Изготовление искусственного алмаза. Когда искусственный алмаз поставят на полки ювелирных магазинов? Что такое алмаз
С тех самых пор, как человек оценил удивительные свойства природных минералов, одни из них стали предметами роскоши, другие заняли место в быту и ритуалах. Востребованность драгоценных природных камней при небольших объемах добывания из недр земли сделало их дорогостоящими. Поэтому вопрос создания искусственных заменителей, которые могли бы удовлетворить спрос, активно разрабатывался уже в предыдущие столетия. Мощным двигателем развития в этом направлении стало и желание мошенников продать под видом дорогих камней дешевые подделки.
Истоки желания человека созидать камни, равноценные сотворенным природными силами, найдены в алхимии. В IV веке до н. э. алхимики искали магические формулы для изготовление искусственных драгоценных камней. А вот, к примеру, искусственный жемчуг был найден среди давних археологических находок китайской цивилизации. Реальные научные результаты были получены в середине XIX века. Марк Годэн, химик из Франции, в 1857 году явил миру первый неприродным путем созданный камень - рубин. Следующим появился искусственный изумруд. Затем изготовление камней для ювелирных дел стало развиваться успешнее, и уже в XX веке оно было налажено в полноценном производственном масштабе.
Так человеку открылась еще одна тайна природы - он сумел своими средствами создавать искусственные минералы. По своему составу искусственные заменители природных камней приближаются к натуральным на 100%. Отличить природный от искусственного неспециалисту практически невозможно. Да и профессионального взгляда в отдельных случаях может быть мало без лабораторного спектрального анализа.
Заводя речь об отличиях природных и искусственных камней, отметим, что у последних структура ближе к идеальной. В природных часто встречаются разные вкрапления, большие или меньшие трещинки на поверхности. Это - нормальное их свойство, но может служить лишь относительным признаком природного происхождения. Такие дефекты могут присутствовать и в искусственных самоцветах. Кроме того помутневшие участки и круглые пузырьки воздуха присущи только искусственным камням.
Появление большого количества искусственных камней на ювелирном рынке пошатнуло устоявшиеся цены. На некоторое время стало гораздо проще приобрести даже настоящие рубины, понизилась стоимость натуральных сапфиров и изумрудов. Однако очень скоро после этого ювелиры научились с помощью оптического оборудования выявлять искусственные камни. Так ситуация вновь урегулировалась.
На сегодняшний момент в лабораториях создаются практически все драгоценные камни. Кристаллы искусственных минералов широко используются в электронной и других отраслях промышленности. Изготовление искусственных камней сегодня может вестись тоннами. Однако так может быть пока что не со всеми минералами. С алмазами науке пришлось потрудиться больше всего.
История создания искусственного алмаза
Исаак Ньютон предположил, что алмаз, даже при том, что является наиболее твердым минералом на планете, подвергается горению. Поскольку было известно, что алмаз создается после сложных превращений из привычного для нас графита, то была выдвинута гипотеза о возможности обратного процесса. Экспериментальными исследованиями данной гипотезы занялась Флорентийская академия наук. Так было выяснено, что при 1100 градусах по Цельсию алмаз сначала превращается в графит, а затем сгорает.
В 30-х годах XX века Овсей Лейпунский в результате собственных исследований и сложных расчетов выяснил условия, при которых можно вырастить искусственный алмаз. Так, давление должно составлять более 4,5 ГПа, а температура - 1227 градусов по Цельсию. При этом процесс должен происходить в сложной среде - расплавленном металле. Только через два десятка лет попытка создания искусственного алмаза увенчалась успехом. Но первые алмазы были пригодны лишь для технических целей. Создание искусственных алмазов требует серьезных технических средств, что делает процесс дорогостоящим. Выяснено, что искусственный и натуральный алмазы имеют отличия в приписываемых магических свойствах.
Искусственные алмазы ближе к группе кварцевых минералов, если рядом положить натуральный и искусственный алмаз, то последний поблекнет. Магические свойства искусственных минералов значительно слабее, поэтому «знакомить» натуральный камень с искусственным следует осторожно. Только через несколько суток обмена информацией на расстоянии через перегородку (из бумаги, например) камни смогут «ужиться» вместе.
