Штучні алмази в техніці

Штучні алмази в техніці

Підготувала учениця

11 - Б класу

Єлісєєва Валерія

Штучні алмази в техніці

Проєкт

План

1. Що таке штучні або синтетичні алмази?

2. Класифікація штучних алмазів.

3. Історія виготовлення штучних алмазів.

4. Методики виготовлення штучних алмазів.

5. Використання штучних алмазів в техніці.

Висновки

«…Але я повинен сказати про кристали, форми, барви. Є величезні кристали, як колонада храму, ніжні, як цвіль, гострі, як шипи; чисті, блакитні, зелені, як ніщо інше в світі, вогненні, чорні; математично точні, досконалі…»

Карел Чапек

1. Що таке штучні або синтетичні алмази?

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.

Алма́зи синтети́чні ― це штучні алмази; за хімічним складом, кристалічною структурою, оптичними та фізичними властивостями аналогічні природним алмазам, утвореним унаслідок геологічних процесів.

Називати синтетичні алмази копією - неправильно. Швидше, це один і той же мінерал, вироблений різними шляхами. Варто відзначити, що єдині відмінності між ними - це спосіб появи. В одному випадку камені народжуються в природі, в іншому, до їх створення прикладає руку людина.

Вироблений в лабораторії штучний камінь, набуває все властивості «справжнього» каменю:

• міцність;

• структуру;

• блиск;

• коефіцієнт заломлення;0

• питома вага;

• теплопровідність;

• опірність.

Але є одна відмінність штучних алмазів - повна відсутність дефектів (мікротріщини, вкраплення, помутніння). Це робить їх ідеальним матеріалом для промислових і ювелірних цілей.

Синтетичні або штучні алмази одержують із графіту в умовах високого тиску (понад 5 ГПа) і температури (понад 1200 ⁰С). Для синтезу монокристалів алмазу розроблено метод вирощування, за якого досягають перепаду концентрацій унаслідок розміщення джерела вуглецю та алмазної затравки в різних температурних зонах. Цей метод називають методом температурного градієнта. Таким чином за високих тисків одержують монокристали алмазу масою до 50 каратів, які за чистотою та структурою не поступаються природним, що підтверджено дослідженнями властивостей зразків фірм «Дженерал Електрик» (англ. General Electric, США), «Сумітомо» (англ. Sumitomo Group, Японія), «Де Бірс» (англ. De Beers, Велика Британія). Алмази синтетичні отримують також хімічним осадженням із газової фази: алмаз росте за рахунок осадження вуглецю на затравку з газуватої вуглеводної суміші. Процес проходить за тиску, нижчого від 27 кПа. За цією технологією можна ретельно контролювати хімічний склад уключень у кінцевому продукті й вирощувати алмазні плівки на заготовках великої площі.

1. Класифікація штучних алмазів.

Алмази синтетичні поділяють на алмазні порошки (містять кристали, полікристали, уламки кристалів розміром менше 2500 мкм) та монокристали. Полікристалічні алмази часто класифікують за середнім розміром зерна в кристалі, який може варіюватися від нанометрів до мікрометрів.

Існують два основних види штучних алмазів: з природною структурою (фіаніти, муассаніта) і так звані «замінники» - кристали, полімери, рутили. У кожного з перерахованих вище представників ринку синтетичних алмазів є свої особливості:

Ф іаніти - бувають різних кольорів, добре відкидають відблиски. Найціннішим вважаються безбарвні екземпляри. Відрізняються від натуральних діамантів вагою: як правило, фіаніт трохи важче. До недоліків каменю відносять його властивість швидко мутнеть, також він дряпається.

Муассаніт - відноситься до найцінніших синтетичним діамантів. Свою репутацію камінь придбав завдяки міцності, гладкості і яскравого сяйва. Від природного алмазу відрізняється надто сильними відблисками.

Більшість штучних замінників дорогоцінних каменів мають ціну нітрохи не нижче, ніж натуральні аналоги. Особливо це стосується білих, прозорих моделей, які практично неможливо відрізнити від справжнього каменю. Слід пам'ятати, що натуральні камені не володіють такою бездоганністю, як штучно вирощені в умовах високого тиску і температури. Вони мають різного роду включення, в той час як їх аналоги чисті на 100%.

Якщо придбати фианит, то потрібно бути готовим до того, що з часом він подряпається, а його зовнішній вигляд буде залишати бажати кращого. Муассаніт дуже складно відрізнити від справжнього природного самоцвіту, проте він так сильно відблискує, що це видає його штучність. Справжній камінь не має таких властивостей.

