Алмаз – минерал и единственный драгоценный камень, состоящий из одного элемента. Название, возможно, происходит от греч. «адамас» (непобедимый, непреодолимый) или от арабского «алмас» (персидское «элма») – очень твердый. Алмаз – это кристаллический углерод. Углерод существует в нескольких твердых аллотропных модификациях, т.е. в различных формах, имеющих разные физические свойства. Алмаз – одна из аллотропных модификаций углерода и самое твердое из известных веществ (твердость 10 по шкале Мооса).
Прикрепленные файлы: 1 файл
Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счет кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных пленок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.
Кристаллическая решетка (строение) алмаза — 3D-анимация
Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью.
Однако подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов. Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, т.е. уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Основными типами огранки являются: круглая (со стандартным числом 57 граней) и фантазийные, к которым относятся такие виды огранки как «овальная», «груша» (одна сторона овала — острый угол), «маркиза» («овал с двумя острыми углами», в плане похож на стилизованное изображение глаза), «принцесса», «радиант» и проч.
Форма огранки бриллианта зависит от формы исходного кристалла алмаза. Чтобы получить бриллиант максимальной стоимости, огранщики стараются свести к минимуму потери алмаза при обработке. В зависимости от формы кристалла алмаза, при его обработке теряется от 55 % до 70 % веса. Пропорционально этому увеличивается цена (но не стоимость!) бриллианта. Так из алмаза весом 1 карат, стоимостью 100 долл. и ценой 100 долл. за карат при 50 % «выхода годного» будет получен бриллиант весом 0,5 карата, стоимостью 100 долл. (учитывая только издержки на сырье, без других расходов) ценой 200 долл. за карат.
Рис. 10. Виды огранки алмазов.
Применительно к технологии обработки, алмазы можно условно разделить на три большие группы: — «соублз» (как правило кристаллы правильной октаэдрической формы, которые вначале должны быть распилены на две части, при этом получаются заготовки для производства двух бриллиантов); — «мэйкблз» (кристаллы неправильной или округлой формы, подвергаются огранке «одним куском»); — «кливаж» (содержат трещину и не распиливаются, а раскалываются перед дальнейшей обработкой).
215. Строение кристаллической решетки алмаза.
Основными центрами огранки бриллиантов являются: Индия, специализурющаяся преимущественно на мелких бриллиантах, массой до 0,30 карата, производит ежегодно этого товара на 7 млрд долл.; Израиль, гранящий бриллианты массой более 0,30 карата, стоимостью около 2,5 млрд долл. в год; Китай, Россия, Украина, Таиланд, Бельгия, США. Производство в пяти последних из перечисленных стран находится на уровне 0,5-1 млрд долл. При этом в США производят только крупные высококачественные бриллианты, в Китае и Таиланде — мелкие, в России и Бельгии — средние и крупные. Подобная специализация сформировалась в результате различий в оплате труда огранщиков.
Для имитации алмазов используется бесцветный циркон, синтетический рутил, титанат стронция, синтетические бесцветные шпинель и корунд, алмазные дублеты и свинцовое стекло; а также синтетические иттрий – алюминиевый гранат, гадолиний – галлиевый гранат и кубический оксид циркония. Все эти соединения мягче алмаза, не обладают характерной голубой люминесценцией, отличаются по показателю преломления. Облучение алмазов в ядерных реакторах позволяет превращать бесцветные или желтые камни в более дорогие зеленые и голубые.
Рис. 11. Кольцо с бриллиантом.
Эффективная диагностика и имитация алмазов проводится «алмазным щупом», действие которого основано на определении уникальной теплопроводности алмаза, превышающей теплопроводность серебра и меди: при этом возможна проверка даже очень мелких камней, закрепленных в глубокой оправе. Используется также «алмазный карандаш», заправленный специальными чернилами, оставляющими на поверхности хорошо смачивающегося жиром алмаза сплошную черту, тогда как на имитациях чернила собираются в отдельные капельки.
Чистота абразивных порошков из алмазов проверяется рентгеновским и люминесцентным методами; синтетические порошки обычно обладают магнитными свойствами, выявляемыми мощными магнитами или электромагнитами. Рис. 12. Ограненный алмаз.
Рис. 13. Обработка алмазным инструментом: а) резание; б) шлифование; в) сверление.
