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.
Искусственный бриллиант в прямом смысле - это ограненный соответствующим образом искусственный алмаз. Считается, что характеристики искусственных бриллиантов не уступают настоящим.
В переносном смысле искусственные бриллианты - это различные заменители драгоценного камня менее ценным, похожим на бриллиант по цвету, переливам, блеску. К таким заменителям природного бриллианта относятся синтетические фианит, муассанит, кристаллы Сваровски и тому подобные вещества. Они используются в ювелирных целях, но не обладают свойствами истинного алмаза.
В некоторых случаях в роли имитации бриллианта выступают натуральные кристаллы, например, камень берилл желтого цвета (если нужно имитировать желтые бриллианты), бесцветный сапфир или другие природные драгоценные камни. Они стоят меньше бриллианта.
Использование имитаций или искусственно выращенных бриллиантов в украшении не считается подделкой, если продавец пишет эту информацию на ценнике.
При этом цена не всегда должна быть ниже - стоимость бриллиантов, созданных человеком, сопоставима с настоящим алмазом.
Краткая история
Первые сообщения о получении искусственно выращенных бриллиантов начали поступать в мировое ученое сообщество уже в конце XIX века, однако в большинстве своем они были ложными.
Полученные кристаллы, в отличие от натуральных, отличались иным химическим составом, не состояли из углерода и не обладали свойствами алмаза, к которым в первую очередь относятся:
- максимальная среди всех известных веществ твердость - 10 по Моосу;
- высокая теплопроводность;
- высокая дисперсия света;
- низкое термическое расширение;
- химическая инертность;
- низкий коэффициент трения;
- высокое электрическое сопротивление.
Упрощенно говоря, алмаз - самый твердый в мире диэлектрик (вещество, не пропускающее ток), который очень быстро нагревается, но практически не расширяется от нагрева.
Природный алмаз - инертное вещество, не вступающее в реакцию со щелочами и кислотами в обычных условиях.
При высокой температуре алмаз вспыхивает и горит, превращаясь в графитовую сажу.
По иронии природы алмаз состоит из углерода - того же вещества, что и графит, твердость которого равна 1 по Моосу. Свойства алмаза обусловлены иной атомарной структурой.
Впервые настоящие алмазы научились получать в Швеции в 1953 году. Изобретенные тогда технологии алмазного синтеза базировались на воспроизведении природных условий образования этого минерала. Понадобилось воссоздать высокое давление и температуру - 60 тысяч атмосфер и 1,5 тысячи градусов по Цельсию, чтобы получить идеальную структуру алмаза.
Технологии производства
На данный момент истинные искусственные алмазы, огранка которых превращает их в бриллианты, выращивают двумя основными методами. Они называются HPHT и CVD-методы соответственно.
Первое название - английская аббревиатура, в переводе значит «высокое давление, высокая температура». Этот способ можно применять для получения кристаллов правильной кубической или додекаэдрической формы.
Суть метода: заготовку из графита и специальным образом подобранного легкоплавкого металла помещают в конструкцию из нескольких многотонных прессов, сдавливающих ее со всех сторон и одновременно нагревающих. Металл плавится, в нем растворяется графит, излишки металла удаляются, и при дальнейшем сжатии образуется алмаз.
Недостаток способа в том, что на одной и той же установке можно получать только одинаковые по величине и форме кристаллы.
Метод обработки высокой температурой и давлением используется для промышленной штамповки алмазов.
CVD в переводе расшифровывается как «химическое осаждение из газовой фазы». Смысл явления - в выращивании алмазной пленки на водородно-углеродной заготовке. Здесь требуются значительно меньшие давление и температура.
Методом химического осаждения можно получить как бесцветный алмаз, так и другие цвета, добавляя в газовую камеру включения некоторых металлов.
После окончания процесса результат нуждается в шлифовке и огранке, зато таким способом можно получить даже искусственный черный бриллиант.
Существует ряд более экзотических способов получения синтетических алмазов, например, синтез методом детонации взрывчатки, содержащей углерод, и обработка ультразвуком - ультразвуковая кавитация.
Однако такими способами можно изготовить только нано- и микрокристаллы, не достигающие даже одного карата. Они используются в промышленности, например, для изготовления режущего инструмента с алмазным напылением.
Только 2–3 % всех алмазов, полученных на фабрике или в лаборатории, гранятся как бриллианты и идут на украшения. Основную массу синтетических кристаллов забирает промышленность.
Тем не менее возникла ювелирная мода на драгоценности именно с рукотворными бриллиантами. Она получила распространение в основном среди последователей Гринписа.
