили в компании, с 2013 года компания намерена совместно с СО РАН провести научно-исследовательские работы по изучению свойств импактитов и сейчас изучает возможные варианты этих работ.

«Единственное, что ясно на сегодняшний день – что импактные алмазы изучены явно недостаточно, – сказал представитель «АЛРОСА». – Технологические свойства исследованы на уровне первой половины 80-х годов прошлого века. В частности, неясны причины абразивной устойчивости».  

Кроме того, по его словам, необходимо детальное изучение возможной технологии добычи, а также масштабное изучение рынка технических алмазов и спроса на дополнительные объемы сырья.

Возможно, в процессе изучения удастся обнаружить какие-то новые технологические свойства импактных алмазов, которые позволят использовать их для промышленных целей – например, в производстве современных катализаторов благодаря их химической инертности.

Это тоже будет частью планируемого исследования.

Ну, а пока будущее якутских «алмазов из космоса», пролежавших в земле 35 млн лет, настолько расплывчато и туманно, что совсем неудивительно, если до их добычи дойдет дело только в случае истощения всех возможных алмазных запасов, сопровождаемого внезапным коллапсом отрасли синтетических камней.

Источник: https://www.interfax.by/article/95061

Как и где выращивают крупнейшие в мире алмазы

Самые крупные и качественные алмазы искусственного происхождения выращивают сегодня в окрестностях Сестрорецка, по соседству с Санкт-Петербургом. О российской компании NDT и том, как рождаются на свет лучшие друзья девушек мы расскажем в нашей сегодняшней публикации.

Сертификат на рекордный по размеру синтетический бриллиант массой в 10.02 карата, цвета Е и чистоты VS1 был выдан Международным геммологическим институтом Гонконга (IGI) российской компании New Diamond Technology (NDT).

Драгоценные камни с такими характеристиками для ювелирного мира — явление достаточно тривиальное, а вот искусственный камень, ограненный из 32-каратного синтетического алмаза — это для рынка синтетических алмазов событие, и событие уникальное.

Производство, на котором удалось вырастить рекордный кристалл сосредоточено в небольшом цеху в одном из технопарков неподалеку от Сестрорецка.

Мощности предприятия ограничены тремя с лишним десятками гидравлических прессов, внутри которых, в условиях высоких температур и давлений, микрон за микроном растут алмазы высочайшего качества. На пультах управления контроллеров у каждого пресса отражаются текущие параметры.

«Общие принципы синтеза алмазов хорошо известны и используются в промышленности уже более полувека. А вот детали режимов синтеза — одно из ноу-хау нашей компании» — поделился директор по производству Роман Колядин.

«… Прецизионные кондиционеры поддерживают микроклимат в цеху с точностью до десятых долей градуса. При этом даже небольшой сквозняк может повлечь за собой нежелательное отклонение в температурном режиме, что может существенно ухудшить качество алмаза» — добавляет специалист.

Краткий экскурс в историю

Первые попытки синтезировать искусственный алмаз предпринимались еще в конце XVIII века, когда ученые пришли к окончательному выводу, что основой алмаза является углерод. С конца XIX века были попытки превратить дешевые варианты углерода (уголь или графит) в твердый и блестящий алмаз.

Читайте также:  Что такое скань и филигрань, история данных техник, история этой техники в древней руси

Заявления о достигнутом успехе делали многие известные ученые, в числе которых французский химик Анри Муассан или британский физик Уильям Крукс. Несколько позднее было установлено, что предъявить реальные свидетельства полученного результата никто из них так и не смог.

Первый искусственный алмаз был получен в 1954 году в лаборатории компании General Electric.

Интересно, что в процессе получения синтетического алмаза в GE руководствовались «технологией», которую использует сама природа. Как рассуждали специалисты, натуральные алмазы образуются при температуре порядка 1300°С и давлении порядка 50 000 атм.

в толще мантии планеты на глубине сотен километров под поверхностью Земли. На поверхность кристаллы выносят лампроиты, кимберлиты и прочие магматические породы.

Для имитации описанных условий в лабораторных условиях специалисты GE использовали пресс, обжимающий ячейку, внутри которой был помещен графит и железо-никелево-кобальтовый расплав, выступающий в роли катализатора и растворителя.

Свою технологию специалисты GE назвали HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Со временем именно она была взята за основу при получении недорогих технических алмазов и алмазного порошка.

Как выращивают алмазы сегодня

Промышленное производство синтетических алмазов сегодня ведется преимущественно по одной из двух технологий — это вышеупомянутая технология HPHT и технология CVD.

Менее употребимы экзотические методики, такие как синтез нанокристаллов алмаза из графита при взрыве или экспериментальный метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под воздействием ультразвуковой кавитации.

HPHT

Технология сводится к процессу выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит.

На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза.

Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится, в среднем, 12−13 суток.

Объемы промышленного производства искусственных алмазов и алмазной пыли сегодня достигает миллиарды карат в год. В 1970-х используя технологию HPHT научились изготавливать и ювелирные камни среднего качества весом до 1 карата.

