Штучні алмази в техніці

Презентація з хімі Ї на тему: “Штучні алмази у техніці”

Підготувала: учениця 11-Б класу Яцунь Аліса

Зміст:

• Що таке штучні алмази?
• Технології виробництва
• Властивості
• Кристалічна структура
• Твердість
• Домішки і включення
• Теплопровідність
• Застосування

Що таке штучні алмази?

Синтетичні алмази, або штучні алмази (також відомі як алмази, створені в лабораторії або лабораторно вирощені алмази), — це алмази, отримані в результаті штучного процесу, на відміну від натуральних алмазів, що утворюються під час геологічних процесів.

Близько 97 % алмазів (за вагою), що використовуються в промисловості, — синтетичні.

Технології виробництва

Для виробництва штучних алмазів використовується декілька технологій. Історично перша, і основна на сьогодні, завдяки відносно невисокій вартості, — використання високого тиску і високої температури (high pressure high temperature — HPHT). Устаткування для цього методу — багатотонні преси, які можуть розвивати тиск до 5 ГПа за 1500 °C. Другий метод — хімічне осадження з газової фази (chemical vapor deposition — CVD) — коли над підкладкою створюється плазма з атомів вуглецю, з якої атоми поступово конденсуються на поверхню, утворюючи алмаз. Третій метод використовує формування нанорозмірних алмазів за допомогою ударної хвилі від вибухівки.

Властивості

Традиційно, відсутність кристалічних дефектів — найважливіший показник якості алмазу. Чистота і відсутність дефектів роблять алмаз прозорим, чистим, а в сукупності з його твердістю, хімічною стійкістю, високою оптичною дисперсією — популярним ювелірним каменем. Висока теплопровідність алмазу — важлива якість для технічних застосувань. Якщо висока оптична дисперсія характерна для всіх алмазів, то інші його якості залежать від умов, за яких його виготовлено.

Кристалічна структура

Алмаз може бути одним великим кристалом (монокристал), а може складатися з безлічі зрощених кристаликів (полікристал). Великі, бездефектні монокристали алмазу зазвичай мають попит як ювелірні камені. Полікристалічні алмази, що складаються з безлічі зерен, добре видимих неозброєним оком завдяки розсіюванню і поглинанню світла, використовуються в промисловості як різальний інструмент. Полікристалічні алмази часто класифікують за середнім розміром зерна в кристалі, який може варіюватися від нанометрів до мікрометрів.

Твердість

Синтетичні алмази — найтвердіша речовина з відомих, якщо під твердістю розуміти опір вдавленню. Твердість синтетичних алмазів залежить від чистоти, наявності дефектів у кристалічній решітці і її орієнтації, досягаючи максимальної в напрямку 111. Твердість нанокристалічних алмазів, отриманих у CVD-процесі, може становити від 30 % до 70 % від твердості монокристалу алмазу, і контролюється в процесі вирощування залежності від потреби. Деякі синтетичні монокристали алмазу і HPHT нанокристалічні алмази твердіші від всіх відомих природних алмазів.

Домішки і включення

Кожен алмаз містить домішки з атомів відмінних від вуглецю в кількостях, достатніх для визначення аналітичними методами. Атоми домішок можуть збиратися в макрокількості, формуючи включення. Домішок зазвичай уникають, але вони можуть бути введені навмисно для зміни певних властивостей алмазу. Вирощування алмазів у рідкому середовищі з металу-розчинника призводить до формування домішок з перехідних металів (нікель, залізо, кобальт) які впливають на електронні властивості алмазу.

Чистий алмаз є діелектриком, але невелика добавка бору робить його електричним провідником, і навіть за певних умов — надпровідником, що дозволяє використовувати його в електронних застосуваннях. Включення азоту перешкоджає руху дислокацій у кристалічній решітці і збільшує її напруженість, тим самим підвищуючи твердість і в'язкість.

Теплопровідність

На відміну від більшості діелектриків, алмаз має гарну теплопровідність завдяки сильним ковалентним зв'язкам у кристалі. Теплопровідність чистого алмазу — найвища з усіх відомих. Монокристал синтетичного алмазу, що складається з ізотопу 12С (99,9 %), має теплопровідність 30 Вт/см·K за кімнатної температури, що в 7,5 разів більше, ніж у міді. У природних кристалів алмазу теплопровідність на 1,1 % нижча через домішки ізотопу 13С, що вносить спотворення в кристалічну решітку.

Ювеліри використовують теплопровідність алмазу для відділення алмазів від їх імітацій. До каменю торкаються спеціальним мідним щупом, що має на кінці мініатюрний нагрівач і термодатчик. Якщо алмаз справжній, він швидко відведе тепло від нагрівача, що викличе помітне падіння температури, яке й фіксується термодатчиком. Такий тест займає всього 2-3 секунди.

Застосування

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.

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.

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.

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.

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.

Комп'ютерні технології

У порівнянні з кремнієм алмази мають значні переваги по теплопровідності і утриманню енергії. Ці мінерали можуть не втрачати своєї працездатності при нагріванні. Плюс до цього буде зберігатися до 90% енергії, яка зазвичай витрачається в процесі перенесення електронів. Область застосування алмазних чіпів практично безмежна.

Дослідження в області квантової фотоніки не обходяться без досконалої структури алмазу. Цей матеріал є ефективним носієм інформації, а також добре підходить для квантових обчислень. ​

Захист та точність

Вчені, які працюють в галузі фізики і хімії, у своїх експериментах використовують алмаз в якості захисного матеріалу від дуже агресивного навколишнього середовища, яка здатна знищити навіть скло (наприклад, плавикова кислота). До того ж, завдяки цим кристалам, зараз можна досягти разючої точності, в оптиці, квантовій фізиці і навіть в експериментах, пов'язаних з космічними польотами.

Ось такі варіації застосування штучних алмазів, дякую за увагу!