3. Історія виготовлення штучних алмазів.

Поговоримо про те, скільки пройшло років з моменту появи гіпотези, що отримати синтетичні алмази можливо. Вперше, про це заговорили в 1797 році, з'ясувавши, що камінь повністю складається з вуглецю. Але реалізувати ідею вдалося лише в 1926 році, але і це не можна назвати повним успіхом. Отриманий зразок був далекий від оригіналу, але став відправною точкою в дослідженнях.

Т ільки в 1941 році технологією зацікавилася компанія General Electrics. Їх план полягав в тому, щоб нагріти вуглець до 3000 градусів під тиском 5 гПа. Але, виробництво довелося припинити через Другу світову війну. Повернутися до досліджень вдалося через 10 років.

Якісний алмаз штучне походження, відповідний для масового виробництва, вдалося отримати тільки в 1954 році. Але, його розміри були настільки малі, що використовувати його в ювелірній галузі було неможливо. Їхній бізнес поширився на промисловість. Вирішити проблему вдалося в 1970 році, але і тоді камені не досягали більше 1 карата.

Сьогодні, все змінилося і в лабораторіях можуть вирощувати дійсно великі камені. Максимальний розмір штучного діаманта, занесеного в Книгу рекордів Гіннеса, становить 34 карата.

В Україні технології отримання й використання синтетичних алмазів розроблені науковцями Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України. Тут уперше були запропоновані нові розчинники вуглецю, що забезпечують ефективний синтез алмазів: магній, цинк, оксиди, карбонати, гідроксиди лужних та лужно-земельних елементів, розроблено низку марок шліфувальних порошків (АС2, АС4, АС6, АС15, АС20, АС32, АС50, АС65, АС80, АС100, АС125, АС160), мікропорошків (АСМ, АСН) і субмікропорошків синтетичних алмазів із широким діапазоном фізико-механічних властивостей (міцність, крихкість, форма тощо). Розроблені технології одержання синтетичних алмазів упроваджено на заводах алмазної галузі в містах Полтаві, Львові, Бориславі.

4. Методики виготовлення штучних алмазів.

Сьогодні існують кілька методів синтезу алмазів.

К омпанія General Electric розробила метод близький до природних умов. Його назвали HPHT (High Pressure High Temperature— високий тиск, висока температура). Процес ведеться при температурі близько 1500 °С із зовнішнім градієнтом і тиском 50-70 тис. атм. Гідравлічний прес обжимає контейнер, де знаходиться графіт, розплав заліза, нікелю, кобальту. На підкладці є затравка кристалів алмазу. Розплав розігрівають за допомогою електричного струму. Метал виступає в якості розчинника і каталізатора. Процес триває протягом 12 діб.

Метод CVD означає «осадження з пари». За допомогою такої технології отримують промислові алмази. Кристали ростуть на підкладці, на якій розміщується алмазна затравка. Вони поміщаються в камеру, де створюється вакуум, простір потім заповнюють воднем і метаном. Розігрів газів здійснюється за допомогою НВЧ-променів до 3000 °С, в результаті Карбон з метану осідає на основу, яка залишається холодною, її осаджують на кремнієву пластину шляхом нагрівання або за допомогою СВЧ-випромінювання. В результаті реакції виходить пластина в 2-3 мм завтовшки. Тому, її основна галузь застосування - оптика і електроніка. Метод дозволяє одержувати чисті кристали. Але його необхідно удосконалити, так як розміри отриманих каменів обмежені.

Спосіб вибухового синтезу дозволяє отримати камінь завдяки детонації вибухових речовин і наступного охолодження. Вона заснована на тому, що під час вибуху створюється високий тиск і виділяється багато тепла. Головне - швидко опустити камеру в воду, щоб не дати алмазу перейти в стан графіту.

Проблема «вибуховий методики» в тому, що дорогоцінна крихта знаходиться всередині графіту. Її необхідно вимивати шляхом кип'ятіння в азотній кислоті протягом доби, при температурі 250 градусів.

Застосування каталізаторів. В якості каталізаторів застосовуються такі метали, як залізо, родій, паладій, платина. Метали-каталізатори дозволяють полегшити процес виробництва алмазів, т. К. В цьому випадку потрібно менше тиску і температура не така висока. Самі кристали виходять в просторі між розпеченим графітом і плівкою металу-каталізатора. Отримані у такий спосіб алмази застосовуються в основному в промислових цілях.

