Каталог
  

Технология производства синтетических алмазов


Синтетические алмазы

Драгоценный природный алмаз хоть и имеет простой состав который представляет из себя одну из двух модификаций чистого кристаллического углерода но сделать искусственный алмаз не так просто. Углерод не переходит в жидкое состояние при нагреве так как он соединяясь с кислородом начинает гореть даже не начав плавится. В 1880 году Хенней сделал попытку чтобы проверить один метод получения искусственных алмазов. Хенней взял за основу свойство углеродосодержащего газа при нагревании под давлением при наличии калия, лития, натрия или магния водород соединяется с металлом, а углерод оседал в виде твёрдых чешуек. Хенней подумал, что таким образом возможно углерод будет кристаллизоваться в форме алмаза. Однако трубки не выдерживали и взрывались от высокого давления которое создавалось высокой температурой. Экспериментальным путём используя всё более толстые трубки и различные исходные материалы Хенней пришёл к выводу, что только литий даёт существенный результат. Он взял 4 мг лития и смесь из 90 процентного парафинового спирта и 10 процентного очищенного костяного масла и в результате получил твёрдую однородную массу прилипшую к стенкам и ко дну трубки. Сняв эту массу и размельчив её Хенней в ней обнаружил мелкие кусочки которые оказались алмазами.

Природные и синтетические алмазы почти не различимы

Это подтвердил анализ проведённый в британском музее естественной истории хранитель минералов Стори Мэскилин. Однако в то время еще не было современного оборудования и совершенных способов определения кристаллических структур таких как Х-лучей. В 1943 году в Британском музее естественной истории в отделе минералов были обнаружены двенадцать небольших частиц с этикеткой на которой указывалось, что эти частицы были представлены Хеннеем в музей в 1880 году. Но к сожалению эти частицы не были внесены в главный реестр отдела минералов и не было к ним каких-либо пояснительных записок от Стори-Мэскилина кроме описания этих частиц. Поэтому не совсем ясно на самом ли эти частицы получил в своём опыте Хенней или нет. Исследователи решили что именно эти частицы получил Хенней так как по описанию Стори-Мэскилина они были схожи, у них была необычная полосчатость на плоскостях спайности. 1о частиц были простыми алмазами, 1 частица оказалась очень редким алмазом и 1 частица тёмно жёлтого цвета с двупреломлением оказалась керамическим веществом. Немного позже Муссан начал изучать способность углерода растворяться в различных расплавленных металлах и надеялся, что при охлаждении такого металла будут образовываться кристаллы алмазов. Муссан помещал в электрическую печь угольный тигель в котором содержался углерод и чистое железо. При расплавлении железа углерод насыщал его. Затем эту расплавленную массу резко погружал в расплавленный свинец и ждал пока вся масса остынет. После этого остывшую массу обрабатывал кислотами и из метала освобождались маленькие частицы. В итоге этими частицами оказались алмазы так как ими Муссан поцарапал полированный рубин. Эти частицы имели удельный вес от 3 до 3,5, а при сжигании этих частиц в кислороде появлялась двуокись углерода. В 1918 году Патерсон сделал сообщение на Бейкеровской лекции о разных опытах которые он провёл проверяя предыдущих исследователей. При этих опытах он применял новейшее оборудование тех лет. В результате он пришёл к выводу, что все ошибались так как в трубках не могло создаваться высокое внутреннее давление из-за того, что при высокой температуре водород улетучивался через металлические стенки трубки. В 1955 году компания Дженерал электрик заявила о успешном получение искусственных алмазов. Делая различные расчёты и опыты при равновесном соотношение между алмазом и графитом специалисты пришли к выводу, что технология производства синтетических алмазов ещё не совершенна так как изготовление искусственного алмаза возможно только при температуре более 2775 градусов и давлении более 100 т/кв.см. Вскоре Бриджмен сделал оборудование для производства искусственных алмазов которое могло на протяжении нескольких часов выдерживать давление около 175 т/кв.см.

Позже стало известно, что технологии синтетических алмазов из графита велась параллельно сразу в нескольких различных компаниях. 15 февраля 1953 года одна шведская фирма делая синтез алмаза получила таким образом 40 мелких алмазов. Однако до сих пор превратить графит в хорошие искусственные алмазы технология не позволяет. После этого начали изучать различные катализаторы в тонком слое раствора которого и происходил рост алмаза. В 1970 году был получен первый алмаз весом около 1 карата. Однако стоимость получения такого кристалла намного больше стоимости природного алмаза.

kamni2.ru

Технология производства искусственных алмазов.

Синтетические алмазы и кубический нитрид бора P-BN все шире внедряются в производство абразивного инструмента, поскольку этот класс материалов обладает комплексом свойств (табл. 3.9), обусловливающих незаменимость их в ряде важнейших операций механической обработки металлических сплавов, керамики, стекла, гранита.

Параметры получения абразивных материалов на основе синтетических алмазов и кубического нитрида бора определяются диаграммами их равновесных состояний (рис. 3.13). Исходными материалами для производства синтетических алмазов и кубического нитрида бора (5-BN служат графит и гексагональный нитрид бора a-BN. Структурные кристаллические решетки графита, алмаза, гексагонального и кубического нитрида бора показаны на рис. 3.14.