Цвета искусственных кристаллов
Бриллианты, полученные с помощью CVD или HPHT-метода, чаще всего либо бесцветные, либо имеют голубой или желтый оттенок.
Такие цвета получаются путем введения в реакцию бора (голубой) или азота (желтый оттенок). Вырастить абсолютно бесцветный бриллиант высокой чистоты сложно из-за большого количества азота в атмосфере. Рекорд был поставлен в 2015 году, и вес полученного кристалла составил чуть более 10 карат.
Искусственный бриллиант называется выращенным, а не синтетическим, потому что по химическому составу, свойствам и характеристикам он полностью идентичен природным. Методы синтеза подразумевают иную структуру получаемых образцов.
Рынок выращенных бриллиантов функционирует легально.
Постепенно вводится правило - на изделиях с заменителями природного камня, выращенными в искусственных условиях, ставится соответствующая отметка методом лазерной гравировки, которая содержит в себе название фирмы-изготовителя и серийный номер бриллианта. Эту практику уже ввела компания-производитель Gemesis из США.
Отличить искусственный бриллиант от натурального можно при помощи специальных тестеров, просвечивающих камень в ультрафиолетовых, инфракрасных или рентгеновских лучах.
В их спектре обнаруживаются незначительное количество примесей азота или металлов, нехарактерных для творений природы.
Астрологическое значение
Поскольку искусственные бриллианты полностью идентичны природным, их могут носить те же знаки зодиака, которым соответствует природный алмаз. Это камни Огня, и «любят» они в основном людей своей стихии - Стрельцов, Львов и Овнов. Среди них бриллиант, в том числе и искусственный, особенно выделяет Овна.
Противопоказано ношение бриллиантовых украшений антиподам Огня - знакам стихии Воды, особенно Рыбам.
| Знак зодиака | Совместимость |
|---|---|
| Овен | +++ |
| Телец | + |
| Близнецы | + |
| Рак | + |
| Лев | + |
| Дева | + |
| Весы | +++ |
| Скорпион | + |
| Стрелец | + |
| Козерог | + |
| Водолей | + |
| Рыбы | + |
(«+++» - подходит идеально, «+» - можно носить, «-» - категорически противопоказан)
Заменители бриллианта
В ювелирном деле у «короля драгоценностей» есть несколько подобий природного и синтетического происхождения.
Они применяются легально, и в таком случае соответствующая информация указывается на ценнике, а цена пропорционально снижается. К сожалению, из-за высокой стоимости алмазов и бриллиантов его подобия используются для изготовления фальшивок.
Основные аналоги бриллианта:
- геркмайер - кристалл кварца, от природы похожий на ограненный алмаз, добывается в США;
- рутил природный и синтезированный;
Рутил природного происхождения
- бесцветный сапфир;
- корундолит (разновидность шпинели);
Корундолит, разновидность шпинели
- титанат стронция;
- аллюмоиттриевый гранат;
- горный хрусталь;
- циркон;
- фианит;
- муассанит;
- стразы Сваровски.
Самые дешевые подделки - из стекла, но они встречаются все реже и реже, так как легко опознаются даже ювелиром-любителем.
Самые распространенные
Наибольшую популярность на рынке минералов, точнее всего имитирующих бриллиант, получили фианит и муассанит.
Фианит - стопроцентно синтезированное вещество, в природе не встречающееся.
Это диоксид циркония, редкого металла. Цирконий добывается из камней цирконов, которые называют «младшими братьями алмазов».
Фианит - прозрачный кристалл с показателями дисперсии и преломления света, близкими к показателям бриллианта. Имеет алмазный блеск. Название распространено в России, оно происходит от названия института (ФИАН), где впервые синтезировали это вещество. За рубежом его называют цирконитом. Поэтому часто возникает путаница - продукт химического синтеза фианит путают с металлом цирконием и природным камнем - цирконом, тоже внешне похожим на желтоватый алмаз.
Ювелиры отличают фианит от бриллианта по массе - у цирконита она больше, а также по показателям теплопроводности - она значительно меньше, чем у алмаза. Твердость его ниже алмазной, верхний предел - 8,5 по Моосу.
Муассанит - природный минерал, названный в честь своего первооткрывателя Анри Муассана.
С химической точки зрения это карбид кремния, он же - карборунд. Несмотря на то, что открыт он был как природное вещество, в природе он встречается так же редко, как и алмаз. Но его легко синтезировать.
Серебряные серьги с муассанитом
Синтезированный муассанит часто используется как альтернатива бриллианту или фианиту. Твердость - до 9,25 по Моосу. После огранки он блестит сильнее, чем каждый из этих кристаллов. Его показатели преломления выше, чем у алмаза, но он может иметь двойное лучепреломление (разделение луча, проходящего сквозь кристалл, надвое), чего никогда не бывает у бриллианта.