CVD

Начиная с 1960-х годов ведущие лаборатории мира совершенствуют альтернативную менее затратную технологию синтеза алмазов — CVD (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы).

В процессе синтеза алмазы осаждаются на подложку, подогреваемую до 600−700°С из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высоких температур. При осаждении на кремний или поликристаллический алмаз получается поликристаллическая пластина, имеющая ограниченное применение в электронике и оптике.

Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.

Возможности этого метода синтеза в начале 2000-х привлекли большое внимание как небольших стартапов, так и крупных компаний, таких как Element Six, входящей в промышленную группу De Beers.

Потенциал метода HPHT до последнего времени оставался сильно недооцененным. «Когда мы несколько лет назад покупали оборудование, нам все в одни голос говорили, что промышленные прессы пригодны разве что для синтеза алмазных порошков», — говорит Николай Хихинашвили.

Все внимание и ресурсы были сосредоточены главным образом на совершенствовании метода CVD. В то же время технология HPHT считалась нишевой, поскольку подавляющее большинство специалистов просто не верили, что с ее помощью можно выращивать достаточно крупные и качественные кристаллы.

И, тем не менее, по словам Николая, специалистам компании NDT удалось предложить собственную технологию синтеза, позволяющую получать алмазы такого качества и размеров, которые до этого момента удавалось достичь только работая с натуральными кристаллами.

Что касается технологий огранки, то выращенные в лаборатории, и природные алмазы обрабатываются совершенно одинаково.

Лучшие друзья девушек

«Мы, конечно, не единственные, кто выращивает алмазы крупнее 5−6 карат, — делится Николай. — Но абсолютно все компании сегодня подчиняются принципу «два из трех»: крупные, качественные, коммерчески выгодные.

Наша компания первой освоила технологию, позволяющую получать крупные кристаллы алмаза высокого качества по приемлемой стоимости.

32 пресса позволяют нам вырастить около 3000 карат в месяц, и при этом все камни очень высокого качества — алмазы цветовых категорий D, E, F и чистоты от чистейших IF до SI, в основном типа II.

80% нашей продукции составляют ювелирные алмазы массой от 0,5 до 1,5 карата, хотя технологические возможности позволяют вырастить под заказ алмаз любых размеров». В доказательство сказанного Николай продемонстрировал журналистам кристалл размером с 10-рублевую монету: «Вот этот, к примеру, 28 карат. После огранки получится бриллиант карат в 15».

С начала 2000-х мировой алмазный монополист, концерн De Beers, высказывал опасения в связи с перспективой выхода на ювелирный рынок синтетических алмазов, которые, по убеждению руководства, могли бы подорвать его бизнес.

Но, как показало время, синтетические алмазы не конкуренты натуральным камням, поскольку занимают в сравнении ничтожно малую долю ювелирного рынка.

Кроме того, за время совершенствования технологий их производства были разработаны методы исследований, позволяющие достаточно уверенно и точно идентифицировать синтетические алмазы.

В числе характерных признаков синтеза следует назвать включения металла, а в цветных алмазах — легко определяемые секторы роста. Кроме того, искусственные камни, полученные при помощи технологий HPHT, CVD в сравнении с натуральными природными алмазами в УФ-лучах имеют разный характер люминесценции.

«Как относятся потребители к выращенным алмазам? Вполне благосклонно, — говорит Николай, — особенно современная молодежь, для которой оказывается важно, что эти алмазы бесконфликтны и созданы людьми с помощью высоких технологий без вмешательства в природу.

Ну и, что немаловажно, стоимость таких камней примерно вдвое ниже.

Разумеется, в сертификате должно быть отражено, что камни выращены, но ясно, что обладательнице кольца с таким бриллиантом не потребуется носить с собой сертификат! В то же время и по физическим, и химическим свойствам алмазы, выращенные в лаборатории NDT, идентичны природным» — резюмировал специалист.

Что общего между алмазом и азотом

В зависимости от содержания азота алмазы могут быть отнесены к одному из двух основных типов. Алмазы типа I включают в свой состав до 0,2% азота, атомы которого расположены в узлах кристаллической решетки группами (Ia) или по одиночке (Ib). Алмазы именно этого типа преобладают среди природных алмазов (98%).

Чаще всего такие камни не бывают бесцветными. Алмазы типа IIa практически не содержат азота (менее 0,001%). Такие кристаллы в царстве природных минералов — редкость, всего 1,8%. Практически не встречаются (в 0,2% случаев) безазотные алмазы с примесью бора (IIb).

Атомы бора в узлах кристаллической решетки обуславливают их электропроводность и придают алмазу голубоватый оттенок.

Алмазы в промышленном производстве

Ювелирные алмазы — весьма прибыльный бизнес для NDT и подобных компаний, но уже сегодня отчетливо прослеживается другой, более приоритетный и, по всей вероятности, долгосрочный тренд. Технический директор NDT Александр Колядин любит повторять: «Если из алмаза изготовить уже ничего больше нельзя, сделай бриллиант».

