Синтез алмазов

Классификация минералов

Синтетические алмазы это
История
Способы выращивания алмазов
Видео

Синтетические алмазы (также известные как алмазы, созданные в лаборатории или лабораторно-выращенные алмазы) — это алмазы, получаемые в результате искусственного процесса, в отличие от натуральных алмазов, создаваемых в результате геологических процессов.

Термин «синтетические» считается достаточно неудачным. Федеральная торговая комиссия США предложила альтернативные термины: выращенные в лаборатории, созданные в лаборатории. По их словам, эти термины «будут точнее выражать происхождение камня», так как термин синтетические обычно ассоциируется у потребителей с продуктами, имитирующими оригинал, тогда как произведенные искусственно алмазы являются аутентичными, т.е. чистым углеродом, кристаллизованным в трехмерной изотропической форме.

История

Множество заявлений о синтезе алмазов были задокументированы между 1879 и 1928 годами; большинство этих заявлений были тщательно проанализированы, но ни одно из них так и не подтвердилось. Впервые воспроизводимый синтез был выполнен в 1953 году. Эти два метода и по сей день доминируют в производстве синтетических алмазов.

Овсей Ильич Лейпунский, советский физик, выполнил термодинамический расчет линии равновесия графит-алмаз, что послужило основой синтеза алмаза из графито-металлической смеси в аппаратах высокого давления (АВД). Метод HPHT.
В США, Швеции и СССР начались систематические исследования по выращиванию алмазов с помощью методов CVD и HPHT.

Метод HPHT для искусственного получения алмазов впервые был осуществлен в лаборатории фирмы АСЕА (Швеция).

В лаборатории американской фирмы «Дженерал Электрик» и в 1960 — в Институте физики высоких давлений АН СССР (ИФВД) группой исследователей под руководством Леонида Фёдоровича Верещагина. Этот метод применяется во всём мире до сих пор.

Основываясь на научных результатах в синтезе алмазов, полученных в ИФВД, Валентин Николаевич Бакуль в Киеве в ЦКТБ твердосплавного и алмазного инструмента организовал выпуск первых 2000 карат искусственных алмазов; с 1963 г налажен их серийный выпуск.

Появились первые публикации фирмы «DuPont» о получении алмаза (размер до 100 мкм) методом ударно-волнового нагружения с использованием энергии взрыва

Прямой фазовый переход графит → алмаз зафиксирован при ударно-волновом нагружении по характерному излому ударной адиабаты графита.

В СССР реализован метод ударно-волнового нагружения с использованием энергии взрыва в Институте сверхтвердых материалов АН Украины.

Способы выращивания алмазов

1. HPHT. В аппаратах высокого давления.

HPHT расшифровывается как »высокие давление и температура (high-pressure high-temperature). В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах. Этот способ для синтеза состоит в использовании системы металл (растворитель) — углерод (графит) при воздействии высоких давлений и температур, создаваемых с помощью прессового оборудования в твердосплавных АВД. Алмазы кристаллизуются при охлаждении под давлением из расплава, представляющего собой образующийся при плавлении металло-графитовой шихты пересыщенный раствор углерода в металле. Синтезируемые таким образом алмазы отделяют от спёка шихты растворением металлической матрицы в смеси кислот. По этой технологии получают алмазные порошки различной зернистости для технических целей, а также монокристаллы ювелирного качества.

2.  CVD — химическое осаждение из пара (chemical vapor deposition).

Современные способы получения алмазов из газовой фазы и плазмы, в основе которых лежат пионерские работы коллектива научных сотрудников Института физической химии АН СССР (Дерягин Б.В., Федосеев Д.В., Спицын Б.В.), используют газовую среду, состоящую из 95 % водорода и 5 % углеродсодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз (CVD). Температура газа от 700—850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 до 180 мкм/час на подложке. При этом алмаз осаждается на подложке из металла или керамики при условиях, которые в общем стабилизируют не алмазную (sp3), а графитную (sp2) форму углерода. Стабилизация алмаза объясняется в первую очередь кинематическими процессами на поверхности подложки. Принципиальным условием для осаждения алмаза является возможности подложки образовывать стабильные карбиды (в том числе и при температурах осаждения алмаза: между 700 °C и 900 °C). Так, например, осаждение алмаза возможно на подложках из Si, W, Cr и невозможно (напрямую, либо только с промежуточными слоями) на подложках из Fe, Co, Ni.

3. Детонационный.

Технология получения алмазов методом детонационного нагружения при взрыве веществ, с отрицательным кислородным балансом, при котором алмазы образуются непосредственно из используемых продуктов. Это наиболее дешёвый способ получения алмазов, однако, «детонационные алмазы» очень мелкие (менее 1 мкм) и пригодны лишь для абразивов и напылений.

4. Обработка графита ультразвуком.

Метод был продемонстрирован в лабораторных условиях, но пока не снискал коммерческого успеха.

Видео

Фильм «Бриллианты». Москва24.

«Как выращивают синтетические алмазы»

«Большой скачок» — научно-популярный цикл передач о достижениях российских ученых, уникальных разработках, технологиях будущего и настоящего, детальном рассмотрении обыденных вещей и процессов.

«Выращивание крупных алмазов в лаборатории»
Discovery Channel