Способ получения синтетических алмазов и p-BN основан на полиморфном превращении их гексагональных модификаций в кубическую при высоких давлениях и температурах и в присутствии катализаторов. Линия, разделяющая

области существования гексагональной и кубической модификаций на диаграммах равновесных состояний (см. рис. 3.13, а, б), показывает зависимость между температурой и давлением, при которых кубическая и гексагональная модификации находятся в равновесии, т. е. сосуществуют.

Согласно теории Г.В. Самсонова механизм полиморфного превращения гексагональной модификации углерода (графита) и нитрида бора a-BN в кубическую сводится к превращению менее устойчивых 5/?2-электронных состояний атомов углерода и бора в более устойчивые 5/?3-состояния. Такое значительное изменение электронного строения и соответствующая перестройка кристаллической структуры (см. рис. 3.14) требуют высокой энергии активации и поэтому могут происходить с заметной скоростью лишь при высоких температурах. В то же время повышение температуры, согласно приведенной диаграмме (см. рис. 3.13, а, 6), сдвигает равновесие в сторону ооразоианим менее стабильных 5р2-электронных конфигураций и, соответственно, гексагональных модификаций. По этой причине для поддержания параметров синтеза алмаза и p-BN в поле их термодинамической устойчивости требуется повышение давления. Согласно данным [11] при высоком давлении помимо P-BN существуют ешс две плотные формы нитрида бора: кубический сфалеритоподобный, образующийся при давлении 11,0 12,0 ГПа и температуре 1973 К (устойчив в области высоких температур в диапазоне 2470-3970 К), и гексагональный вюрцитоподобный (y-BN), образующийся при давлении выше 12,5-13,0 ГПа и комнатной температуре (устойчив в области низких температур — до 293 К). Однако современная техника, используемая на предприятиях абразивной отрасли, не позволяет поддерживать давление порядка 6-10 Гпа в течение длительного времени, вследствие чего для ускорения перехода гексагональных модификаций графита и а-нитрида бора в кубические модификации применяют катализаторы. В качестве катализаторов служат, прежде всего металлы и их соединения, которые обладают высокой концентрацией коллективизированных слабосвязанных с атомами электронов. Эти электроны способствуют образованию .^-конфигураций из sp2-кон фигураций по схеме

ё + sp2 -> sp?.

Экспериментально показано, что наибольшей каталитической активностью при синтезе алмаза обладают железо, марганец и другие переходные металлы. При превращении a-BN p-BN хорошими каталитическими свойствами обладают щелочные и щелочноземельные металлы, а также их нитриды

(особенно нитриды магния, лития, кальция), которые способствуют кристаллизации кубического нитрида бора из эвтектического расплава.

Вследствие использования катализаторов синтетические алмазы и кубический нитрид бора, полученные в производственных условиях, всегда содержат примеси катализаторов и продуктов их взаимодействия с алмазом и нитридом бора. Так, например, в промышленном кубическом нитриде бора массовая доля p-BN составляет не более 90 %, a-BN < 1 %, а негидролизуемых боридов и нитридов — менее 9 %.

3.3.2. Промышленное получение синтетических алмазов и кубического нитрида бора

Общая технологическая схема промышленного производства синтетического алмаза и кубического нитрида бора показана на рис. 3.15. Основные технологические операции — приготовление реакционной шихты, изготовление графитовых контейнеров и их сборка (засыпка в рабочий объем контейнера реакционной шихты), сборка аппарата высокого давления непосредственно перед синтезом.

Приготовление реакционной шихты заключается в измельчении исходных материалов (графита, гексагонального нитрида бора, катализаторов), их перемешивании в специальных смесителях, обеспечивающих получение равномерно распределенных в объеме приготовленной смеси всех ее компонентов.

Изготовление графитовых контейнеров производится методом точения или прессования, а сборка реакционной камеры заключается в размещении определенного объема реакционной шихты в контейнере нагревателя (производится на автоматических роторных установках). Приготовленная таким образом реакционная камера помещается в камеру высокого давления и подается на автоматические установки для синтеза алмаза или p-BN.

Камера высокого давления (рис. 3.16) состоит из контейнера / (реакционная камера), в который загружается реакционная шихта, и двух блок-матриц, состоящих из стальных колец 2 и вставок из твердого сплава 3. В зарубежной практике для синтеза алмаза и p-BN используют аппарат типа “Белт”, имеющий рабочий объем до 50 см3 и используемый для создания давления до 10 ГПа.

Давление, необходимое для синтеза алмаза и P-BN, создастся прессами усилием 50-1000 кН. Усилие, создаваемое прессом, через аппарат высокого давления передается на рабочую (реакционную) камеру (см. рис. 3.16), которая воспринимает это усилие на площади в несколько квадратных сантиметров, что обеспечиваст создание в рабочем объеме камеры высокого статического давления. При этом шихта, находящаяся в реакционной камере, нагревается непосредственно через систему трансформаторов от сети переменного тока.