В действительности наиболее перспективным направлением рынка крупных высококачественных синтетических алмазов можно с уверенностью назвать промышленность. «Ни один природный алмаз не может быть использован в специальной оптике или электронике, — говорит Александр Колядин, — поскольку в них изначально слишком много дефектов.

А вот пластины, вырезанные из алмазов нашего производства, располагают почти идеальной кристаллической решеткой. Поэтому некоторые исследовательские организации, которым мы предоставляем наши образцы для изучения, с трудом верят в полученные результаты измерений — настолько близки они к идеальным.

При этом удается достичь еще одного существенного результата — обеспечить повторяемость характеристик, что для ряда промышленных направлений оказывается принципиально важно.

Алмазы — это своего рода теплоотводы, окна для специальной оптики и синхротронов, это силовая микроэлектроника, над созданием и совершенствованием которой сейчас работают во всем мире».

Львиную долю доходной части бюджета компании пока обеспечивают ювелирные алмазы. Вместе с тем, складывающиеся тенденции позволяют предположить, что уже в ближайшие годы спрос на синтетические алмазы и алмазные пластины для специальной оптики, микроэлектроники и других высокотехнологичных промышленных сфер возрастет в прогрессии.

«Промышленное направление пока составляет 20% нашего производства, но года через три мы планируем довести его до 50%, тем более что спрос быстро растет. Сейчас мы в основном делаем пластины 4 х 4 и 5 х 5 мм, вырезали по заказу несколько 7 х 7 и 8 х 8 мм и даже 10 х 10 мм, но говорить о массовом производстве пока преждевременно.

Наша очередная цель, — говорит Николай Хихинашвили, — переход к изготовлению дюймовых алмазных пластин. Это тот «золотой размер» и необходимый минимум, который очень востребован в массовой электронной и оптической промышленности. И для получения таких пластин потребуется вырастить кристалл алмаза массой в сто карат».

Предоставить первые «прототипы» таких пластин в NDT планируют уже к концу текущего года.

Источник

На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного.

Спонсор поста кэшбэк-сервис LetyShops. Возвращайте деньги за любые покупки в интернете. Подробнее о том что такое кэшбэк-сервис читайте в нашей статье Выбираем кэшбэк-сервис на 6-летие Алиэкспресс

ссылка на оригинал статьи https://geektimes.ru/post/275390/

Источник: http://savepearlharbor.com/?p=279676

На ювелирный рынок готовятся выйти синтетические алмазы

Эксперты организации «Rought&Polished» в сентябре текущего года заинтересовались информацией о введении в эксплуатацию крупнейшего завода, производящего ювелирные алмазы на территории США.

Согласно сведениям, производственные мощности предприятия позволят выпускать десятки тысяч искусственных алмазов ежегодно.

Специалисты сошлись во мнении, что этот завод, принадлежащий компании «Gemesis Corporation» (Флорида, Сарасота), в своем производстве использует технологию БАРС, изученную еще в СССР.

  • Первое появление «синтетики» на алмазном рынке

Любому диамантеру известно о поступлении в 90-х годах прошлого столетия на мировой рынок из стран Совета экспериментальных образцов ненатуральных алмазов.

Исследованные в независимых геммологических лабораториях (одним из исследователей выступал Геммологический Институт Америки) кристаллы алмазов были оценены как схожие с натуральными образцами, но имеющие характерные отличия.

Обычный диамантер или же потребитель отличить синтетические кристаллы алмазов от природных аналогов практически не смог бы.

Чтобы производителям синтетических бриллиантов не удалось обвалить весь рынок производства драгоценных кристаллов, компанией «Де Бирс» (на тот момент – лидером индустрии алмазов) были разработаны и выпущены в производство приборы с названиями «Diamond Shore» и «Diamond View», позволяющие идентифицировать синтетику. В это же время производители поделочных алмазов намеревались выпустить на розничный рынок свою продукцию в размере 25% от мировых ежегодных поставок натуральных алмазов (четверть годового оборота алмазов на мировом рынке тогда оценивалась в 20 млрд. долларов).

В те годы эта тема не раз обсуждалась на профильных конференциях. Наряду с технологией БАРС были испытаны и другие разработки – FG и CVD. Однако обе они позволяли производить лишь коричневые алмазы, имеющие качество около-ювелирных. Так БАРС стала единственной приоритетной технологией разработки синтетических алмазов.

Читайте также:  Камень куриный бог: дырочка – портал в иные миры, его происхождение, применение и фото

Разработка БАРС была исследована в Сибирском отделении АН Советского Союза, а именно – в Институте геофизики и геологии.

Работа проводилась с 1989 по 1991 год, после чего удачный эксперимент получил название БАРС (аббревиатура беспрессового аппарата «Разрезная сфера»).

В научном изложении технология трактуется как метод, позволяющий кристаллизировать алмаз из углеродов при определенном температурном режиме и высоком давлении металлического расплава, состоящего из никеля и железа.

Суть технологии сводится к использованию беспрессовых устройств, в которых из шихты определенного состава удавалось получить синтетические монокристаллы с массой, превышающей пол карата. Процесс синтеза проходит в условиях давления 60 000 атмосфер и температуре расплавленного металла 1800 С.