Застосування у виробництві алмазів каталізаторів дозволяє знизити температуру і тиск. Цей напрямок досліджень є перспективним, так як дозволить зменшити витрати на виготовлення каменів.

У США виробництвом синтетичних алмазів за методом HPHT займається компанія Gemesis у Флориді і компанія Apollo Diamond в Бостоні виробляє камені за методом CVD. Виготовленням алмазів для ювелірних цілей займається Індія. Китай проводить дослідження для використання кристалів в передових технологіях. У Японії групою Diamond Wafer Team ведеться виробництво алмазних пластин, які можуть стати основою електроніки майбутнього. Компанія De Beers вирощує синтетичні алмази ювелірної якості.

Найбільш перспективним напрямком для штучних кристалів є промисловість. Природні екземпляри не підходять для використання в електроніці, бо в них міститься велика кількість різних дефектів. Синтетичні алмази використовуються в нанотехнологіях. Вони використовуються в мікроелектроніці, лазерній техніці, напівпровідникових матеріалах, космічної галузі, медицині та ін. З часом їх роль буде тільки зростати.

5. Використання штучних алмазів в техніці.

1) Застосування алмазів в ювелірній справі

Алмази полірують і шліфують тільки такими ж алмазами. Ця нехитра

т ехніка 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

х вилі проміння 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.

6) 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.

7) Використання в електроніці.

Алмази використовують в електроніці і телекомунікація, щоб різні частоти могли передаватися по одному кабелю. Завдяки властивостям мінералу, оптоволокну не страшні температурні перепади і стрибки напруги.

8) Захисні технології в оптиці.

Широко застосовується алмаз в хімії та фізиці, як захисний механізм. Так, під час створення оптичних лінз, мінерал захищає їх від руйнування плавиковою кислотою. Це дозволяє добитися нових висот в дослідженні космосу, планети, квантовій фізиці та удосконалювати лазерні технології.

9) Перспективні експериментальні дослідження.

Є також проєкти, які ще знаходяться на стадії розробки. Японці створюють батарейки на штучних алмазах, які зможуть працювати сотні років. Такі джерела живлення зможуть застосовуватися у космічних апаратах і установках глибинного буріння, що знаходяться під землею. В їх основі – штучні алмази, а також ізотопи вуглецю і нікелю. Використання радіоактивних матеріалів для вироблення електроенергії не є новою ідеєю. Ядерні джерела живлення на базі плутонію вже застосовуються в космічних апаратах. Запропоновані японськими вченими з Національного інституту матеріалознавства елементи живлення витримують високі температури й володіють простішою структурою. Період напіврозпаду вуглецю-14 досягає 5700 років, а нікелю-63 – 100 років. Тому джерела живлення на їх основі зможуть прослужити такий довгий час.

Електроди зі штучного алмазу можуть виробляти електроенергію під впливом радіації від ізотопів. Навколишнє середовище від випромінювання захищатиме металева оболонка елемента живлення.

У таких батарей поки що є істотний недолік — низька питома потужність, вимірювана мікроваттами. Зате отримувати ізотопи вуглецю для виготовлення таких елементів живлення можна з графітових стрижнів, що застосовуються на атомних електростанціях — виведені з ладу стрижні на своїй поверхні містять в достатній кількості вуглець-14.

Японські фахівці до створення батареї на базі штучного алмазу йшли з дев'яностих років минулого століття. До серійного виробництва ще далеко, але сьогоднішні результати надзвичайно перспективні.

Вчені Брістольського університету знайшли спосіб перетворення ядерних відходів певного виду на алмазні ядерні батареї, які здатні виробляти невеликий електричний струм і робити це протягом терміну, що перевищує існування людської цивілізації.

"Ми припускаємо, що такі батареї можуть бути використані в ситуаціях, коли неможливо провести підзарядку акумуляторів із будь-яких зовнішніх джерел енергії... Алмазні ядерні батареї зможуть стати джерелом енергії для малоємнісних електронних пристроїв, вони зможуть постачати енергією протягом дуже тривалого часу висотні безпілотні літальні апарати, космічні кораблі і багато іншого", - розповідає професор Том Скотт.