Ввиду невозможности прямого измерения и контроля всех параметров синтеза по причине сложности этой проблемы в производственных условиях применяют косвенные методы измерения температуры по электрической мощности, требуемой для нагрева реакционной камеры до заданной температуры.

В России для контроля температуры процесса синтеза сконструированы специальные регуляторы мощности, позволяющие осуществлять автоматическое поддержание нужного значения мощности, обеспечивающей нагрев реакционной камеры до заданной температуры.

Прямое измерение давления в рабочем объеме реакционной камеры также является сложной технической задачей, и по этой причине в промышленности давление в камере оценивают косвенно по давлению в гидросистеме прессовой установки, в которую помещается камера высокого давления. Давление в самой гидросистеме измеряется с помощью электроконтактного манометра.

Во время синтеза синтетического алмаза и p-BN устанавливаются технологические параметры и время синтеза по технологической карте и в зависимости от марки изготовляемого материала могут колебаться в широком интервале давлений (4-12 ГПа) и времени синтеза (от 15 с до 30 мин). В результате их водимого синтеза его готовым продуктом является спек, в составе которого помимо основного продукта (алмаза или p-BN) содержатся примеси. Потому спек направляется на химическое обогащение для выделения определенных марок алмаза или кубического нитрида бора.

Исходным материалом для производства шлифовальных материалов из синтетических алмазов служит продукт синтеза, из которого удалены графит и катализатор.



infopedia.su

Как выполняется синтез алмазов?

Синтез алмазов — это технология, которой человечество обязано химии высоких давлений. Первые искусственные кристаллы был синтезированы более 60 лет назад — в 1954 г. Данная технология требует соблюдения особых условий. Производство искусственных алмазов осуществляется при температуре 2000°С и давлении 50000 атм. Получить первые синтетические камни было непросто, поэтому их цена существенно превосходила цену на натуральные камни — примерно в 30 раз. Однако всего за десятилетие совершенствования технологии камни стали существенно дешевле. Благодаря этому, производство искусственных алмазов стало выгодным.

В современном мире синтетических алмазов гораздо больше производится и продается, чем получается натуральных. Они составляют около 75% от общего оборота данного вида камней. По своим свойствам продукция промышленного производства отличается от натуральных самоцветов незначительно. Определить происхождение камня можно только при помощи специальных приборов высокой точности.

Особенности технологии

Производство алмазов в современной промышленности основано на том, что эти камни по своему атомному составу не что иное, как форма углерода. Из атомов углерода состоят и другие материалы, например, графит. Графит под высоким давлением в специальном реакторе превращают в алмазы. Для этого необходимы специальные вещества — катализаторы. Без них реакция невозможна. В качестве катализаторов могут использоваться:

  •  смесь карбида железа и графита;
  • смесь хрома, никеля и железа;
  • металлический никель и пр.

Кристаллизация возможна при высокой температуре и под высоким давлением, под воздействием ударных волн.

Как правило, в результате синтеза получают небольшие кристаллы. Их максимальный размер достигает 1 мм. Для использования в промышленных целях полученные камни пригодны, но использовать в ювелирном деле их практически невозможно.

Современные технологии дают возможность синтезировать крупные камни размером до 6 мм. Для этого маленькие кристаллы растворяются в расплавленном катализаторе. В наименее горячие участки раствора помещают крошечные кристаллы, которые послужат затравкой. Кристаллизация требует нескольких суток, на протяжении которых необходимо поддерживать высокое давление и температуру. Для получения искусственных алмазов таких размеров, которые можно использовать для изготовления ювелирных изделий, требуются существенные затраты, поэтому их стоимость превосходит стоимость натуральных камней в несколько раз.

Применение искусственных кристаллов

Широко применяются синтетические алмазы в разнообразных отраслях промышленности.

Из них делают пасты и порошки для шлифовки, оборудование для бурения скважин и резки различных твердых материалов. Использование этого чрезвычайно твердого материала позволяет существенно повысить производительность труда во многих отраслях промышленности — от 30% до 100%.

Искусственные камни применяют при изготовлении часов. Также с их помощью хорошо резать твердые материалы: металлы, стекло, керамику. Камни используются для производства очень тонкой и при этом очень прочной проволоки.

Специально для использования в промышленных целях синтезирован особый черный алмаз — карбонадо. Эта разновидность кристаллов еще тверже, чем природные самородки, поэтому их можно использовать для огранки и камней в ювелирных целях, и для прочих методов обработки. Их получают методом порошковой металлургии. Для этого используется алмазный порошок, который спекается при температуре 1000°С и под давлением от 30000 до 80000 атм. Также широко распространено изготовление сверхтвердых буровых коронок из карбонадо.

Таким образом, синтез алмаза из графита возможен благодаря тому, что оба эти вещества состоят из атомов углерода, которые образуют неодинаковую кристаллическую решетку. В алмазах атомы расположены более плотно, поэтому для получения алмазов и необходимы особые условия: высокая температура и давление (или ударная волна), наличие катализаторов. Превращение графита в алмаз позволяет широко использовать этот материал в промышленности.

Оцените статью:

(Нет голосов) Загрузка...

vseokamnyah.ru


Смотрите также