Его можно отличить от ограненного алмаза по двулучепреломлению, зеленовато-серому блеску черты и более высокой, чем у алмаза, электропроводности. Также он выявляется ультрафиолетовым облучением, при котором муассанит светится оранжево-красным цветом.
Третий широко распространенный аналог бриллианта - это высококачественные стразы, которые получают из свинцового стекла либо акрилового полимера, реже - горного хрусталя.
Наиболее качественные стразы изготавливаются компаниями Swarovski в Австрии и Preciosa в Чехии.
Wrote in January 30th, 2018
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.
Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках, в ютюбе и инстаграме , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс видео о том, как это сделано, устроено и работает.
Жми на иконку и подписывайся!
Алмазы привлекали человечество еще с давних времен. Необычайная красота этих камней стала причиной их использования для создания разных украшений. Однако позже люди выявили и другие полезные свойства алмазов - их уникальную прочность и твердость. Для обеспечения потребностей производства природа не создала много этого материала, поэтому у людей возникла идея - изготовлять алмазы искусственным путем.
Ценность алмазов
Алмаз считается уникальным камнем, обладающим редким сочетанием важных характеристик: сильная дисперсия, большая теплопроводность, твердость, оптическая прозрачность, износостойкость. Из-за своих физико-механических свойств алмазы высоко ценятся не только ювелирными экспертами, но и широко применяются в разных отраслях промышленности. Так, этот драгоценный камень используют в медицине, оптике и микроэлектронике.
Но в полной мере удовлетворить производственные потребности чистыми природными алмазами очень сложно и довольно дорого. По этой причине человечество начало задумываться над тем, как сделать искусственный алмаз. Синтетический камень должен был не только обладать важными свойствами настоящего алмаза, но и иметь более совершенную кристаллическую структуру, что очень важно для высокотехнологических областей.
Как возникли синтетические алмазы
Потребность в создании синтетического камня возникла очень давно. Но на практике осуществлена лишь в XX веке. До этого времени ученые не могли придумать технологии изготовления алмазов, хотя сумели установить, что они являются родственниками с обыкновенным углеродом. И через несколько десятков лет был создан первый синтетический алмаз, который получили из графита под воздействием высокой температуры и давления путем Именно с этого момента началось производство искусственных алмазов, которые сегодня применяются во многих элементах разного оборудования и инструментах.
Технологии производства алмазов
В наше время для получения синтетического камня используют несколько технологий, каждая из которых имеет свои особенности. Самая надежная, но наиболее дорогостоящая технология заключается в производстве алмаза из кристаллического углерода, который помещают для обработки в специальный пресс. Сначала на обрабатываемый материал мощными насосами подается вода. Таким образом создается Затем вода замерзает под действием хладагента, в результате чего давление увеличивается до 10 раз. На последнем этапе камера, в которой находится углерод, подключается к и подается на несколько долей секунды мощный ток. Под одновременным воздействием температуры и давления происходит преобразования графита в твердый камень. После этой фазы пресс размораживают, сливают жидкость и достают готовый искусственный алмаз.
Выращивание алмаза метаном
Еще используют более простую технологию производства синтетического камня - метод взрыва, который позволяет нарастить искусственный кристалл под действием метана. Очень часто производство искусственных алмазов происходит по двум технологиям. Дело в том, что в первом случае удается получить наивысший процентный выход алмазов, но они будут очень маленькими. Вторая технология позволяет существенно нарастить полученный синтетический камень с помощью обдувания метаном под воздействием температуры около 1100 ºС. Метод взрыва дает возможность получить искусственный алмаз любой величины.
Виды искусственных алмазов
В наше время производят много разновидностей синтетических алмазов: фианит, муассанит, страз, сегнетоэлектрик, рутил, фабулит, церуссит. Наиболее совершенной подделкой алмаза считается фианит, или кубик циркония. Он являет собой Поэтому многим неоднократно приходилось слышать, как называется искусственный алмаз цирконом. Хотя он не имеет никакого отношения к натуральному дорогостоящему камню.
Фианит характеризуется большой твердостью, высокой степенью дисперсии и преломления. Благодаря своим свойствам этот камень отлично имитирует настоящий алмаз и широко используется в ювелирной промышленности. Даже эксперты невооруженным глазом практически не могут отличить подделку от оригинала, поскольку они играют одинаково.
Самым качественным аналогом алмаза считается муассанит. У него такие же физические свойства, как у натурального камня, а по оптическим показателям он даже лучше. Единственный его недостаток - он уступает в твердости.
