Штучні алмази у техніці

Штучні алмази у техниці

Пащенко Дмитро 11-А

Мета:

Ознайомитися з визначеннями: алмази, штучні алмази; розкрити їх значення для сучасного технічного обладнання. ​

Розглянути твердження про застосування штучних алмазів в різних сферах життєдіяльності.​

Ознайомитися з різними видами штучних алмазів та їх відмінностями від натуральних, способи отримання штучних алмазів.

Алмази та їх різновиди

Що таке алмаз?

Алмаз — мінерал класу самородних неметалів, тверда кристалічна алотропна видозміна карбону кубічної сингонії.

Алмаз належить до дорогоцінних каменів і є найтвердішим з відомих мінералів (твердість 10 за шкалою Мооса).

Алмаз складається приблизно на 96-99,8% з вуглецю, 0,2-0,3% складають домішки хімічних елементів, таких як азот, кисень, алюміній, бор, кремній, марганець, мідь, залізо, нікель, титан, цинк і ін.

Безбарвні алмази зустрічаються рідко.

Шляхи отримання штучних алмазів

Початок ери штучних алмазів

Через свої властивості алмаз знайшов застосування в багатьох галузях промисловості та ювелірного мистецтва. Але природні алмази рідкісні і дороги.

Щорічне виробництво їх становить кілька мільйонів карат. І велика їх частина застосовується для технологічних потреб так як алмазний пил є чудовим абразивом. Тому ідея створення штучних алмазів дуже давно хвилювала уми вчених.

Першим в 1939 році виконав термодинамічний розрахунок лінії рівноваги графіт-алмаз Овсей Ілліч Лейпунский — радянський фізик, що послужило основою синтезу алмазу з графіто-металевої суміші в апаратах високого тиску. Даний метод штучного отримання алмазів вперше в 1953 році був здійснений в лабораторії фірми АСЕА (Швеція). Синтез здійснювався при тиску 50 000 атм. і температурі 2000°С. Перші штучні алмази коштували в 30 разів дорожче природних, але вже до початку 60-х років їх вартість істотно знизилася.

НРНТ-алмази

Ця методика близька до природних умов. При ній необхідно дотримуватися температуру 1400 градусів Цельсія і тиск в 55000 атмосфер.

Всі компоненти розміщують в спеціальному пристрої, що нагадує автоклав в певному порядку. Метал в процесі плавиться, і графіт осідає на затравку.

Синтез триває від 4 до 10 днів, все залежить від необхідних розмірів каменю. Весь потенціал методики не розкритий, і не всі вчені довіряли цій технології, поки не побачили створені великі кристали ювелірної якості.

CVD-алмази

Технологія старіша і перевірена, ніж HPHT-виробництво. Саме вона створює промислові алмази, які можна використовувати навіть для лез в мікрохірургії. В таких камерах створюються вакуумні умови, після чого простір заповнюється газами водню і метану.

Гази розігріваються за допомогою СВЧ-променів до температури 3000 градусів . Синтетичний алмаз, створений за цією технологією, виходить без домішок азоту, здатна дати чистий і великий кристал. Складніше буде відрізнити від натурального.

Спосіб вибухового синтезу

Одна з останніх задумів вчених, що дозволяють отримати штучний алмаз. Методика дає можливість отримати штучний камінь за рахунок детонації вибухових речовин і подальшого охолодження після вибуху.

Кристали в результаті виходять дрібні, але спосіб наближений до природного утворення мінералів.

Меморіальні алмази

А ще недавно виник напрямок, що дозволяє створювати меморіальні алмази. Ця тенденція дозволяє увічнити пам'ять про людину в камені.

Для цього тіло після смерті піддається кремації, а з праху виготовляється графіт. Далі графіт використовується в одному із способів синтезу алмазів. Так, камінь містить в собі останки тіла людини.

Сфери використання штучних алмазів

1) Застосування алмазів в ювелірній справі

Алмази полірують і шліфують тільки такими ж алмазами. Ця нехитра техніка була відкрита в Індії, коли один з ювелірів, потерши один алмаз про інший, виявив, що обидва починають яскраво блищати і світитися. Цікавим фактом є те, що методика шліфування алмазів зберігалася в таємниці дуже довго.

Сучасні способи припускають використання алмазного порошку для полірування поверхонь дорогоцінних каменів, золотих і срібних оправ, кремнієвих пластин.

2) Медична сфера використання

Алмаз став незамінним матеріалом в медичній сфері. Хоча це нова область його застосування, зрозуміло, що за ним майбутнє. Поки основна сфера застосування алмазів – створення якісного інструменту.

Скальпель зі спеціальним покриттям використовується в хірургії, роблячи розрізи більш точними. Він незамінний при складних операціях. Наприклад, на спинному або головному мозку.

Матеріал застосовується при виготовленні стоматологічного обладнання. В стадії розробки знаходиться проект медичного лазера, де мінерал виступить в якості провідника.

3) Алмазні кришталики

Алмазний кришталик має високу біосумісність і більш високий коефіцієнт заломлення порівняно з іншими матеріалами, що забезпечує і більш якісний зір.

Він має кращу якість, ніж "протези" з інших матеріалів, зокрема, пластмаси та лейкосапфіру.

4) Лазер

Використання алмазних перетворювачів, як виявили вчені, здатне підвищити якість і яскравість вихідного пучка приблизно на 50% у порівнянні з вхідним.

Дослідники використовували цю властивість для перетворення довжини хвилі промення в менш небезпечну для людських очей.

Лазери цій частині спектра широко застосовуються в різних областях, включаючи дистанційне зондування і зв'язок між військовими кораблями.

5) Свердління та різання

Завдяки своїй твердості штучні, вирощені алмази широко застосовуються для різання та шліфування різних поверхонь. Сьогодні практично всі пили, свердла, абразиви, шліфувальні і ріжучі інструменти мають деталі з штучної алмазної насічкою.

Гірська і видобувна промисловість теж без алмазів не обходиться. Адже прокладання тунелів, буріння шахт і багато іншого вимагає від робочих матеріалів великої міцності.

Дякую за увагу!