Искусственные изумруды
Еще одно недешевое удовольствие - искусственные изумруды. Сегодня для их создания используется дорогостоящий гидротермальный метод. Довольно долго изумруды производились только в лаборатории Керола Четмена в Сан-Франциско. Сегодня уже несколько компаний в мире пользуются таким методом и создают искусственные изумруды.
Хрупкость искусственных камней такая же, как и у природных. Однако в их структуре нет (или практически нет) трещинок и прочих дефектов, присущих природным камням, поэтому созданные лабораторным путем изумруды долговечнее.
Технология создания искусственного изумруда совершенствуется, однако остается очень дорогостоящей. Поэтому гидротермальные камни только немного дешевле природных. Также они устойчивы к воздействию кислот, нагреванию, ультрафиолетовому воздействию. Цвет искусственных изумрудов идентичен натуральному.
Культивированный жемчуг - древняя технология
Китайцы хранили секрет создания искусственных жемчугов очень долго. Но в 1890 году древняя технология таки стала известна японцам, которые поставили изготовление жемчуга на промышленное производство.
Древняя технология выращивания жемчуга предполагает долгий процесс нарастания перламутра вокруг небольшого зернышка перламутра, вручную помещенного сначала в кусочек жировой ткани одного моллюска, а затем в мантию другого. Процесс выращиванию жемчуга таким способом кропотлив, поэтому технологии совершенствовались и упрощались процессы. Именно так появилось понятие культивации жемчуга.
Наименьший размер культивированной жемчужины - как булавочная головка, а наибольший - с голубиное яйцо. Форма имеет особое значение: высоко ценится круглая, максимально приближенна к идеалу. Также жемчуг может иметь каплевидную форму и напоминающую пуговицу. Стоимость культивированного жемчуга, а, следовательно, и изделий из него, меньшая, нежели у природного, что делает его более доступным в ценовом плане.
Что касается всех искусственных драгоценных камней, то нужно помнить: это - не подделки, а попытка человека заменить ограниченные труднодобываемые природные ресурсы творениями науки. Поэтому искусственные камни занимают отдельное и, несомненно, достойное место в ювелирном мире.
В этой статье:
Начали делать не так давно. Этот процесс не является таким уж лёгким, а требует серьезных затрат. Применение такого искусственного кристалла не ограничивается только ювелирным делом, алмазы очень нужны в технике. Например, из них изготавливают специальный режущий инструмент. Для того чтобы понять, что собой представляют искусственные алмазы, нужно для начала разобраться, что такое настоящий алмаз.
Алмаз - самый твердый минерал в мире
Прежде всего, то, что мы видим в ювелирном магазине - это бриллиант. Бриллиант - это алмаз, который прошел специальную предварительную обработку ювелирами. C точки зрения химии, он представляет собой углерод кубической формы и строения кристаллов. Что интересно, углерод в зависимости от того, как построена структура, может выступать в виде многих веществ, которые имеют разные свойства и применение.
Искусственные алмазы
Например, всем известно, что сейчас в мире переходят на нанотехнологии. Нанотехнологиями называют такие технологии, суть которых построена на объектах очень малой величины - тысячных долях микрона. Одними из таких объектов являются нанотрубки. Так вот, наименьшие нанотрубки, а именно, самого маленького диаметра, также являются формой углерода. Дело в том, что один атом вещества может объединяться с пятью другими, что и так представляет собой компактную структуру. Среди атомов, которые обладают такими возможностями, имеет самую маленькую массу, а соответственно и радиус атома.
Если атомы углерода объединяются во что-то похожее на мяч для футбола - это называться фуллеренами. Фуллерены и нанотрубки, а также монослой углерода - графен, за получение которого недавно вручили Нобелевскую премию, в будущем, скорее всего, будут очень широко использоваться в технике. Они интересны своими сверхпрочными свойствами, а также проводимостью, низким сопротивлением и размерами. Наибольшая ценность нанотрубок - выступать как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от того, как ориентированы атомы между собой. За этим будущее электроники.