Масса расплавленного металла окружает реакционную ячейку, имеющую форму цилиндра объемом 2 см кубических. Материал ячейки – керамика, состоящая из диоксида циркония. Ячейку располагают в кубическую емкость, стенки которой поддают сжатию элементами сплава ВК 10, отличающегося своей твердостью.

Куб поддается сжатию с восьми сторон.

Весь механизм монтируется в рабочее тело и закрывается в бочку шайбообразной формы с примерным диаметром 1 метр. Внутренний объем бочки полностью заполняют маслом, которое начинают нагревать.

С повышением температуры масла повышается давление на расположенную внутри бочки ячейку. Для нагревания металла самой ячейки используется коаксиальный графитовый электронагреватель.

Контроль и автоматическое регулирование внутреннего температурного режима осуществляется термопарой.

  • История внедрения технологии БАРС

Не имея достаточных средств на доработку и промышленное внедрение технологии БАРС, сотрудники Института геофизики и геологии решили обратиться за помощью к Промстройбанку СССР.

Результатом договоренностей стал перенос места разработки проекта в Беларуссию в город Минск, где в качества партнера и инвестора выступал Белорусский коммерческий акционерный строительно-промышленный банк под председательством Н.Я.

 Ракова (банк являлся дочерним предприятием Промстройбанка).

Белорусский банк в 1990 году стал учредителем созданной для доработки БАРСа научно-технической организации «Адамас».

На протяжении трех лет этим предприятием проводились испытательные работы, итогом которых стал положительный результат возможности изготовления искусственных алмазов.

Для его внедрения в практику в 1994 году создается новое предприятие «Алмазот». Его организаторами выступили НПО «Монокристалл С», НИИ «Адамас», компания «Эбилит», ПКФ «Имеп» и компания «Седтраф».

В проекте были предусмотрены следующие работы:

  • подготовка 3,3 га земли для эксплуатации проекта;
  • строительство на нем здания с внутренней площадью на 12 000 метров квадратных;
  • установка в здании 360 аппаратов.

Первая очередь производства позволяла за год получить в общей сложности 7 000 карат кристаллов с массой единичных экземпляров алмазов от полкарата до 1,2 карата.

Развал СССР, произошедший в 90-х годах, не позволил завершить проект. Новосибирские специалисты искали возможность возобновить проект как в Сибирских регионах, так и в Москве, но безрезультатно.

В 1998 году технология БАРС впервые была передана заграницу – специалистам из США. Впоследствии ее также смогли получить Испания, Бельгия и другие страны, что не дало возможности следить за ее развитием

  • Производство алмазов в Белоруссии

Источник: https://www.moscow.regnews.info/na-yuvelirnyj-rynok-gotovyatsya-vyjti-sinteticheskie-almazy

Искусственные алмазы: чем они отличаются от натуральных?

Доброго времени суток, дорогие друзья! Что общего между алмазом и графитовым стержнем простого карандаша? Все верно, оба они состоят из атомов углерода. Однако, графит мягкий, а алмаз несокрушим, как настоящий «адамант» (10 баллов по шкале Мооса). Как это может быть? И каким образом на свет рождаются искусственные алмазы?

Действительно, оба минерала состоят из одинаковых атомов, но их структура совершенно разная. У алмаза каждый атом углерода находится в центре треугольной пирамиды – тетраэдра. Такая кристаллическая решетка очень плотная, связи в ней сильные.

Структура графита подобна стопке монет: листы его кристаллической решетки, состоящие из шестиугольников атомов углерода, лежат слоями. Связь между слоями слабая, они легко сдвигаются. Поэтому твердость графита минимальна (1 балл по шкале Мооса).

Существует ли способ превратить невзрачный графит в сверкающий адамант? Удивительно, но такая технология существует.

Когда копия не хуже оригинала: искусственные алмазы

Синтетический алмаз – это копия, созданная нами «по образу и подобию» оригинала – природного камня. У нее точно такая же структура, свойства и другие параметры.

Искусственные камни радуют полным отсутствием дефектов своих настоящих «собратьев» (микротрещины, вкрапления, помутнения). При этом они значительно дешевле драгоценных алмазов.

В 1956 г. американская фирма «General Electric» получила наипервейший алмаз, положивший начало потоковому фирменному производству искусственных камней. Это событие повергло рынок драгоценных камней в состояние шока.

За пару лет до этого, без особой шумихи, была запатентована другая технология выращивания алмазных кристаллов. Сначала их ювелирное качество вызывало сомнения, но в конце 80-х годов, с развитием новым технологий, процесс роста был усовершенствован и обрел новую жизнь.

Стало возможным, меняя режим синтеза, выращивать камни самых разных цветов: красные, голубые, желтые, коричневые. Такая фантазийная окраска в природе встречается очень редко: всего несколько десятков на миллион белых камней.

На мировом  рынке первые синтезированные камни появились в 1993 г. С этого времени они широко используются в ювелирном деле, науке, технике и медицине.