Особой популярностью пользуются стразы, изготовленные из свинцового стекла, состоящего из окиси свинца. Благодаря своему составу эти камни потрясающе играют на свету и имеют блеск, идентичный блеску алмазов.
Где применяются синтетические алмазы
Искусственный алмаз широко используется ювелирными заводами для изготовления роскошных украшений, которые не только выглядят красиво, но и весьма доступны по цене. Изделия с поддельными камнями смотрятся не хуже и отлично носятся.
Также выращивание искусственных алмазов является неотъемлемой частью современной промышленности. На их основе производятся сверхпрочные инструменты: алмазные пилы, полирующие диски, долота, сверла, скальпели, ножи, разные резцы и пинцеты. Техника и оборудование, изготовленные из алмазного материала, позволяют обрабатывать наиболее прочные сплавы и сырье. Кроме того, алмаз обеспечивает максимальную точность в машинах и приборах.
Как создать искусственный алмаз в домашних условиях
Некоторые эксперты утверждают, что вырастить синтетический алмаз возможно в домашних условиях. Но самостоятельное изготовление искусственных алмазов потребует немало усилий и затрат времени. Мы расскажем, как вырастить минерал из соли, внешне отдаленно напоминающий алмаз.
Итак, для создания такого камня понадобится поваренная соль, химическая посуда, чистый лист бумаги и лабораторный фильтр. Сначала следует приготовить маленький кристалл. Для этого нужно наполнить химический стакан на 1/5 часть солью, залить наполовину теплой водой и перемешать. Если она растворилась, значит, нужно досыпать еще немного. Соль нужно добавлять до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Затем раствор профильтровать в другую посуду, в которой и будет расти камень, и накрыть бумагой. Все время нужно контролировать уровень раствора. Камень не должен оказаться в воздухе. Если раствор испарился, нужно приготовить новый и долить.
Люди, которые делали такие опыты, утверждают, что на протяжении недели домашний алмаз искусственный должен заметно подрасти.
Стоимость искусственного алмаза
В современном мире синтетические камни заняли отдельный сегмент рынка ювелирных украшений. Получение искусственных алмазов постоянно усовершенствуется. Ученые изобретают новые камни, которые мгновенно получают массовую популярность, а более старые утрачивают спрос и постепенно исчезают с рынка. Например, в середине XX века для имитации алмазов в украшения вставляли искусственный рутил. Затем его заменили на фианит. А в 90-х гг. все предыдущие вытеснил муассанит.
Цены на искусственный алмаз зависят от размера, огранки и технологии производства. Многие люди ошибочно считают, что синтетические камни - это обычное стекло, и не видят в них никакой ценности. Но на самом деле такие алмазы часто стоят немалых денег, а некоторые из них являются довольно редкими. Так, иные разновидности искусственного алмаза могут стоить больше, чем природные аналоги.
Среди синтетических алмазов наиболее популярными считаются фианиты разного цвета. Их средняя стоимость за карат в ограненном виде колеблется от 1 до 5 долларов США. А известный алмазный аналог муассанит стоит намного дороже - 70-150 долларов США за карат.
Значимым факторов формирования цены на камни является цвет. Так, стоимость алмаза желтого цвета составляет 40-50 долларов за 0,2 карата, но за камень оранжево-розовой окраски в зависимости от размера придется заплатить около 3000 долларов.
Мировые лидеры
В течение последних лет мировыми лидерами по производству синтетических камней считаются Китай, Япония, США и Россия. Наиболее активно развивает это направление Китай, постоянно изобретая новые технологии синтеза.
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений. Ювелиры разделяют алмазы почти на тысячи сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков . В конце ХХ века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов .
Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости стирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз лучше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготавления резцов. Благодаря этому свойству алмаз применяется при бурении горных пород.
Впервые геологи стали использовать натуральные алмазы в бурении для колонковых долот приблизительно в 1910 г., при помощи таких долот делались кольцевые отверстия в породе, через которые извлекали керн - образцы породы для анализа. Впервые алмазные долота ввели для бурения нефтяных скважин в начале 1920 г., с тех пор они широко используются. Для долот используются природные алмазы не технического, а ювелирного качества, которые вытачивают до особого размера и придают правильную, округлую форму.
Исключительная твёрдость алмазов позволяет использовать их при механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т.п. .
Более половины добычи технических алмазов идёт на изготовление специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и свёрл на обработку цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ даёт огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных материалов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями .
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов .
Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не останется равнодушным.
Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные свёрла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твёрдых и хрупких материалах.
В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счётчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счётчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.
