Производство искусственных алмазов. Искусственный алмаз опыты получения
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений. Ювелиры разделяют алмазы почти на тысячи сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков . В конце ХХ века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов .
Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости стирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз лучше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготавления резцов. Благодаря этому свойству алмаз применяется при бурении горных пород.
Впервые геологи стали использовать натуральные алмазы в бурении для колонковых долот приблизительно в 1910 г., при помощи таких долот делались кольцевые отверстия в породе, через которые извлекали керн - образцы породы для анализа. Впервые алмазные долота ввели для бурения нефтяных скважин в начале 1920 г., с тех пор они широко используются. Для долот используются природные алмазы не технического, а ювелирного качества, которые вытачивают до особого размера и придают правильную, округлую форму.
Исключительная твёрдость алмазов позволяет использовать их при механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т.п. .
Более половины добычи технических алмазов идёт на изготовление специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и свёрл на обработку цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ даёт огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных материалов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями .
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов .
Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не останется равнодушным.
Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные свёрла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твёрдых и хрупких материалах.
В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счётчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счётчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.
В России после открытия якутских месторождений была создана алмазодобывающая промышленность . В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы. В настоящее время они находят всё большее применение в разных отраслях хозяйства .
Синтезированные алмазы не являются аналогами природных . Это означает, что в лабораторных условиях ещё не разработан способ синтеза алмазов аналогичный тому, который реализуется в природе.
Синтез искусственных алмазов был впервые осуществлен в 1953 г. в Швеции и США, и в 1959 г. в СССР. Однако получаемые в те времена кристаллы алмаза могли быть использованы лишь в качестве абразивного материала, поскольку размеры отдельных кристаллов не превышали 0,8 мм и имели невысокую механическую прочность. Синтез крупных монокристаллов алмаза, который был реализован много позднее, сопряжен с большими сложностями технического и экономического характера. В этом отношении наиболее перспективной для технического применения является шаровидная (диаметром 6-7 мм) лучисто-радиальная форма алмаза или баллас, которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза и наиболее проста в получении . Вследствие этого основные усилия научного коллектива были направлены на синтез этой модификации, которая и была в 1963 г. впервые в мире получена на кафедре физики и химии высоких давлений.
Испытание синтетических балласов в буровой технике показало их высокую эффективность при проходке скважин в разнообразных грунтах, но особенно широко синтетический баллас применяется сейчас для изготовления волок в производстве проволоки.
Наряду с отработкой методов синтеза алмазов проводятся исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма их синтеза. Последняя проблема представляет наибольший научный интерес.
В настоящее время существует три основных варианта рассмотрения механизма образования алмаза - наиболее простой, описывающий кристаллизацию алмаза из расплава графита в РТ области стабильности алмаза (> 100 кбар ~ 2000єС) и два дискуссионных варианта - кристаллизация алмаза из раствора графита в металле - «катализаторе» и фазовый переход графита в алмаз в твёрдой фазе в присутствии металлов - «катализаторов». Оба последних процесса протекают в более мягких условиях (40-60 кбар, 1400-1600єС) по сравнению с «прямым» фазовым переходом. Исследования механизма алмазообразования по дискуссионным вариантам, проведенные на кафедре, показали их равновероятность. Реализация на практике того или иного механизма будет определяться природой углеродсодержащего сырья (например, его склонностью к графитизации), или природой металла катализатора, например, способностью к карбидообразованию и устойчивостью карбидных форм в РТ области синтеза алмаза или какими-либо другими причинами.
Первые оценки условий превращения графита в алмаз, сделанные О.И. Лейпунским (1948), показали, что такой переход возможен при давлении Р= 6 ГПа и температуре Т=2300єК. В настоящее время алмазы синтезируются с применением различных технологий, определяемых фазовой диаграммой углерода в координатах давление - температура (Р-Т) в области термодинамической устойчивости алмаза при Р>4ГПа, T>1270єК; в метастабильных для алмаза условиях при Р от 1 до 100 ГПа и Т от 870 до 1070єК. В первом случае синтез происходит в конденсированной фазе (давления либо статические, либо динамические). Во втором случае образование алмазов происходит в результате конденсации углерода из газовой фазы .