Алмазный инструмент (рис. 13) получил широкое распространение благодаря уникальным свойствам алмазов, закрепленных на его поверхности. Закрепление алмазов может осуществляться гальваническим способом, спеканием и прессованием. Материал посредством которого алмазы закрепляются на поверхности режущего инструмента называется связкой. Тип алмазов, их концентрация и свойства связки определяют ресурс и производительность инструмента.
Рис. 14. Резание алмазным инструментом
С – глубина заделки алмаза в связующий материал; Т – глубина погружения алмаза в обрабатываемый материал; З – зазор между связкой и материалом; V – направление движения инструмента.
При резании (рис. 14) алмазные зерна разрушаются, а связка истирается. Если связку выбрать слишком жесткой – она будет изнашиваться медленнее алмазов и будет происходить так называемое засаливание (падение производительности за счет недостаточной обнаженности алмазов). Если связку выбрать слишком мягкой – она будет изнашиваться быстрее алмазов и они будут выпадать из алмазоносного слоя не отработав свой ресурс. Таким образом, для поддержания режущей способности инструмента связка должна изнашиваться пропорционально износу алмазных зерен.
Для лучшего удаления разрушенного материала инструмент выполняют в виде сегментов (рис. 15).
Рис. 15. Сегменты алмазного инструмента: а) дисковая пила; б) шлифовальный круг; в) тросовая пила.
Для обработки твердых материалов используют монокристаллы алмаза (рис. 16). Они обладают высокой изломостойкостью, обеспечивают малую поверхность трения и длительный срок работы инструмента. Поликристаллы дешевле монокристаллических зерен, поэтому их используют для обработки сравнительно мягких материалов.
Рис. 16. Внешний вид кристаллов алмаза:
а) монокристаллических; б), в) поликристаллических.
Итак, мы рассмотрели строение и свойства алмазов, их происхождение и нахождение в природе. Подробно остановились на производстве и применении как природных, так и синтетических алмазов.
Освоение производства синтетических алмазов является подлинной технической революцией для многих отраслей промышленности, т.к. работать с применением алмаза значит работать быстрее, выпускать продукцию высшего качества при меньшей себестоимости.
Если алмазы были раньше дефицитными и имели ограниченные области применения, то с развитием производства синтетических алмазов они стали доступны любой отрасли промышленности, любому предприятию. В настоящее время во всех странах ведутся исследования по широкому внедрению искусственных алмазов в промышленность и изыскание новых областей, где натуральные алмазы смогут быть заменены искусственными.
Ведутся исследования по улучшению свойств синтетических алмазов: снижению хрупкости, увеличению размера кристаллов, получение монокристаллов, что позволит внедрить искусственные алмазы во все новые отрасли промышленности и приведет к все возрастающему увеличению производства синтетических алмазов, возможности которого безграничны.
Одновременно с этим в настоящее время еще многие области, где натуральные алмазы не могут быть полностью заменены синтетическими — это процессы, где применяются большие скорости подач и имеют место высокие удельные давления, при бурении, резке и других операциях.
Синтетические алмазы пока не применяются для изготовления однокристаллического и многокристаллического алмазного инструмента, где требуются большие размеры кристаллов для изготовления стеклорезов, резцов, сверл и др. Кроме того 20% всего количества добываемых натуральных алмазов являются ювелирными алмазами.
Таким образом, увеличение добычи натуральных алмазов обеспечивает широкое применение алмазов во всех областях промышленности. Применение натуральных алмазов в промышленности приносит от 25 до 80, а иногда до 200 долл. экономии на каждый используемый карат. Кроме того, натуральные ювелирные алмазы являются драгоцейнешим экспортируемым материалом.
Натуральные алмазы могут рассматриваться как стратегический материал: изготовление точнейших деталей и приборов, сложнейшие задачи электронной техники решаются только с применением алмазов.
Поэтому следует считать, что с освоением процесса синтеза алмазов роль и значение натуральных отнюдь не уменьшились. Расширение и увеличение добычи натуральных алмазов во всех странах остается чрезвычайно актуальной проблемой, и увеличение добычи натуральных алмазов может также рассматриваться как одно из условий увеличения промышленного потенциала и технического уровня любой страны.
Источник: www.referat911.ru
Кристаллическая решетка алмаза и его свойства
Алмаз — это минерал, который является кристаллической модификацией чистого углерода (С). Алмаз обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности.