В России после открытия якутских месторождений была создана алмазодобывающая промышленность . В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы. В настоящее время они находят всё большее применение в разных отраслях хозяйства .
Синтезированные алмазы не являются аналогами природных . Это означает, что в лабораторных условиях ещё не разработан способ синтеза алмазов аналогичный тому, который реализуется в природе.
Синтез искусственных алмазов был впервые осуществлен в 1953 г. в Швеции и США, и в 1959 г. в СССР. Однако получаемые в те времена кристаллы алмаза могли быть использованы лишь в качестве абразивного материала, поскольку размеры отдельных кристаллов не превышали 0,8 мм и имели невысокую механическую прочность. Синтез крупных монокристаллов алмаза, который был реализован много позднее, сопряжен с большими сложностями технического и экономического характера. В этом отношении наиболее перспективной для технического применения является шаровидная (диаметром 6-7 мм) лучисто-радиальная форма алмаза или баллас, которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза и наиболее проста в получении . Вследствие этого основные усилия научного коллектива были направлены на синтез этой модификации, которая и была в 1963 г. впервые в мире получена на кафедре физики и химии высоких давлений.
Испытание синтетических балласов в буровой технике показало их высокую эффективность при проходке скважин в разнообразных грунтах, но особенно широко синтетический баллас применяется сейчас для изготовления волок в производстве проволоки.
Наряду с отработкой методов синтеза алмазов проводятся исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма их синтеза. Последняя проблема представляет наибольший научный интерес.
В настоящее время существует три основных варианта рассмотрения механизма образования алмаза - наиболее простой, описывающий кристаллизацию алмаза из расплава графита в РТ области стабильности алмаза (> 100 кбар ~ 2000єС) и два дискуссионных варианта - кристаллизация алмаза из раствора графита в металле - «катализаторе» и фазовый переход графита в алмаз в твёрдой фазе в присутствии металлов - «катализаторов». Оба последних процесса протекают в более мягких условиях (40-60 кбар, 1400-1600єС) по сравнению с «прямым» фазовым переходом. Исследования механизма алмазообразования по дискуссионным вариантам, проведенные на кафедре, показали их равновероятность. Реализация на практике того или иного механизма будет определяться природой углеродсодержащего сырья (например, его склонностью к графитизации), или природой металла катализатора, например, способностью к карбидообразованию и устойчивостью карбидных форм в РТ области синтеза алмаза или какими-либо другими причинами.
Первые оценки условий превращения графита в алмаз, сделанные О.И. Лейпунским (1948), показали, что такой переход возможен при давлении Р= 6 ГПа и температуре Т=2300єК. В настоящее время алмазы синтезируются с применением различных технологий, определяемых фазовой диаграммой углерода в координатах давление - температура (Р-Т) в области термодинамической устойчивости алмаза при Р>4ГПа, T>1270єК; в метастабильных для алмаза условиях при Р от 1 до 100 ГПа и Т от 870 до 1070єК. В первом случае синтез происходит в конденсированной фазе (давления либо статические, либо динамические). Во втором случае образование алмазов происходит в результате конденсации углерода из газовой фазы .
Таким образом, благодаря уникальным свойствам, и, прежде всего, необычайной твёрдости и устойчивости к изнашиванию, природные и искусственные алмазы находят широкое применение в современных технологиях и механизмах. Но наиболее известным и популярным остаётся использование природных алмазов для изготовления бриллиантов и ювелирных украшений. Алмазы по-прежнему остаются наиболее покупаемыми ювелирными камнями. В последние годы Россия удерживает рекордные позиции по добыче алмазов (Приложение 5). Только в 2006 г. Россия экспортировала алмазов на сумму 1,7 млрд. долларов, из них 78% - в страны Евросоюза .
Сейчас уже хорошо известно, что алмаз представляет собой модификацию углерода высокого давления. Технические алмазы сейчас получают при огромных давлениях (40-60 тысяч атмосфер) и температурах, т.е. при условиях, близких к природному процессу формирования алмазов с точки зрения мантийной теории происхождения алмазов.
Однако, в ходе исследования нам удалось выяснить, что мантийная теория не является основной в научных взглядах на проблему происхождения алмазов. Более того, описаны факты и процессы, которые противоречат основным положениям этой теории. На сегодняшний день не существует ни одной гипотезы, которая бы в полной мере и научно достоверно описала процесс природного образования алмазов.
В то же время, все физико-химические свойства алмазов подробно изучены и описаны в научной литературе. Уникальные свойства алмазов позволяют использовать эти минералы в различных отраслях хозяйства. Самые чистые и крупные алмазы имеют большую ювелирную ценность.