Выпускаются синтетические кристаллы нескольких категорий:

  • обычной прочности
  • повышенной прочности
  • высокой прочности
  • монокристалли­ческие.

За год мировая добыча природных алмазов составляет 26 тонн. За тот же период (по данным Diamond Trading Company) только в производство драгоценных камней и украшений поступает до 200 тонн их синтетических алмазов!

Где используют синтетические алмазы

Искусственные адаманты используют в ювелирном деле. Потребители относятся к выращенным алмазам позитивно, в особенности современная молодежь. Поколению HiTec  нравится этот высокотехнологичный продукт, идентичный по свойствам природному камню. При этом цена такого бриллианта вдвое ниже.

Ювелирные камни синтетического производства – по-настоящему прибыльный бизнес. Но вряд ли синтетика заменит природные адаманты в ювелирной отрасли. Сегодня не так много компаний, которые производят бесцветные монокристаллы. Да и скорости роста таких кристаллов довольно малы – около 1-2 мг/час. Таким образом, на выращивание кристалла в 1 карат (200 мг) уйдет около 5 суток.

Действительно, высококачественные синтетические камни чрезвычайно востребованы в промышленности.

  • Их безупречные кристаллы используются в специальной оптике, микроэлектронике, изготовлении синхротронов.
  • Синтетические алмазы применяются для производства сверхмощных лазеров для медицины и оборонной промышленности.
  • Выращенные кристаллы идеально подходят для компьютерных технологий, так как выдерживают более высокие температуры, чем кремниевые чипы. Это увеличивает долговечность и надежность электроники.
  • Синтетические алмазы широко используются в виде алмазного порошка в машиностроении, металлургии, оборонном комплексе.
  • Алмазные пасты из синтетических кристаллов применяются при изготовлении особо точных деталей, к чистоте поверхности которых предъявляются особые требования.
  • Почти все высококачественные шлифовальные и режущие инструменты созданы с применением синтезированных алмазных кристаллов.
  • Медицинские инструменты – еще одна важная сфера применения. Например, алмазный скальпель превосходит металлический по прочности. Его лезвие идеально ровное. Это особенно важно в офтальмологии, где необходимо свести к минимуму травмирование глаза при операции. Швы после такого скальпеля заживают очень быстро.
  • Алмазные хрусталики имеют наиболее высокий  коэффициент преломления и биосовместимость, поэтому они становятся все более популярными.

Неудивительно, что производство алмазов для промышленных целей идет вперед семимильными шагами. Сегодня оно превышает 5 миллионов карат. Лидируют в выращивании промышленных кристаллов Китай, США, Япония, Россия, Ирландия, ЮАР.

Как делают алмазы

В природных условиях алмазы образуются в земной мантии, при температуре 1300°С, под давлением 50000 атмосфер. Когда подземный вулкан делает мощный «выдох», раскаленные газообразные вещества мантии прорываются наружу, вынося на поверхность драгоценные камни. Так образуется легендарная кимберлитовая трубка Южной Африки – длинный колодец, уходящий на глубину до 150 км.

Возможно, в эпоху своей геологической молодости наша планета была более горячей, чем сегодня.

Если «материнской утробой» природных алмазов является мантия Земли, то их синтетические «сводные братья» вправе считать таковой лабораторию. Сегодня существует две основные промышленные технологии потокового производства синтетических адамантов: HPHT и CDV.

  1. Первая основана на синтезе кристаллов из расплавленного углерода при самом высоком давлении и участии металлов-катализаторов. Это термобарический способ: high-pressure high-temperature (HPHT).
  2. При использовании второй технологии адамант осаждают в виде пленочки из углерода в виде газа, а значит из плазмы, для создания которой необходима электрическая дуга. Это метод химического осаждения из газовой фазы: chemical vapor deposition (CDV).

Выращивание алмазов – дело кропотливое. Так, при HPHT-технологии в  особые тубусы помещают порошок графита, сплавы металлов-катализаторов (железо, кобальт, никель), затравки-зародыши (алмазные кристаллы небольших размеров).

В течение 12-13 суток с помощью гидравлического пресса поддерживается давление 50−70 тыс. атмосфер. При температуре 1500°С жидкий металл растворяет графитный порошок.

Полученная масса устремляется к «зародышам», инициируя рост искусственных кристаллов.

При CVD-методе выращивания лабораторных кристаллов специальная пластина «засевается» алмазными «зародышами». Затем пластину помещают в специальную камеру.

В условиях высокого вакуума, при температуре 3100°С молекулы углерода осаждаются из углеводородного газа (метана), формируя на пластине алмазы.

Эта технология более энергоемкая  и требует газообразного углеродного сырья. Но это с лихвой окупается скоростью производства.

Как отличить выращенные камни от природных?

  1. Иногда о ненатуральном происхождении адаманта сообщает клеймо, сделанное лазером и наносимое на рундист камня.
  2. Однако, во многих случаях, не помешает воспользоваться сильнейшей лупой (20х), а еще лучше – спектрометром, микроскопом, а еще источником ультрафиолетового излучения и магнитом.