Таким образом, благодаря уникальным свойствам, и, прежде всего, необычайной твёрдости и устойчивости к изнашиванию, природные и искусственные алмазы находят широкое применение в современных технологиях и механизмах. Но наиболее известным и популярным остаётся использование природных алмазов для изготовления бриллиантов и ювелирных украшений. Алмазы по-прежнему остаются наиболее покупаемыми ювелирными камнями. В последние годы Россия удерживает рекордные позиции по добыче алмазов (Приложение 5). Только в 2006 г. Россия экспортировала алмазов на сумму 1,7 млрд. долларов, из них 78% - в страны Евросоюза .
Сейчас уже хорошо известно, что алмаз представляет собой модификацию углерода высокого давления. Технические алмазы сейчас получают при огромных давлениях (40-60 тысяч атмосфер) и температурах, т.е. при условиях, близких к природному процессу формирования алмазов с точки зрения мантийной теории происхождения алмазов.
Однако, в ходе исследования нам удалось выяснить, что мантийная теория не является основной в научных взглядах на проблему происхождения алмазов. Более того, описаны факты и процессы, которые противоречат основным положениям этой теории. На сегодняшний день не существует ни одной гипотезы, которая бы в полной мере и научно достоверно описала процесс природного образования алмазов.
В то же время, все физико-химические свойства алмазов подробно изучены и описаны в научной литературе. Уникальные свойства алмазов позволяют использовать эти минералы в различных отраслях хозяйства. Самые чистые и крупные алмазы имеют большую ювелирную ценность.
Кажется, марка De Beers решила последовать известному дипломатическому принципу «не можешь подавить бунт — возглавь его» и стать монополистом не только на рынке натуральных бриллиантов, но и искусственно выращенных камней. Специально для этих целей был создан бренд Lightbox, который будет продавать украшения только с камнями, выращенными в лабораторных условиях. Простые, незатейливого дизайна, дешевые — на каждый день.
«Синтетические бриллианты — не более, чем поветрие и мода, — говорит Брюс Кливер, генеральный директор De Beers. — Они не подходят, чтобы отмечать значительные события вашей жизни, которые хотелось бы запомнить надолго». Ему вторит финансовый директор компании Нимеш Пател: «Такие камни — не что-то уникальное. Потеряв украшение с синтетическим бриллиантом, вы вряд ли сильно расстроитесь. Кстати, это отличная альтернатива для украшения ребенку».
В общем, запуская новую марку, спикеры De Beers сделали все от них зависящее, чтобы репутация лабораторных бриллиантов упала ниже некуда. И это при том, что еще в сентябре 2017 года компания официально заявила, что никогда не будет продавать искусственно выращенные бриллианты, что как раз было понятно и объяснимо: в противном случае это выглядело бы как каннибализация собственного бизнеса.
Есть ли различия?
Тема искусственно выращенных бриллиантов активно подогревается последние два года. Единственный вопрос, который все это время волнует общественность: «Чем же они отличаются от натуральных?»
Правильный ответ — практически ничем. Чистый углерод. Спрессованный миллионом лет геологических процессов или сжатый методом осаждения пара в лаборатории. Причем непосредственно для образования алмаза и в естественной, и в искусственной среде требуется примерно одинаковое время — две-три недели. Просто натуральный потом еще «немного» полежал в земной коре. Химический состав одинаковый. Кристаллическая структура — тоже. В плане визуальной идентичности — бесцветные синтетические бриллианты от натуральных не отличит даже эксперт под 15-кратным увеличением. При особой тренированности может заподозрить — но не более.
«На самом деле, это не совсем так, — рассказывает независимый ювелирный эксперт, 35 лет проработавший в компании De Beers. — При огранке мастер легко отличает натуральный бриллиант от выращенного в лаборатории — для наметанного глаза структура заметно отличается».
Собственно, именно для того, чтобы изучить выращенные человеком алмазы во всех подробностях, компания De Beers пару лет назад организовала собственную лабораторию Element Six по выращиванию и изучению синтетических бриллиантов в британском Беркшире.
Dimitri Otis / gettyimages.com
Сегодня большинство лабораторно выращенных бриллиантов пытаются выдать себя за природные, что и потребовало таких основательных и дорогостоящих исследований от De Beers.
Плохая новость в том, что если искусственный камень не обнаружили эксперты на уровне производства украшения, то в магазине вы это определить не сможете. Хорошая — в том, что вряд ли это сделает кто-то еще, так что вы никогда не узнаете, что вас обманули. Но сама возможность заставляет сильно нервничать не столько покупателей, сколько экспертов и ювелиров — все-таки репутация.
Сколько это стоит?