Известны три кристаллические модификации углерода: кубическая (сам алмаз) и две гексагональные — графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и получена искусственно.
Кристаллическая решетка алмаза
Элементарная ячейка структуры алмаза имеет форму куба. Если говорить более научным языком, то алмаз кристаллизуется в кубической системе (так называемой «сингонии»).
В каждой вершине этого куба расположено по атому. По одному атому находится в центре каждой грани, четыре — внутри куба. Каждый из атомов, расположенных в центрах граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, находящихся в вершинах куба,— общим для восьми ячеек. Кубическая система — самая плотная упаковка атомов.
Попробуем выразить ту же мысль еще одним способом. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими соседями, симметрично расположенными по его вершинам (тетраэдра), наиболее «прочной» химической связью — ковалентной.
Различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная.
Идеальный кристалл алмаза можно представить себе как одну гигантскую молекулу.
В результате получается очень плотное расположение атомов, прочные связи между которыми в структуре алмаза обусловливают его исключительную твердость и другие характерные свойства.
Аллотропные модификации камня
Если химический состав алмаза — углерод в чистом виде, то стоит выяснить, что это за элемент, а также разобраться в его модификациях и физических формах. Согласно мнению ученых, это вещество изначально входило в газовое облако, из которого постепенно образовывались планеты. Так или иначе, в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в каком-то агрегатном состоянии.
Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также по одной из теорий происхождения человека считается, что углерод — один из четырех макроэлементов, являющихся «стройматериалом» тела.
Наиболее известные модификации одного углерода называют так:
- алмаз — наиболее дорогая форма;
- графит — известное вещество, которое используется в промышленности;
- карбин;
- лонсдейлит — содержится в метеоритах;
- фуллерены — наиболее молодые формы, которые были открыты;
- углеродные нанотрубки — применяются в каркасах к наноизделиям;
- графен;
- уголь — вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для получения тепла;
- сажа.
Казалось бы, что общего может быть у кристально чистого алмаза с графитом или углем? А вот состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Притом, что кроме углерода, в веществах ничего нет.
Вполне реально, что кроме этих элементов, существуют другие не открытые формы. А их исследование во многом зависит от алмазов, поскольку во время работы с этим драгоценным камнем ученые пытаются расшифровать его структуру, чтоб производить искусственно, и, вместе с тем, находят новые модификации элемента.
Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает весь видимый спектр через себя. Но ничего идеального в природе не существует. Поэтому даже у такого кристалла могут быть примеси в решетке.
Если рассматривать наиболее чистые экземпляры камня, то там содержится до 1018 атомов на 1 кубический сантиметр. И это нормальное явление, поскольку количество примесей зависит от процессов, в которых рос камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.
Среди примесей встречаются такие элементы, как:
- азот;
- кремний;
- кальций;
- магний;
- бор;
- алюминий.
Конечно, если их много, то от этого страдает чистота камня и, соответственно, падает стоимость. Или же такие алмазы направляют для использования в промышленность. При этом в алмазах встречаются не только твердые, но и жидкие и даже газообразные формы включений.
Они могут располагаться неравномерно, а также скапливаться в центре либо на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, на его оттенок и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминисцентность алмаза.
По спектрам поглощения в ИК- и УФ-диапазонах выделяют три типа алмазов:
- Первый тип. В них азот содержится либо в виде пар атомов и плоских встроек, либо в виде одиночных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
- Второй тип. В них азот, как правило, отсутствует. В подтипе IIа нет примесей, а в подтипе IIб присутствуют атомы бора.
- Третий тип может включать в себя примеси кремния.
Синтетические алмазы
Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на синтетическое произведение алмазов. И у них отчасти это получилось, хотя сам процесс нельзя назвать легким. С химической точки зрения, тот же графит, например, должен получить сигма-связи.
Такие условия воссоздать можно только в самых мощных лабораториях под действием больших температур и давления.
- HPHT — тип алмаза получается из растворения графита и оседания его в катализаторе на затравочном минерале. После этого вещество начинает выстраивать необходимые связи.
- CVD тип — основывается на пленочном осаждении графита с использованием паров метана.
- Метод взрывного синтеза — наиболее естественный, с использованием углерода под высоким давлением.