  3. Как известно, искусственные бриллианты реагируют на сильные магниты.
  4. Если по краю алмаза, лежащего на чистейшем белом листике, будет видима зона вторичной интерференции (белая полоска), то бриллиант, скорее всего, искусственный.

  5. Также следует задуматься при полнейшем отсутствии внутренних дефектов не только под сильной лупой, но и под микроскопом.
  6. В очень мощном микроскопе (х80 раз и выше) структура синтетики выглядит зернистой. Причина этого заключается в том, что выращенные алмазы образованы множеством сросшихся микромонокристаллов.

    В отличие от них, натуральные камни всегда получают из монокристаллов.

  7. Есть и более тонкие методы анализа. Например, даже при отсутствии заметной зернистости,  спектроскопический анализ часто позволяет обнаружить линии металлов (никеля и железа) в кристаллах, выращенных HPHT-методом.

  8. Флюоресцентный анализ позволяет распознать  синтезированные кристаллы, выращенные любыми способами. Природные бриллианты обычно имеют голубую флюоресценцию. У HPHT-кристаллов она желто-зеленая, у CVD-синтетики – красная.

  9. И, наконец, Рамановская спектрометрия и инфракрасная спектрометрия по методу Фурье обеспечивают распознавание любого выращенного бриллианта.

Разумеется, исследования подобного рода требуют специального оборудования, которым располагают лишь самые известные геммологические лаборатории. Их экспертное заключение (сертификат) может дать 100%-ную гарантию природного происхождения продаваемого бриллианта.

По мнению специалистов компании «De Beers», мирового алмазного монополиста, достоверному распознаванию подлежат абсолютно все синтетические алмазы и бриллианты.

Приборы для идентификации

Прибор «DiamondSure» позволяет проводить проверку камней методом абсорбционного анализа, выявляя изменения поглощения света за счет микроэлементных включений.

В ходе такого анализа 98% природных кристаллов проходят проверку. Остальные 2% природных алмазов, все синтетические бриллианты и камни-имитаторы направляются на дальнейшее тестирование на приборе «DiamondView».

Работа этого прибора основана на методе флюоресценции. Он сочетает в себе источник ультрафиолетового излучения и электронный микроскоп.

Генерируя флюоресценцию исследуемых камней, прибор позволяет увидеть очертания секторов роста в синтетических бриллиантах. При этом, возможна диагностика  бриллиантов как ординарных, так и фантазийных цветов.

Не отстает от «De Beers»  и Геммологический институт Америки (GIA). Он создал прибор «DiamondCheck», принцип работы которого основан на инфракрасной спектроскопии.  Прибор позволяет дилерам алмазных бирж проводить экспресс-проверку камней: время тестирования составляет всего 10 секунд.

Приборами «DiamondCheck» оснащены Клуб алмазных дилеров (Нью-Йорк), самые крупные алмазные биржи Южной Африки, Израиля, Гонконга, Дубая, Шанхая, Токио, а также Индийская алмазная биржа.

Алмазная лаборатория «HRD Antwerp» в Антверпене тоже внесла свою лепту в распознавание природных и выращенных алмазов. Ее последняя новинка — прибор «M-Screen», позволяющий обнаруживать синтетические камни в несколько раз быстрее, чем DiamondCheck от GIA.

Дорогие друзья! Заканчивая разговор об алмазах, уместно вспомнить известную строчку песни Мэрилин Монро о «лучших друзьях девушки» – бриллиантах.

Было бы славно, если бы прекрасная половина человечества умела также хорошо различать истинные и показные чувства поклонников, как геммологи распознают натуральные и синтетические камни… До скорых встреч! Не забудьте поделиться интересными фактами с друзьями!

Команда ЛюбиКамни

Источник: https://lubikamni.ru/almaz/iskusstvennye-almazy.html

Синтетические алмазы — производство, применение и перспективы

Если попросить людей подумать об алмазах, и ответ подавляющего большинства – сверкающее обручальное или свадебное кольцо или браслет, ожерелье, серьги с прекрасными драгоценными камнями. А попросите производственника представить алмаз, и ответ будет совсем другим.

Большинство людей мало знают, если знают что-то вообще, о применении алмазов в промышленных целях.

И что самое удивительное, так это то, что технические алмазы имеют огромный рынок и намного превосходят рынок алмазов ювелирного качества.

Кроме того, технические алмазы играют огромную роль во многих отраслях промышленности, которые делают повседневную жизнь эффективнее и легче.

Твердость алмазов делает их идеальными для применения в режущих и шлифовальных инструментах, и они используются в сверлах и пилах с алмазной кромкой, а алмазная крошка широко применяется в абразивах.

Проводятся широкие исследования по применению алмазов в качестве полупроводников для производства микросхем.

 Алмазы даже используются для создания покрытий, применяемых в реактивных самолетах, в используемых на кухне поверхностях и в космических кораблях, включая станцию Pioneer, запущенную в 1978 году с целью изучения Венеры, которая должна была выдерживать экстремальные температуры и условия.