А вот теперь главный смысл трюка De Beers c брендом Lightbox. До вывода марки на рынок украшения с искусственными бриллиантами продавали несколько американских компаний (которые их же и производили), причем по цене лишь на 30% ниже, чем стоили натуральные камни.
Главным маркетинговым отличием и приманкой для покупателей стала экологичность и этичность лабораторных камней. Во всем остальном новые игроки использовали ту же идею продвижения («ценность для важных моментов жизни»), близкий дизайн, те же огранки. Проще говоря, «синтетика» попыталась сыграть на поле натуральных бриллиантов. То есть претендовала на кусок жирного рынка, который годами дорогостоящих рекламных кампаний вскармливали De Beers, воспитывая в покупателях желание инвестировать в бриллианты, платя за камни значительно больше их реальной стоимости.
«Синтетический» или «выращенный человеком»?
Синтетические бриллианты появились на рынке в крайне неудачном репутационном формате: пытаясь мимикрировать под натуральные в рамках большой партии натуральных мелких бриллиантов весом до полутора карат. А это, как и любое мелкое мошенничество, не могло породить доверия к идее в целом.
Впрочем, искусственные бриллианты довольно быстро поднялись до небольших ювелирных марок, радеющих за экологию и этичность. Самые известные из них — Diamond Foundry (инвесторы Леонардо ди Каприо и Мирослава Дума), Orro, Gordan Max, Innocent Stone, Carat и еще десяток других. Большинство производств расположено в Америке и Азии, хотя есть и одна довольно известная среди профессионалов лаборатория в Сестрорецке — именно здесь два года назад был выращен самый крупный искусственный синий бриллиант весом 5 карат.
Общими усилиями мысль о своеобразной уникальности и ценности синтетических бриллиантов удалось донести до журналистов, которые хватались за идею инновационности и этичности, а затем и до потребителей.
Алмазодобывающие компании объединились в попытках внушить общественности, что синтетические камни не имеют «ни души, ни божественного прикосновения». На рынок были выпущены рекламные кампании «Real is rare, real is diamond». При этом в рекламе показывают камень карат на 20 уникальной чистоты и прозрачности, а сама рекламная кампания, как мы понимаем, рассчитана на покупателей вполне ординарных бриллиантов максимум карат до двух, которые с трудом могут быть причислены к категории редких. Но вот парадокс: чем больше ювелиры и добывающие компании рассказывали о разнице в свойствах, «редкости» и «уникальности» природных камней, тем больше они способствовали популяризации синтетических. К концу года пресса сменила тон со снисходительного на уважительный: эпитет «синтетический» с явным негативным оттенком был вытеснен более привлекательным — «выращенный человеком». Диамантеры забеспокоились всерьез.
Запуская Lightbox, De Beers преследует две простые цели. Первая — создать синтетическим бриллиантам репутацию на уровне стразов — модно, дешево, несерьезно. И вторая, гораздо более важная — опустить их стоимость. Если последние два года цены на синтетику держались на 30% ниже, чем рыночная стоимость натуральных камней (то есть фактически на уровне биржевых цен), то Lightbox будет продавать украшения по цене на 85-90% ниже стоимости натуральных бриллиантов — по $ 200 за камень в четверть карата и $ 800 за карат. Для сравнения, по данным бюллетеня Rappaport за август 2018 года, 0,5 карата среднего качества натурального бриллианта стоит около $ 1500, а 1 карат — от $ 4000 до $ 6000 в зависимости от характеристик. Пока замысел De Beers напоминает короткий победоносный блицкриг, но время покажет.
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.
На сегодняшний день существует множество различных технологий получения кристаллов алмаза , для самых разнообразных целей применения, различной величины, окраски и прочности.
Алмаз есть не что иное, как чистый углерод с особой кристаллической решеткой.
Другим представителем чистого углерода на Земле является древесный уголь, графит.
Характеристика углерода:
Атомный вес углерода 12.011;
Порядковый номер в периодической системе Менделеева 6;
Количество электронов 6;
основная валентность 4;
При нормальном атмосферном давлении в жидкость не переходит;
При нагревании при нормальном давлении до температуры 3670 0 С, углерод;
переходит в газ, минуя жидкое состояние.