Пока даже эти методы осуществляются с трудом, поэтому стоимость алмазов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.
Свойства алмазов
Благодаря своему составу и строению, алмаз получил такие свойства, как:
- Стойкость к воздействию химических веществ, кислот, щелочей.
- Наивысшая твердость вещества (абсолютный показатель, который равняется 10 по шкале Мооса), но при этом хрупкость камня.
- При нагреве без доступа кислорода взрывается и превращается в графит, а дальнейшее плавление алмаза аномально. С кислородом температура плавления находится на уровне 4 тысяч градусов по Цельсию.
- 20-24 Вт/см — это показатель теплопроводности. Настоящий алмаз не нагреется, даже если его долго держать в руке.
- Алмаз отлично подходит в роли изолятора.
- Камень обладает уникальным свойством преломлять лучи и при этом светиться.
Если говорить об отличиях алмаза и графита, самого доступного для нас вещества, то стоит сказать, что свойства разнятся из-за строения кристаллической решетки. О строении алмаза уже известно, а вот у графита ситуация обстоит по-другому.
Его кристаллическая решетка имеет два типа связи: ковалентная сигма-связь находится только в одной плоскости, а в других плоскостях связь между атомами не такая устойчивая — ковалентная пи-связь.
Такое строение позволяет электронам графита перемещаться на другие уровни, а также этот эффект объясняет наличие металлических свойств графита. Решетка алмаза и графита обусловила свойства и применение каждого вещества.
В природе алмаз встречается в кимберлитовых и лампроитовых трубках. Считается, что камень сформировался под действием магмы, также есть версия о космическом происхождении алмаза. Сейчас основная добыча камня ведется в ЮАР, а также в Бразилии, Австралии и России, в частности, в Якутии.
Если позволяют внешние и химические свойства, то камень отправляется к ювелирам. В остальных случаях его используют в промышленности. В производстве используют такие типы, как: борт, баллас и карбонадо. Широко используются в качестве абразивов.
Камень замечательно нашел свои сферы применения. А вот его свойства, происхождение и строение решетки продолжает активно изучаться. Но пока ученые не смогли до конца понять все тонкости этого минерала.
Источник: vseprokamni.ru
Физическая классификация природных алмазов. Свойства алмаза и его имитации.
Алмаз – природный минерал, состоящий в основном, из чистого углерода кристаллического строения в изометрической (кубической) кристаллографической системе, не подвергшийся искусственному воздействию на кристаллическую решетку. Твердость по шкале Мооса – 10;, удельный вес (плотность) – примерно 3,52 г/ см3, показатель преломления примерно 2,42. Встречается в виде кристаллов, двойников, сростков, микрокристаллических агрегатов. Применяется в ювелирном деле (ювелирный) и технике (технический).
Химическая формула: С (самородный кристаллический углерод).
Спайность: совершенная.
Сингония: кубическая (кристаллы октаэдрического, переходного и ромбододекаэдрического габитуса).
Твердость: 10 (самый твердый) У алмаза наблюдается анизотропия твердости, выражающаяся в том, что на разных гранях и в различных направлениях твердость несколько отличается. Это связано с особенностями структуры.
Наименее износоустойчивыми направлениями, по которым и обрабатывают алмаз, являются следующие: в плоской сетке куба – направления, параллельные сторонам кубических граней, в плоской сетке октаэдра – направления, соответствующи высотам треугольных граней.. В свою очередь, твердость октаэдрических граней больше твердости ромбододекаэдрических и еще выше – твердость кубических граней. Износостойкость алмазов колеблется в широких пределах, средняя износостойкость алмаза в несколько раз выше износостойкости широко известных абразивных материалов – карбидов бора и кремния. Абразивная способность материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного абразива. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида борг составит 0,5-0,6, а карбида кремния 0,2-0,3.
Плотность: 3,47 (камни «чистой воды») – 3,56 г/см».
Излом: ровный, ступенчатый, раковистый.
Прозрачность: прозрачный.
Светопреломление: n = 2,417 (бесцветные), n = 2,46 (с увеличением примесей).
Дисперсия: 0,044.
Блеск: сильный алмазный (сочетание высокого светопреломления и исключительной твердости).
Плеохроизм: отсутствует.
Абсорбция (отчетливые линии): 478 нм (бесцветные); 504 нм (коричнево-желтые).