Рынок алмазов технического качества очень отличается от рынка алмазов ювелирного качества.

Так как технические алмазы нужны в большей степени из-за их твердости и теплопроводности, которая в 4 раза выше теплопроводности меди, геммологические характеристики алмазов ювелирного качества, такие как чистота и цвет по большому счету не имеют значения.

Поэтому 80 % алмазов, добываемых ежегодно, или свыше 100 миллионов каратов, непригодны для применения в ювелирных изделиях и направляются для промышленного применения. В мире, ежегодно производится более 500 миллионов каратов синтетических алмазов для промышленного применения.

Около 90 % алмазного абразивного материала, большая часть которого производится в Китае, имеет синтетическое происхождение, согласно данным Геологической службы США (U.S. Geological Survey, USGS).

Нет необходимости говорить, что грань между алмазами ювелирного и технического качестваиногда может быть расплывчатой. Когда спрос на бриллианты большой, то и низкокачественные или мелкие алмазы, которые в другое время отправили бы для промышленного применения, находят дорогу к производителям бриллиантов и используются для огранки.

Даже если они и стоят больше других абразивных материалов, алмазы более экономичны в широком ряде промышленных процессов, потому что они режут быстрее и служат дольше, чем другие возможные альтернативные материалы.

Кроме того, синтетические технические алмазы оказались лучше природных, потому что их можно производить практически в неограниченном количестве, и можно задавать их свойства для специальных областей применения.

Вследствие этого синтетические алмазы составляют более 90 % технических алмазов, применяемых в США.

В 2010 году общий объем производства технических алмазов в США составил около 93 миллионов каратов, и США также были одним из ведущих мировых рынков потребителей. Внутри страны выпускался синтетический абразивный материал, порошок и камень.

Основными потребителями технических алмазов в США являются производители компьютерных чипов, строительство, машиностроение, компании, оказывающие услуги в горной добыче по бурению при разведке полезных ископаемых, нефти и газа, фирмы, занимающиеся резкой и полировкой камней, системы транспортировки. Для резки камней, строительства и ремонта автомагистралей расходуется большая часть выпускаемых технических алмазов.

Кроме того, к высокотехнологичным областям применения технических алмазов относится прецизионная механическая обработка с малыми допусками керамических деталей для аэрокосмической промышленности, радиаторов-теплосъемников для электронных цепей, линз для лазерного излучающего оборудования; полировка кремниевых пластин и дисководов; ряд операций в компьютерной промышленности.

Алмазные порошки, изготовленные с синтетическими алмазами для полировки, применяются в основном для шлифования режущих инструментов, драгоценных камней, оправ для ювелирных изделий, оптических поверхностей, кремниевых пластин и волок для протягивания проволоки для компьютерных чипов. Сотни видов другой продукции, изготавливаемой из керамики, стекла, металлов и пластика, тоже полируются алмазными порошками.

Запасы природных технических алмазов были обнаружены более чем в 35 странах. И если природные технические алмазы составляют около 1,2 % всех используемых технических алмазов, то остальное составляют синтетические алмазы. По меньшей мере, у 15 стран имеется технология производства синтетических алмазов.

Алмазы дают много преимуществ для прецизионной механической обработки и продления срока службы инструмента. Кроме того, быстро развивается применение износоустойчивых алмазных покрытий для увеличения срока службы материалов, которые конкурируют с алмазами.

Увеличение срока службы не только ведет к снижению затрат на единицу выпущенной продукции, но и означает меньшее количество смен инструмента и удлинение безостановочного процесса производства.

Учитывая многие преимущества, связанные с увеличением срока службы инструмента, и то, что поверхности с алмазным покрытием могут повысить прочность в 50 раз, ожидается, что алмазы как технический материал будут применяться гораздо больше.

Синтетические алмазы для абразивных инструментов и истирающихся частей в дальнейшем будут заменять конкурирующие материалы во многих областях промышленного применения благодаря обеспечению меньших допусков, а также увеличению срока службы инструментов – например, они заменят природный алмаз и изделия из карбида вольфрама, применяемые в бурильном оборудовании и инструментах.

Исследования показали, что существует огромный диапазон областей, в которых применение синтетических алмазов может принести много изменений.

К ним относится получение изображения под водой, медицинских и мультиспектральных изображений, в офтальмологии, лечении рака, в лазерах большой мощности, алмазных детекторах в Большом адронном коллайдере (Big Bang Machine) в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), в лечении рака глаза.

Производство, синтез наноалмазов в Украине.

Продажа наноалмазов.

Приглашаем к взаимовыгодному сотрудничеству!

Источник: http://nanodiamond.com.ua/sinteticheskiy-almaz/

Синтез алмазов

Классификация минералов

Синтетические алмазы это
История
Способы выращивания алмазов
Видео

Синтетические алмазы (также известные как алмазы, созданные в лаборатории или лабораторно-выращенные алмазы) — это алмазы, получаемые в результате искусственного процесса, в отличие от натуральных алмазов, создаваемых в результате геологических процессов.