Характеристика алмаза:
Плотность 3.5 гр. см 2 ;
Преломление света 2,42 (Стекло 1, 8);
Твердость 2 000 000 усл. ед. (Сталь 30 000, стекло 40 000 относительно талька у которого твердость =1);
Температура перехода в графит в открытом воздухе - 1200 0 С;
Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 0 С;
Единицы измерения алмазов - карат. Один карат равен 0.2 грамма. Алмаз, размерами 1 x 1 см = 17,5 каратов;
В алмазе каждый атом углерода соединен с 4 другими атомами углерода и расстояние между ними строго одинаково = 1,54 ангстрем. Расположены атомы углерода в алмазе по углам правильного тетраэдра атомной кристаллической решетки.
Температура испарения углерода составляет 3670 0 С (диаграмма 1) критическая точка (Z) (температура 3670 0 С. давление -120 атм.) называется первой точкой тройного состояния.
В этой точке возможны переходы углерода в твердое, газообразное или жидкое состояние.
При повышении давления и температуры, получаем вторую тройную точку (D), в которой возможны состояние углерода в виде кристаллов (алмаз ), в виде жидкости и аморфном состоянии (графит).
Наилучший результат получения алмазов при переходе из жидкого состояния углерода в кристаллическое - снижение температуры, но по возможности, оставляя очень высокое давление. Огромное значение в технологии производства алмазов играют временные характеристики процесса.
Как было ранее отмечено, углерода в жидком состоянии при нормальных условиях (760 мм рт. столба и 20 0 С) не существует. Углерод в жидком состоянии возможен и существует только при давлении свыше 120 атм. и 3740 0 С. (диаграмма 1 ).
Из физических свойств алмаза следует отметить температуру возгорания в среде кислорода которая равна 670 0 С, в основном алмаз сгорает без остатка.
При нагревании алмаза свыше 1200 0 С без воздуха начинается процесс графитизации алмаза , это и происходит при неправильной технологии процесса производства алмазов .
Способы получения искусственных кристаллов алмаза
Первым способом получения искусственных алмазов является метод приближенный к естественному возникновению природных алмазов , это сочетание очень высокого давления и высокой температуры.
Первый способ самый надежный, но и самый технологически сложный
Ниже приводится одна из лабораторных установок по получению кристаллов алмаза максимально приближенной к предполагаемой природной схеме возникновения алмазов в земной толще - мощное давление, высокая температура.
Приложение 1.
 |
 |
Лабораторная установка по получению искусственных алмазов представляет собой пресс высокого давления. В корпус пресса вставляется рабочий цилиндр.
В этом цилиндре предусмотрены сверления для циркуляции хладагента, и отверстия для подачи воды под давлением. В этот корпус вставляется камера, выполненная из карбида тантала в которой размещают заготовку - графит который должен превратится в алмаз .
Предусмотрен подвод медных шин для подачи электрического тока к рабочей камере.
Технология получения алмаза происходит в несколько этапов.
Вначале, после установки цилиндра в пресс высокого давления, подается вода и происходит процесс предварительного сжатия графита давлением воды, примерно до 2-3 тысячи атмосфер. Вторым этапом подается хладоагент и замораживается вода до температуры минус 12 градусов Цельсия.
При этом происходит дополнительное сжатие графита до 20 тысяч атмосфер за счет расширения льда.
На следующем этапе подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0.3 секунды.
На заключительном этапе размораживают лед и вынимают алмазы .
Полученные подобным образом алмазы в основном грязного цвета, имеют пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая.
В большинстве своем прочнее естественных алмазов и в основном служат для технических целей.
Второй способ
Вторым способом, возможно технологически простым, но сложным по применяемой аппаратуре является способ наращивания кристаллов алмаза в среде метана (СН 4).
При этом методе кристалл алмаза нагревают до температуры 1111 0 С. и обдувают метаном. Давление в рабочей камере может быть небольшим, порядка 0,1 технической атмосферы. Это давление в основном служит для препятствия проникновения в камеру атмосферного кислорода.
Необходимо помнить, что начиная с 1200 0 С алмаз начинает свой переход в состояние графита (без доступа кмслорода).
Процесс наращивания кристалла алмаза происходит на раскаленной поверхности алмаза путем добавления атомов углерода в существующую кристаллическую решетку затравочного кристалла алмаза. Количество выделенного углерода (алмаза) 0.2 % от поверхности затравочного кристалла за один час.
Форма кристаллов получаемая подобным способом кубическая, в отличии от природной тетраэдрической, цвет черный, прочность сопоставима с естественными алмазами. По своей сути это чистый карбид, но называется алмазом в связи с очень высокой твердостью полученных кристаллов, и в связи с тем, что в качестве затравочного кристалла используют настоящие алмазы.