Люминесценция: у бесцветных – голубая, коричневых – зеленая, розовая.
Абразивная способность алмаза велика. Так, абразивная способность карбида бора – 0,5…0,8, карбида кремния 0,25…0,45, электрокорунда 0,14…0,16 от абразивной способности алмаза.
Микротвердость 100,6 ГПа.
Модуль упругости (в МПа) алмаза равен 88254 (у карбида бора около 294180, карбида кремния 357919, твердого сплава до 588360). Этим объясняется способность алмаза деформироваться при воздействии на обрабатываемый материал. В связи с этим при алмазной обработке материалов удельное давление и температура в несколько раз ниже, чем при использовании других абразивов.
Температура плавления. Не плавится в нормальных условиях. Температура плавления – около 4000° С. При нагревании алмаз сгорает, образуя углекислый газ. В струе кислорода он горит голубым пламенем при температуре около 720° С, в атмосфере воздуха температура горения 850° С.
1) Гадолиниево – галлиевый гранат (ГГГ):
цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (содержит марганец), желтый (празеодим), сиреневый (неодим), зеленый (хром или кобальт),
метод синтеза: метод вытягивания Чохральского
2) Иттриево – алюминиевый гранат (ИАГ):
форма кристаллов: длинные столбчатые диаметром 3,75 см (в основном производятся для использования в лазерах)
цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (содержит марганец), розовый (эрбий), желтый (иттербий), бледно – зеленый (празеодим), изумрудно-зеленый
(хром), голубой (кобальт)
метод синтеза: Метод вытягивания Чохральского и раствор-расплавный метод.
3) Кубический диоксид циркония – ФИАНит
Цвет: Бесцветный (имитация алмаза), густо – красный (окрашен примесью церия), розовый (эрбия), желтый, оранжево- коричневый (церия), зеленый, сиреневый (неодима), голубой, лиловый; некоторые цвета связаны с присутствием переходных элементов
Метод синтеза: метод гарниссажа
Ниобат лития
Цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (с примесью железа), желтый
(никеля или марганца), зеленый (хром), сине- фиолетовый (кобальт)
Метод синтеза: метод вытягивания Чохральского
Ортоаллюминат иттрия
Прочие имитации: муассонит, сапфир, иаг, фианит, шпинель, топаз, берилл, циркон, синтетический рутил, фабулит, линобат, стекло.
Художественные средства композиции: свет, тон и текстура материала в дизайне декоративно-художественных и ювелирных изделий.
Дизайн декоративного изделия отчасти состоит в назначении различным его составляющим известного физического материала. Этот материал может иметь неповторимые оптические и геометрические свойства. Так, важным свойством материала является полнота отброса эти материалом луча света, попавшего на его участок под известным углом.
Эта полнота имеет физическое значение, собственное для каждого сочетания участка и угла падения. Значение это представлено совокупной долей отброшенного участком света и характером распыления этого луча в окружающее пространство. Первое определяет видимую светлоту материала, второе – его глянцевитость и зеркальность. Различие этого светоотбросного значения между различными участками материала определяет видимую неоднородность его поверхности – текстуру этой поверхности.
Светоотбросное значение участков материала разнится для различных цветов лучей, падающих на этот участок. В отброшенном свете может преобладать какая-то доля упавших на участок лучей с известной длиной волны. Такое явление определяет цветовое ощущение от участка поверхности – его тон.
Текстура любого материала часто определена его объёмной структурой и происхождением его поверхности. Текстура является пространственно распределённой характеристикой, причём в большинстве случаев – двумерной, а трёхмерной – лишь в случае отброса света не только внешним слоем материала, но и некоторыми более глубокими слоями.
В ходе машинного синтеза изображения изделия из известного материала имитация текстуры этого материала осуществляется поверхностно–накладным или объёмно–секущим способом. Накладной способ состоит в принятии готового изображения за закон распределения светоотбросной характеристики по участкам изделия. При этом применяется либо универсальное проективное, либо требующее клетчатого строения поверхности аффинно–наложительное соотнесение участков текстурно–имитационного изображения с участками поверхности изделия. Секущий способ состоит в построении текстурного распределения светоотбросной характеристики по поверхности изделия путём сечения этой поверхностью сплошного объёма, распределяющего по своим участкам светоотбросные характеристики.
Источник: infopedia.su