До сих пор ученые не пришли к однозначному выводу о том, . Основная версия говорит о том, что кристаллы формируются глубоко в Земле (более чем в 200 километрах) под большим давлением и огромной температурой. А потом уже магма их выбрасывает на поверхность. Существует также версия, что алмаз представляет собой внеземную структуру и прилетает на Землю вместе с метеоритами. Еще одна версия тоже говорит о космическом происхождении: якобы бриллианты формируются при падении метеорита, когда создается высокое давление.
Камни очень редкие и красивые. Ценятся они не только за красоту, но и за то, что обладают уникальными свойствами:
- алмаз имеет самую высокую твердость среди минералов;
- температура его плавления доходит до 4000 градусов;
- теплопроводность самая высокая среди всех известных твердых тел;
- он относится к диэлектрикам;
- имеет уникальное преломление света, под действием различных лучей может начать светиться;
- не растворяется в кислоте.
История получения минералов
В 1797 году было открыто, что алмаз состоит из чистого углерода. С тех пор начались попытки повторить процесс в условиях лаборатории. Наиболее успешными стали работы Ханней и Муассана, в 1893 году они нагревали их до температуры 3000 градусов Цельсия с высокой скоростью нагрева и добавлением железа. В отличие от Ханнея, который использовал трубку для нагрева, Муассан использовал электродуговую печь со стержнями углерода, располагавшимися внутри блоков извести.
Расплавленное железо после нагрева быстро охлаждали водой. Все это делали для того, чтобы обеспечить высокое давление. Подобные эксперименты повторялись и в дальнейшем. Например, в 1909 году успеха достиг Крукс и через несколько лет об этом заявил. Однако позже такое заявление было опровергнуто.
Первый официальный искусственный алмаз был создан в 1926 году. Для его создания были объединены все методы, которые перечислены выше. Сейчас этот образец до сих пор хранится в музее в Соединенных Штатах Америки.
Но это еще был не тот образец, который можно было бы поставить на серийное производство. Наибольший вклад в создание и разработку методов получения бриллиантов вложил Сэр Чарльз Алджернон Парсонс - именно он на протяжении 40 лет пытался повторить самые первые опыты Ханнея и Муассана. Он был очень кропотливым и сохранил полученные образцы для дальнейших исследований. Позже заявил, что всё, что было создано до этого, не является искусственным бриллиантом.
В 1941 году к разработке методики получения алмазов присоединяется компания General electrics. У них получилось нагреть углерод до 3000 градусов и получить давление 5 ГПа. Однако им помешала Вторая мировая война, и только через 10 лет они возобновили работы по проекту. Во время этих разработок использовались наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе. Однако все условия синтеза были настолько неопределёнными, что эксперименты повторять не удавалось.
В 1954 году был создан первый искусственный алмаз, который годился для коммерческого синтеза. Однако он был очень маленького диаметра, всего доли миллиметра, поэтому не мог быть использован в украшениях, зато хорошо подходил для промышленности. Описание работы по его созданию было опубликовано в самом престижном научном журнале Nature.
С 1953 года компания ASEA - производитель электроники из Швеции - тоже начала заниматься независимым синтезом алмазов. Работа шла, используя громоздкий аппарат, который поддерживал давление на уровне 8,4 ГПа на протяжении часа. Но им тоже удалось получить экземпляры только маленького размера.
В Корее в восьмидесятых годах появился конкурент по созданию алмазов - компания «Ильин Алмаз». Она заполучила коммерческую тайну от General Electric и смогла синтезировать синтетические алмазы в 1988 году. После этого вышел и Китай на рынок с огромным количеством предприятий.
Как сегодня выращивают алмазы?
В промышленном производстве сейчас более широко используется технология выращивания кристаллов при высоких давлениях и температурах, называемая HPHT, а также технологии CVD. Менее употребляемыми методиками считаются синтез монокристаллов алмаза при взрыве и метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под действием ультразвука.
Технология HPHT включает в себя получение алмазов при температуре 1500 градусов и давлении 50 атмосфер. Установка, которая представляет собой гидравлический пресс, сжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав и графит. В качестве расплава используется железо, никель кобальт или другие металлы. На подложке размещаются затравки - небольшие кристаллы алмаза. Сквозь камеру проходит ток, который нагревает расплав до нужной температуры. В таком случае металл служит растворителем или катализатором кристаллизации.