Третьим способом получения алмазов является метод взрыва
При этом способе получают очень мелкую алмазную пыль для производства заточных камней, абразивов. Применяют или взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока.
Для получения плотной детонационной волны необходима мембрана которая рвется со скоростью звука в том металле из которого изготовлена мембрана (для железа это - 5000 м/сек.).
«Подогретый» графит, находящийся на так называемой "сковородке" в момент прохождения детонационной волны превращается в кристаллы алмаза .
Этот способ дает выход продукции намного больше в процентном отношении от количества графита, чем способ высокого давления.
Кристаллы получаются бесцветные, чистейшей воды, прозрачные, но очень мелкие (30 - 50 мкрн.). Форма кристаллов тетраэдрическая прочность сопоставима с природными алмазами .
Сущность данного способа получения алмазов , методом взрыва, заключается в том, что при подрыве взрывчатого вещества в замкнутом пространстве, детонационная волна при ударе с препятствием на пограничном слое, ударная волна - препятствие, создает одновременно и высокое давление и высокую температуру. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура десятки тысяч градусов. К сожалению (или к счастью) все это по времени укладывается в миллионные доли секунды и размеры (толщина) детонационной волны не превышает 10-30 микрон.
В момент разрыва мембраны ударная волна приобретает «плотность» и своего рода такое качество как - гомогенность.
Некоторые кристаллики алмазов получаемые подобным способом могут иметь в диаметре до 50 мк. Большое значение в данном способе имеет положка на которой расположен подогретый графит и толщина рабочего слоя.
Интересны эксперименты по «вторичному» прессованию полученных алмазов тем же способом взрыва, по принципу порошковой металлургии. В данном случае, в алмазном производстве , можно получить кристаллы различного размера и веса из алмазного порошка. В подавляющем большинстве кристаллы мутного цвета. Отмечается хрупкость полученных вторичных кристаллов алмаза . Прочность намного ниже естественных, при обработки возможны «сюрпризы». В данном случае жадность может сгубить идею в самом прямом смысле этого понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон .
В четвертом способе получения алмазов применяют катализаторы
Применение катализаторов в алмазном производстве значительно помогает сократить величину давления и температуру. Кристаллы алмаза образуются в разделительном слое между раскаленным графитом и пленкой металла катализатора. При соответствующих подборах технологий можно получать до 50 граммов технических алмазов за один технологический цикл.
Как видим, из диаграммы 3 , приложение 3
Возникающие на границе перехода графит - катализатор, кристаллы алмаза
продолжают свой рост при неизменных условий в рабочей камере до тех пор пока пленка из металла катализатора продолжает соединяться с графитом.
Приложение 3
Рост кристаллов продолжается и в самом легирующем металле за счет проникновения атомов углерода через тонкую пленку металла.
Искусственные алмазы полученные подобным способом представляют собой очень мелкие кристаллы (30 -200 микрон ).
Полученные при низких температурах кристаллы алмазов имеют квадратную форму строения кристаллов, черного цвета, по прочности равны или превосходят естественные.
Кристаллы полученные при высоких температурах и больших давлениях имеют октаэдрическую форму, цвет различен - желтый, синий, зеленый, белый, прозрачные и непрозрачные кристаллы. По прочности равны или превосходят естественные алмазы. Влияние катализаторов на цвет очевидно. Примесь никеля в кристаллах алмаза придает алмазу зеленоватые тона, присадки бериллия придают алмазам синие тона расцветки.
Следует отметить, что по твердости нет в мире элемента тверже алмаза , хотя по другим свойствам он может уступать некоторым искусственным элементам. В таблице приведены элементы которые могут дать более полное представление о некоторых свойствах алмаза в сравнении c другими земными элементами.
Искусственный бриллиант — это не подделка натурального, обработанного алмаза. Это промышленное изделие, у которого структура и свойства натурального камня.
Свойства синтезированных бриллиантов
Готовый бриллиант вырастить нельзя, потому что так называется продукт обработки алмаза, натурального или полученного в процессе синтеза. У минерала и лабораторного двойника невзрачный вид, и только после огранки они становятся бриллиантами.
Искусственно выращенный бриллиант сложно отличить от натурального. Встречаются камни такого качества, что их трудно идентифицировать даже в геммологической лаборатории. И цена у них соизмерима с природным материалом.
