Алмазы и их применение

Содержание

• Введение стр.3

• Физико-механические свойства стр.4

• История происхождения стр.5

• История добычи алмазов в РФ стр.6

• Огранка алмаза стр.7

• Синтетические алмазы стр.8-9

• Список литературы стр.10

2

Введение

Алмазы представляют собой интереснейший и необыкновеннейший ресурс. Ранее, вплоть до XV века, человечество знало лишь одну сторону этого удивительного минерала: то, что они необыкновенно твёрдые. До средних веков они ценились ниже изумруда или рубина. И только в XVII веке гранильщики изобрели специальную огранку минерала: бриллиантовую, которая максимально подчёркивает его достоинства.

В ювелирном деле ценятся только бесцветные камни без оттенка, за исключением голубого, и без изъянов — так называемые алмазы «чистой воды». На ювелирные цели идёт не более 10-15% добытых камней.

Основная масса алмазов используется в технике. Из них изготавливают абразивы,  буры для проходки глубоких скважин в твёрдых породах, резцы для обработки металлов, и т.д. {1}

3

Физико-механические свойства

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(м·К), большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 10⁵ Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.

Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут . Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом. {2}

4

История происхождения алмаза

История бриллиантов тесно связана с историей алмазов. Никому не известно о том, кто, где и когда нашел самый первый в мире алмаз.

Первый алмаз был обнаружен в 4 тысячелетии до нашей эры в Индии. Уже тогда бриллиантам приписывали магическое действие, поэтому их часто использовали как талисманы. Алмазы были таже известны и очень ценились старыми римлянами. Плиний Старший в своем произведении Naturalis historia описывает применения алмазов в качестве инструменов. Около 600 г. нашей эры был обнаружен первый алмаз на индонезийском острове Борнео, но несмотря на то, что теперь Индия не являлась единственным месторождением алмазов, алмазы с Борнео не стали популярны, так как их количество было совсем незначительным, а транспортировка до торговых городов была слишком дорога.

В 13 веке обнаружили, что после обработки алмазы приобретают восхитительный вид, но все же от обработки алмазов отказывались, так как считали, что после обработки алмазы теряют свою магическую силу. Лишь в 1910 году была изобретена и воплощена в жизнь шлифовка алмазов, которая используется и по сей день. {3}

По оценке компании «Де Бирс», в 2004 году добыча алмазов (в стоимостном выражении) в странах-лидерах составила:

• Ботсвана — 2,9 млрд долл.;

• Россия — 2 млрд долл.;

• Канада — 1,4 млрд долл.;

• ЮАР — 1,3 млрд долл.;

• Ангола — 1,2 млрд долл.;

• Намибия — 0,7 млрд долл. {2}

5

История добычи алмазов в Российской Федерации

В России первый алмаз был найден 4 июля 1829 года на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым, который нашёл кристалл, промывая золото в шлиховом лотке. За полукаратный кристалл Павел получил вольную. Павел привёл учёных, участников экспедиции немецкого учёного Александра Гумбольдта, на то место, где он нашёл первый алмаз (сейчас это место называется Алмазный ключик (по одноимённому источнику) и расположено приблизительно в 1 км от пос. Промысла? недалеко от старой автомобильной дороги, связывающей посёлки Промысла? и Тёплая Гора Горнозаводского района Пермского края), и там было найдено ещё два небольших кристалла. За 28 лет дальнейших поисков был найден только 131 алмаз общим весом в 60 карат.

Первый алмаз в Сибири был намыт также из шлиха неподалеку от города Енисейска в ноябре 1897 года на реке Мельничной. Размер алмаза составлял 2/3 карата. Из-за малого размера обнаруженного алмаза, и недостатка финансирования разведка алмазов не велась. Следующий алмаз был обнаружен в Сибири в 1948 году.