Кристаллы выращиваются на заправке в форме алмаза. Процесс выращивания более-менее крупного или нескольких мелких кристаллов длиться в среднем около 12 суток. Сейчас производство искусственных алмазов доходит до выпуска миллиардов каратов в год. В 1970, используя эту технологию, впервые научились добывать камни маленького веса и качества.
С 1960-х годов начали разработку более дешевой технологии получения алмазов CVD, что означает Chemical Vapor deposition, которая представляет себя осаждение из фазы газа.
Синтез проходит при осаждении углерода на подложку в среде из водородного газа, который ионизируется с помощью излучения и высоких температур. При осаждении поликристаллический алмаз (кремний) получает пластины, имеющие ограниченное применение в электронике и оптике.
Скорости роста абсолютно разные, которые могут достигать и 100 микрометров в час. Толщина пластин обычно ограничена 2-3 миллиметрами, поэтому полученные алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но не превышающих 1 карата. Возможности этого момента начали популяризоваться в 2000-х и привлекли внимание как стартапов, так и больших корпораций, что дало сильный толчок к развитию метода.
Потенциал HPHT в последнее время был сильно недооценен, и все внимание и ресурсы были сосредоточены на совершенствовании метода химического осаждения. Эта технология, как казалось, была неприменима для выращивания кристаллов большого размера и высокого качества. Но в последнее время технологии совершенствуются и получаются искусственные алмазы такого качества и размера, какими раньше могли быть только натуральные.
Которые чаще всего имеют прозрачные цвета, заключается еще в том, что синтетические обладают легким оттенком. Азот, который рассеивается в структуре решетки во время роста алмаза, поглощает голубой цвет, в результате чего синтетический алмаз приобретает желтоватый оттенок.
Другие заменители бриллиантов
Помимо искусственных бриллиантов, широко используются их заменители, которые вошли в ювелирную промышленность в семидесятых годах прошлого века. Сначала Физический институт Академии Наук получил фианиты, которые представляли собой . Это, так сказать, стекляшка среди алмазов. Позже появились такие , как хрусталь, циркон, белый сапфир. Особенной популярностью пользовались такие камни в изготовлении перстней в викторианском стиле.
Также появился такой заменитель бриллиантов, как нексус, который представляет собой соединения углерода с другими веществами и отличается прочностью и твердостью.
Для изготовления фианитов используется диоксид циркония. Он считается наименее прочными из всех заменителей бриллиантов, а соответственно, и самым дешевым. Муассанит, который синтезируется из карбида кремния и является самым прочным из всех камней, похожих на бриллианты, и обладает такими внешними характеристиками, что его даже сложно отличить от настоящего камня. Отличие всех искусственных камней от натуральных, которое можно заметить невооруженным глазом - это стоимость, для остальных отличий необходимо оборудование и опыт.
Однако иногда синтетические бриллианты по цене не уступают натуральным, потому что огромные затраты расходуются на их производство. Основное отличие искусственного бриллианта от натурального в том, что в натуральных бриллиантах присутствуют неоднородности и включения, которые отсутствуют у искусственно полученных минералов.
Приобрести украшения из синтетического бриллианта можно, и это будет значительная экономия по сравнению с натуральным. Если вы хотите купить украшение максимально недорого, то отдавайте предпочтение фианитам. Их сияние не уступает натуральному бриллианту, но у него немного хуже характеристики прочности и твердости, что влияет на эксплуатационные свойства. Муассанит обладает наиболее ярким блеском, что в некотором роде создает эффект дискотеки. Фианит не обладает таким сиянием, как алмаз искусственный или муассанит, но лучше отбрасывает блики.
Муассаниты практически не поддаются внешнему воздействию, а вот фианиты со временем царапаются и впитывают масло. Кроме того, если за ними не ухаживать, на поверхности камня скапливаются царапины, он становится мутным.
Таким образом, технология получения бриллиантов до сих пор находится в стадии разработки. В отличие от рубинов и сапфиров, получить бриллиант любого размера или качества невозможно, и часто он может быть дороже оригинального, так как затрачивается огромное количество времени и ресурсов.
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!
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.
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.