МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УО "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности
Индивидуальное задание
на тему: Производство искусственных алмазов
Минск 2006
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
Реферат
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.
Глава 1. Природные алмазы
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. [1]
1.2 Природные месторождения
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.
Содержание
Производство и выращивание алмаза: синтетическое сияние
[2] 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.
1.3 Цена бриллианта
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.
Глава 2. Развитие технологии производства алмазов
2.1 Необходимость промышленного производства алмазов
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.
В последние годы производство синтетических алмазов ювелирного качества в России и за рубежом развивается стремительными темпами. По данным аналитиков, объем производства синтетических алмазов ювелирного качества к 2035 году будет сопоставим с объемами добываемых природных алмазов. Уже в настоящее время возникла необходимость в специальных приборах для выявления искусственных камней из-за их смешивания с природными бриллиантами. Компаниями De Beers и АК «АЛРОСА» разработаны методы определения и созданы приборы для выявления синтетических алмазов и бриллиантов.
В России центрами изготовления синтетических алмазов являются Троицк, Сестрорецк и Новосибирск. В Троицке ФГУ «Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ТИСНУМ) разработал и внедрил метод температурного градиента (HPHT).
Рис. 1. Принципиальная схема производства синтетических алмазов методом HPHT
В настоящее время ФГУ ТИСНУМ производит синтетические алмазы, крупностью до 8 мм, которые используются в основном в нанотехнологиях.
В Сестрорецке компанией New Diamond Technology (NDT), кроме технологии HPHT, применяется также метод синтеза алмазов осаждением из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD). В мире разработка этого метода синтеза алмазов началась еще в 60-х годах прошлого столетия, однако серьезные результаты получены в начале третьего тысячелетия. В этой технологии алмазы осаждаются на подогреваемую подложку из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высокой температуры. Именно на этот метод синтеза в начале 2000-х стали возлагать большие надежды и небольшие стартапы, и крупные компании типа Element Six, входящей в группу De Beers.
Рис. 2. Принципиальная схема производства синтетических алмазов методом CVD.
Промышленное направление пока составляет 20% производства NDT, а остальное — ювелирное. В 2015 году Международный геммологический институт (IGI) в Гонконге выдал сертификат на бриллиант массой 10,02 карата, который был огранен из 32-каратного кристалла синтетического алмаза, выращенного этой компанией по технологии CVD. Ювелирные алмазы – это прибыльная часть бизнеса NDT, но наиболее перспективный рынок для крупных высококачественных синтетических алмазов – это промышленность, поскольку ни один природный алмаз не годится для использования в специальной оптике или электронике.
В Новосибирске производство синтетических алмазов осуществляется по старой советской технологии на прессах типа БАРС (беспрессовая аппаратура высокого давления «Разрезная сфера»), которая позволяет получать только мелкие синтетические алмазы.
За рубежом в США синтетические алмазы в основном производят две компании – Gemesis во Флориде, созданная в 1996 году и работающая по методу HPHT, и Apollo Diamond в Бостоне, получившая патент на метод CVD. В 2003 году на рынок попала первая волна искусственных алмазов ювелирного качества.
Синтетические алмазы в значительных объемах (до 3 млн каратов) производят сегодня в Китае (Henan Huanghe Whirlwind International Co Ltd) и Индии (IIa Technologies Pte Ltd, зарегистрированная в Сингапуре). Но если индийцы в основном нацелены на применение полученных алмазов для ювелирных целей, то в Китае ускоренными темпами ведутся исследования с использованием синтетических алмазов в современных передовых технологиях.
В Японии группа Diamond Wafer Team производит тонкие, но довольно широкие алмазные пластины, выращенные методом CVD, которые, по мнению ученых из санкт-петербургского Института передовых производственных технологий (Institute of Advanced Manufacturing Technologies), способны стать основой электроники будущего.
Наконец, в компании De Beers создано подразделение Element Six Technologies Ltd, которое в настоящее время занимается производством синтетических алмазов ювелирного качества. Вероятно, ведущая мировая алмазная компания изучает с их помощью возможность отличать искусственные алмазы от природных, для создания приборов с целью выявления синтетических бриллиантов, выдаваемых за настоящие, а также изучает перспективные направления их использования в современных технологиях.
В компании АЛРОСА также ставится вопрос об организации производства синтетических алмазов для изучения физических характеристик и более эффективного выявления синтетических алмазов.
HPHT – процесс 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 12−13 суток.
Синтетические алмазы
Вместе с тем, на наш взгляд, синтетические алмазы могут найти более широкое применение не как ювелирные изделия, а в других высокотехнологичных отраслях: микроэлектронике, лазерной технике, полупроводниковых материалов и космической технике. Синтетические алмазы в настоящее время применяются для шлифовки современных сверхпрочных материалов, в радиооптике и электронике. Из них изготавливают алмазные наковальни, позволяющие вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 млн атмосфер, оптические окна для мощных лазеров, высокочувствительные датчики температуры, ультрафиолетового, рентгеновского и радиационного излучений, малоинерционные нагревательные элементы, иглы для сканирующих зондовых микроскопов. Сейчас синтетические алмазы используются практически во всех областях высоких технологий, и, по всем прогнозам, их роль будет только возрастать.
Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что в настоящее время производить из синтетических алмазов бриллианты, это банально превращать их в дорогие безделушки. Необходимо более глубокое изучение физико-химических свойств синтетических алмазов для применения их в новых областях техники и технологий. Производство компанией АЛРОСА синтетических алмазов позволило бы параллельно решать ряд производственных задач, используя синтетику, например, в исследованиях по сохранности и извлечению алмазов на действующих обогатительных фабриках вместо природных камней, а также для тестирования приборов при выявлении синтетических алмазов широкого спектра.
Возможно также создание новой технологии производства синтетических алмазов, что обеспечит экономическую безопасность АЛРОСА и Якутии, если синтетические алмазы в обозримом будущем вытеснят природные и исчезнет необходимость их добычи. Широкое применение синтетических алмазов в современной технике также позволит продлить сроки добычи природных алмазов из разрабатываемых месторождений, которые пока еще не исчерпаны.
Ю.Г. Данилов, к.э.н., директор ИАЦ «Эксперт» НИ ИРЭС СВФУ
Версия для печати
Материал к уроку
Как это устроено: Искусственные алмазы
См. также № 1/2010
Искусственные алмазы. Неспециалисту практически невозможно отличить искусственный алмаз от природного. В 50-х гг. прошлого века была разработана технология выращивания искусственных алмазов путём осаждения атомов углерода на крошечные затравки натуральных или искусственных алмазиков при высоких давлении и температуре. Но кристаллы без дефектов получались только при тщательном контроле за градиентом температуры вдоль затравки, на которую один за другим осаждались бы только атомы углерода. Попадание атомов металла влекло за собой появление включений, которые легко обнаруживались под лупой ювелира. Чтобы вырастить ювелирный алмаз весом 1 карат (масса 0,2 г) требовалась неделя. Алмазы для промышленных целей выращивали быстрее, т. к. такая чистота не требовалась, а на твёрдость включения не влияют. Поликристаллические алмазные покрытия для инструментов наносят методом химического осаждения из газовой фазы. Всё ещё используется и оригинальный ленточный пресс, в котором затравка сдавливается между двумя поршнями. Русские физики придумали сферический пресс, позволяющий лучше следить за параметрами осаждения и получать качественные кристаллы. Однако технология не разглашалась. Фирма Gemesis пригласила русских химиков и надеется получать ювелирные алмазы тысячами в год. Развитие этой индустрии повлекло развитие и методов контроля.
Синтетическое выращивание алмазов: производство, применение, перспективы
Например, был разработан спектрофотометр, который позволяет по спектру поглощения выявлять наличие кластеров атомов азота, характерных для натуральных камней и отсутствующих в искусственных. Разработаны также приборы на явлении фотолюминесценции в алмазе при его обучении лазером. Читатель должен ещё дважды подумать, прежде чем, преподнося своей любимой колечко на Валентинов день, сказать: «Дорогая, этот бриллиант символизирует мою любовь. Я купил его в магазине “Умелые руки”, что сразу за “Электроинструментами”».
• В гидравлическом прессе поршни сжимают маленькую капсулу с затравками алмаза до давления 55 000 атм (≈ 5,6 ГПа), а электрический ток разогревает её до 1400 °С.
• Алмазная пыль в капсуле постепенно растворяется в горячем железо-никелевом расплаве железа. Продиффундировав через него, атомы углерода осаждаются по одному на более холодных затравках внизу, так же, как пары воды осаждаются на холодных стенках бокала в виде капелек. В качестве затравок используется мельчайшая крошка натуральных или естественных камней. Алмаз в 1 карат выращивают примерно неделю. Если давление понизить, то получится не алмаз, а графит.
• Натуральные алмазы (слева) имеют октаэдрическую решётку, искусственные (справа) – кубическую. Разница хорошо заметна по флуоресценции при УФ-освещении.
• Спектрофотометр позволяет получать полный спектр поглощения алмаза и тем самым сравнивать камни одинаковых на вид цвета и чистоты. В натуральных камнях всегда присутствуют линии поглощения азота, а в искусственных камнях их нет.
Знаете ли вы, что?..
- Самыми первыми искусственными ювелирными камнями были цирконаты (в России известны как фианиты. – Ред.). Однако они не считаются бриаллиантами, т. к. не содержат углерод. Получать их значительно проще, чем алмазы: пудру оксида циркония плавят при нормальном давлении и температуре 2400 °С вместе с оксидами магния и кальция и затем охлаждают.
- Все натуральные алмазы содержат примеси, которые могут придавать окраску: азот даёт желтоватый цвет, бор – голубоватый. Примерно 1% камней из-за внутренний напряжений имеют коричневый оттенок. Если такие камни выдержать несколько минут под давлением 6 ГПа при температуре 2500 °С, то они становятся совершенно бесцветными и могут продаваться как качественные бриллианты. То, что куплено за несколько сотен долларов, продают за 10 000! Это, пожалуй, самый дешёвый способ получения бриллиантов.
Продолжение следует
Scientific American, 2003, February, p. 82–83.
Сокр. пер. с англ. Н.Д. Козловой