Брістольська група працювала над проблемою переробки відходів одного з основних джерел цих відходів у Великій Британії - застарілих ядерних реакторів типу Magnox. Ці реактори першого покоління використовують графітові блоки як регулятори швидкості реакції ядерного розщеплювання, поглинаючи і сповільнюючи нейтрони. Десятиліття перебування в умовах високої радіації призвели до того, що частина звичайного нейтрального вуглецю в графіті перетворилася на радіоактивний ізотоп вуглець-14. І таких графітових блоків накопичилося зараз в Британії понад 100 тонн.

При розпаді вуглецю-14 виробляється низькоенергетичне бета-випромінювання, що складається з електронів, які не здатні "пробити" вже кілька сантиметрів повітря. Тим не менш, велика кількість радіоактивних графітових блоків небезпечні для навколишнього середовища, і замість того, щоб поховати відходи, брістольські вчені знайшли спосіб виділення з нього практично всього вуглецю-14 і перетворення цього вуглецю на штучний алмаз.

Брістольські дослідники виявили, що більша частина вуглецю-14 зосереджена всередині графітових блоків нерівномірно, природно, велика частина радіоактивного ізотопу є в тих частинах блоків, які перебували ближче всього до уранових паливних стержнів. Тому вчені нагріли графітові блоки з більш радіоактивної боку до температури, коли радіоактивний вуглець покинув графіт у вигляді газу. Це газ був зібраний, охолоджений і під високим тиском перетворений в штучний алмаз. Алмаз є речовиною, яка під впливом певних видів радіоактивного випромінювання виробляє невеликий електричний струм. А в даному випадку алмаз, що складається переважно з радіоактивного вуглецю, сам є джерелом цієї радіації. Тому алмазна ядерна батарея не має жодних рухомих частин, вона поглинає створювану нею ж радіацію і не вимагає ніякого обслуговування.

Штучні алмази, виготовлені з вуглецю-14 достатньо радіоактивні, тому вони "вдягнені" в шар із звичайного нерадіоактивного штучного алмазу. Цей шар утримує бета-випромінювання досить добре, знижуючи його інтенсивність практично до нуля, а висока міцність алмазу дозволяє йому виступати в ролі захисту, що забезпечує збереження внутрішнього радіоактивного ядра батареї.

Брістольські вчені вже створили перший дослідний зразок алмазної ядерної батареї з ядром, у складі якого є радіоактивний ізотоп нікель-63. А зараз вони приступають до виготовлення такої самої батареї з ядром на основі вуглецю-14, яка буде більш ефективна, ніж нікелева батарея. Більш за те, через дуже тривалий період напіврозпаду вуглецю-14, батарея на його основі зможе через 5 730 років виробляти половину від її початкової потужності.

Технічні алмази використовуються в алмазних бурових коронках, пилах, різцях, філь’єрах для витягання дроту, для виготовлення полірувальних порошків і паст, а також в оптичній і електронній промисловості як напівпровідники, датчики в лічильниках ядерних частинок, як речовина з теплопровідністю вище, ніж у міді, прозоре для широкого діапазону хвиль.

Висновки

Вивчаючи властивості алмазу, його хімічний склад, люди навчилися створювати природні аналоги. Вдалося розгадати деякі загадки «каменю царів». Але чим більше фахівці займаються дослідженням цього дивного мінералу, тим більше з’являється питань. Завдяки легуванню кристала вдається домогтися потрібних властивостей, одержати матеріали з новими характеристиками. Це дозволяє використовувати його в новітніх технологіях. Деякі таємниці алмазу ще належить розгадати в майбутньому.

Вчені стверджують, що при вирощуванні кристалів в промислових і лабораторних умовах, навіть невелике відхилення в температурному режимі призводить до зниження якості отриманого алмазу. Недотримання технології при вирощуванні будь-яких кристалів може привести к неочікуваним результатам. Твердження було перевірено при проведенні домашнього досвіду. Зниження температури привело до того, що зростання кристалів сповільнювалося. Суворе дотримання технології є гарантією отримання відмінного результату.

З метою спостереження за ростом кристалів був проведений експеримент – вирощування в домашніх умовах кристалів цукру. Було відмічено, що у різних напрямках вони ростуть з різною швидкістю. Це пов’язано з анізотропією кристалів. Ця властивість залежить від атомної будови речовини. Підвищення температури призводить до інтенсивного випаровування розчину. Кристали починають рости швидше. Чим більше світла і тепла, тим вище швидкість росту. Отримати кристали можливо будь-якого розміру і кольору.

Вирощуючи кристали можна глибше зрозуміти їх природу, вивчити їх властивості та умови утворення.