Поиск алмазов в России вёлся почти полтора века, и только в середине 50-х годов были открыты богатейшие коренные месторождения алмазов в Якутии. 21 августа 1954 года геолог Лариса Попугаева открыла первую кимберлитовую трубку за пределами Южной Африки. Её название было символично — «Зарница». Следующей стала трубка «Мир», что тоже было символично после Великой Отечественной войны. Была открыта трубка «Удачная». Такие открытия послужили началом промышленной добычи алмазов на территории СССР. На данный момент львиная доля добываемых в России алмазов приходится на якутские горнообрабатывающие комбинаты. Кроме того, крупные месторождения алмазов находятся на территории Красновишерского района Пермского края, и в Архангельской области: Ломоносовское месторождение на территории Приморского района и месторождение Верхотина (им. В.Гриба) на территории Мезенского района . {2}

6

Огранка алмаза

Самым сложным и ответственным процессом при изготовлении из алмазов бриллиантов является огранка. Ее производят с помощью быстро вращающегося диска из медного сплава, в который впрессованы мелкие алмазы, или чугунного диска, в поверхность которого втирают алмазный порошок, разведенный в репейном или оливковом масле. 

При этом форму камня и расположение граней в нем делают с таким расчетом, чтобы падающий свет не проходил сквозь камень, а, претерпев полное отражение от внутренних поверхностей граней, возвращался бы обратно, обеспечивая «игру» света.

Огранка бриллиантов – необычайно сложный и трудоемкий процесс. Крупные камни гранят месяцами, а уникальные – по нескольку лет. Масса алмаза от этой операции сокращается вдвое или втрое, пропорционально растет и его стоимость. 

Поэтому, перед тем, как приступить к огранке крупных алмазов, тщательно обсчитывают форму будущего бриллианта, которая обеспечит наилучшую «игру» и позволит максимально сохранить массу исходного камня. Сейчас для этой цели используют компьютеры, которые максимально облегчают задачу.

Казалось бы, алмаз – безупречный камень. Но и у него есть недостатки. Он химически активен по отношению к железу и никелю. При повышенной температуре он образует с ними растворы внедрения и разрушается. То есть резать алмазом сталь на высокой скорости невозможно. 

Алмаз бессилен даже против мягкого железа. Нагреваясь в процессе резания, железо начинает в больших количествах растворять в себе углерод. Тем самым оно «съедает» самый твердый в мире материал. 

Впрочем, любой недостаток можно превратить в достоинство. Эту простую химическую реакцию можно использовать для обработки алмазов. Такое свойство неприступного алмаза позволяет легко разрезать его раскаленной стальной проволокой.

Если к алмазу приложить железный резец, нагретый до 1000°C, он начнет растворять в себе углерод, погружаясь вглубь алмаза со скоростью до 0,3 мм в час. Меняя форму головки резца, из алмазов можно изготавливать сложнейшие детали, например, втулки, шестеренки и прочие сложной формы изделия, которые невозможно изготовить по-другому. 

Начало формы

В принципе, на алмазе можно было бы написать и эту статью, был бы алмаз подходящих размеров и раскаленный гвоздик! {4}

7

Синтетические алмазы I

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров . Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 5 • 102 МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер 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 крупные 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 углеводородов) при давлении ниже 103 МПа. Суть метода – создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит – воздух способствует формированию 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 низкая – 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 ?С, при этом в графите образуются мелкие (до 10 – 30 мкм) синтетические алмазы. В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных 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. 
Главные центры производства синтетических алмазов – США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР ("Де Бирс"), Англия, Япония. Схема камеры типа "чечевица": 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 – алмазы высокой прочности, АСК и АСС – алмазы монокристаллические. Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04 – 0,63 мм. {5}

8

Синтетические алмазы II

Кроме того, выпускаются две марки микропорошков – 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 механической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алмазов АСО, а наименее развитая – для алмазов АСС. Механическая прочность алмазов 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 покрывается за счет синтетических. Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, используемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным алмазам – эльбор (или кубонит), гексанит и др. "Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственно¬го его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немногое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом..." – так писал А.Е. Ферсман в 1945 г., а уже через несколько лет синтетические 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 синтетических алмазов любой формы, размера, цвета и качества. Природные драгоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих синтетических 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 драгоценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по прежнему ценит лишь оригинал!". {5}

9

Список литературы

• http://www.erudition.ru/referat/ref/id.48654_1.html {1}

• www.wikipedia.org {2}

• http://www.brilliant-info.ru/01history.html {3}

• http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-4657/ {4}

• http://jewels.net.ua/article/read/almaz.html {5}

10