Термин «синтетические» считается достаточно неудачным. Федеральная торговая комиссия США предложила альтернативные термины: выращенные в лаборатории, созданные в лаборатории.

По их словам, эти термины «будут точнее выражать происхождение камня», так как термин синтетические обычно ассоциируется у потребителей с продуктами, имитирующими оригинал, тогда как произведенные искусственно алмазы являются аутентичными, т.е.

чистым углеродом, кристаллизованным в трехмерной изотропической форме.

История

Множество заявлений о синтезе алмазов были задокументированы между 1879 и 1928 годами; большинство этих заявлений были тщательно проанализированы, но ни одно из них так и не подтвердилось. Впервые воспроизводимый синтез был выполнен в 1953 году. Эти два метода и по сей день доминируют в производстве синтетических алмазов.

Овсей Ильич Лейпунский, советский физик, выполнил термодинамический расчет линии равновесия графит-алмаз, что послужило основой синтеза алмаза из графито-металлической смеси в аппаратах высокого давления (АВД). Метод HPHT.
В США, Швеции и СССР начались систематические исследования по выращиванию алмазов с помощью методов CVD и HPHT.

Метод HPHT для искусственного получения алмазов впервые был осуществлен в лаборатории фирмы АСЕА (Швеция).

В лаборатории американской фирмы «Дженерал Электрик» и в 1960 — в Институте физики высоких давлений АН СССР (ИФВД) группой исследователей под руководством Леонида Фёдоровича Верещагина. Этот метод применяется во всём мире до сих пор.

Основываясь на научных результатах в синтезе алмазов, полученных в ИФВД, Валентин Николаевич Бакуль в Киеве в ЦКТБ твердосплавного и алмазного инструмента организовал выпуск первых 2000 карат искусственных алмазов; с 1963 г налажен их серийный выпуск.

Появились первые публикации фирмы «DuPont» о получении алмаза (размер до 100 мкм) методом ударно-волнового нагружения с использованием энергии взрыва

Прямой фазовый переход графит → алмаз зафиксирован при ударно-волновом нагружении по характерному излому ударной адиабаты графита.

В СССР реализован метод ударно-волнового нагружения с использованием энергии взрыва в Институте сверхтвердых материалов АН Украины.

Способы выращивания алмазов

1. HPHT. В аппаратах высокого давления

HPHT расшифровывается как »высокие давление и температура (high-pressure high-temperature). В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах.

Этот способ для синтеза состоит в использовании системы металл (растворитель) — углерод (графит) при воздействии высоких давлений и температур, создаваемых с помощью прессового оборудования в твердосплавных АВД.

Алмазы кристаллизуются при охлаждении под давлением из расплава, представляющего собой образующийся при плавлении металло-графитовой шихты пересыщенный раствор углерода в металле. Синтезируемые таким образом алмазы отделяют от спёка шихты растворением металлической матрицы в смеси кислот.

По этой технологии получают алмазные порошки различной зернистости для технических целей, а также монокристаллы ювелирного качества.

2.  CVD — химическое осаждение из пара (chemical vapor deposition)

Современные способы получения алмазов из газовой фазы и плазмы, в основе которых лежат пионерские работы коллектива научных сотрудников Института физической химии АН СССР (Дерягин Б.В., Федосеев Д.В., Спицын Б.В.

), используют газовую среду, состоящую из 95 % водорода и 5 % углеродсодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз (CVD). Температура газа от 700—850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 до 180 мкм/час на подложке.

При этом алмаз осаждается на подложке из металла или керамики при условиях, которые в общем стабилизируют не алмазную (sp3), а графитную (sp2) форму углерода. Стабилизация алмаза объясняется в первую очередь кинематическими процессами на поверхности подложки.

Принципиальным условием для осаждения алмаза является возможности подложки образовывать стабильные карбиды (в том числе и при температурах осаждения алмаза: между 700 °C и 900 °C). Так, например, осаждение алмаза возможно на подложках из Si, W, Cr и невозможно (напрямую, либо только с промежуточными слоями) на подложках из Fe, Co, Ni.

3. Детонационный

Технология получения алмазов методом детонационного нагружения при взрыве веществ, с отрицательным кислородным балансом, при котором алмазы образуются непосредственно из используемых продуктов. Это наиболее дешёвый способ получения алмазов, однако, «детонационные алмазы» очень мелкие (менее 1 мкм) и пригодны лишь для абразивов и напылений.

4. Обработка графита ультразвуком

Метод был продемонстрирован в лабораторных условиях, но пока не снискал коммерческого успеха.

Видео

Фильм «Бриллианты». Москва24.

«Как выращивают синтетические алмазы»

«Большой скачок» — научно-популярный цикл передач о достижениях российских ученых, уникальных разработках, технологиях будущего и настоящего, детальном рассмотрении обыденных вещей и процессов.

«Выращивание крупных алмазов в лаборатории»
Discovery Channel

Поделитесь статьей «Синтез алмазов» с друзьями:)

Источник: https://zygar.ru/mineraly/sintez-almazov.html

Ссылка на основную публикацию