Почему искусственно выращенные кристаллы нельзя назвать подделкой алмазов? А потому, что они изготавливаются по специально созданным технологиям, чтобы не просто быть похожими, а повторить характеристики натурального минерала. Искусственные бриллианты приобретают следующие аналогичные качества алмаза:
- твердость;
- блеск;
- коэффициент преломления, как у воды;
- одинаковый удельный вес;
- высокая теплопроводность.
Так как же отличить ограненные алмазы натурального происхождения от бриллиантов, искусственно выращенных на производстве? Для дифференцирования обращают внимание на следующие свойства камней, полученных в ходе технологического процесса:
- Реагирование на сильное магнитное поле.
- Под микроскопом, даже с двадцатикратным увеличением, трудно найти изъян в камне.
- Зернистая структура кристалла, которую видно при увеличении образца в 80 раз.
- Желтоватый оттенок, который оставляет азот.
- Отсутствие минеральных включений.
- Спектральный анализ покажет присутствие металлов-катализаторов (если таковые применялись).
Но точный результат дает только инфракрасная или лазерная спектрометрия. На ювелирном рынке природные ограненные алмазы наполовину заменили культивированными. Обычно это камни размерами до 1 карата. Более крупные синтезировать невыгодно: такое производство трудоемкое и дорогое, хотя по новым технологиям в России вырастили искусственный алмаз темно-синего цвета с массой 10,07 карата.
Технологии алмазного производства
Чтобы вырастить алмаз из микроскопических фракций, используются 2 способа:
- Термобарический метод. В барокамеру помещается алмазная пудра, на которую воздействуют высоким давлением и горячим воздухом. При этом используются пленки металлов как катализаторы. Время цикла 7-10 дней.
- Метод CDV. Алмазное семя располагают в вакуумной камере, содержащей метан. Электрическая дуга разрушает молекулы газа, атомы углерода оседают на исходном материале и кристаллизуются. Камни вырастают за 4-5 дней.
У синтезированных и натуральных алмазов одинаковая составляющая — углерод. Только натуральный минерал формируется долго (как он образуется — неизвестно), а выращивают в лаборатории за несколько дней, что позволяет удовлетворять спрос не только ювелирного рынка, но и промышленного.
На этом процесс производства не заканчивается. Получаемые образцы имеют шероховатую поверхность черного цвета. Но это убирается шлифовкой, а после огранки камень сверкает.
Впервые алмаз синтезировали во второй половине прошлого столетия. Оборудование для него было таким дорогим, что добыча обходилась дешевле. Дальнейшее развитие отрасли позволило сделать стоимость синтетических кристаллов в десятки раз меньше.
Искусственные и фальшивые
Искусственные бриллианты ценятся высоко, мошенники их редко предлагают вместо настоящих. Есть камни, которые за яркий блеск принято называть заменителями алмазов:
- Фианиты — уступают в прочности муассанитам, с годами мутнеют, имеют синтетическое происхождение.
- Цирконы — синтезированные камни, не являются драгоценными.
Имеют бриллиантовый блеск бесцветный сапфир, рутил, фабулит, иттрий, галлий, кристаллы Сваровски, акриловые полимеры. Они называются подделками или фальшивками, потому что у них другая структура и свойства. Самый похожий на бриллиантовый кристалл — натуральный минерал муассанит. У него высокая прочность, блеск и сияние сохраняются на долгие годы.
У выращенных камней 3 базовых цвета: желтый, синий и бесцветный. Эти цвета не меняют своей насыщенности со временем. Легче выращивать желтые камни, поэтому они более крупные (до 2 карат). Встречаются оранжевые кристаллы. Такой цвет дают примеси азота при попадании в кристаллическую решетку. Сложнее выращивать голубые бриллианты (цвет дают примеси бора). Их размер не превышает 1,25 карат.
Бесцветные алмазы вырастить сложно, потому что нельзя допустить попадания примесей, дающих окраску. Такие кристаллы менее доступны, весят не более 1 карата. Чтобы сделать бриллианты других цветов (розовые, красные, зеленые), проводится специальная обработка уже после выращивания. Цветность кристалла обозначается цифрой. У бесцветного — цифра 1. Но это редкие камни и они носят название бриллианта чистой воды.
Производство искусственных алмазов востребовано. Кроме изготовления ювелирных изделий, их используют в медицине, строительстве, электронике, нанотехнологиях. Культивированные бриллианты — высокочистые камни, имеют безупречный вид, большую схожесть с натуральными.