Синтетические алмазы

Общие сведения о синтетических алмазах

Добыча алмазов и изучение алмазных месторождений дали богатый фактический материал для создания гипотез об образовании этого минерала. Особенно много данных было получено при исследовании крупнейших алмазных месторождений Южной Африки. Как выяснилось, основные факторы, способствовавшие образованию алмазов, - высокие давление и температура, которые имели место в земных недрах на большой глубине. Эти выводы геологов были использованы исследователями, работающими над проблемой искусственного получения алмазов.

Получение искусственных алмазов имеет длинную историю. (Для желающих ознакомиться с ней более подробно можно рекомендовать книгу В. И. Рича и М. Б. Черненко [9]). Опытами ученых Лавуазье, Теннанта и Дэви было установлено, что алмазы и графит содержат чистый углерод. Дерзнувшие конкурировать с природой русский исследователь В. Н. Каразин, француз Каньяр-Латур, шотландец Хан- ней, русский ученый К. Д. Хрущев, француз А. Муассан и многие другие в своих работах по получению искусственных алмазов опирались на предположение, что если алмаз переходит в графит при нагревании до 1500 °С без доступа воздуха, то можно искусственным путем осуществить обратный переход и, имитируя условия образования этого природного камня, получить алмазы. На таком принципе были основаны опыты В. Н. Каразина и Каньяр-Латура. Однако им получить алмазы не удалось.

Положительного результата добился в 1880 г. Ханней: он получил несколько маленьких искусственных кристалликов, которые сейчас хранятся в Британском музее естественной истории в Лондоне под этикеткой "Искусственные алмазы Ханнея". Технология получения кристаллов алмаза в его опытах была несложной. Зная, что при воздействии высоких температур и давлений обычные формы углерода (уголь, графит и др.) за счет уплотнения кристаллической решетки превращаются в алмазы, он герметически закупорил в стальную трубку, напоминающую орудийный ствол, смесь, содержащую 90 % легких углеводородов (таких, как керосин и парафин), 10 % костного масла и немного металла лития, и нагревал трубу до красного каления, выдерживая ее в таком состоянии в течение 14 ч. Из 80 поставленных трубок уцелели только три, где и были получены искусственные алмазы - 11 кристаллов со средним размером 0,4 X 0,2 X 0,1 мм и плотностью 3,54 г/см³.

В том же 1880 г. профессор К. Д. Хрущев в России, кристаллизуя углерод из расплавленного серебра, получил прозрачные и темные осколки. При сгорании их образовывалась углекислота. Осколки оставляли царапины на самом твердом после алмаза минерале - корунде, естественно, что К. Д. Хрущев принял их за алмазы. Однако впоследствии оказалось, что это не алмазы, а соединения углерода с металлом - карбиды.

А. Муассан, первооткрыватель фтора, также сумел получить мелкие твердые кристаллы плотностью 3,5 г/см³, которые современники долгое время считали алмазами. Расправленный в дуговой печи, перенасыщенный углеродом чугун А. Муассан мгновенно охлаждал водой. Корка застывшего чугуна, сжимаясь за счет охлаждения, с чудовищной силой сдавливала еще горячее ядро, внутри которого создавалось высокое давление.

В 1917 г. немецкий исследователь Руфф, использовав все известные способы получения алмазов и не получив положительного результата, первым высказал предположение о том, что кристаллы Муассана - не алмазы.

Неудача постигла также известного английского промышленника и изобретателя Ч. Парсонса, который долгое время занимался синтеризованием алмазов. На гигантские гидравлические прессы, позволяющие получать давления до 10 тыс. ат (980 МПа), ни множество использованных им углеродных соединений не помогли ему получить алмазы. Он с сожалением должен был констатировать, что синтезированные им вещества - шпинели. Кристаллы октаэдрической формы, полученные сицилийцем Ла Россом, тоже оказались не алмазами.

Однако даже неудачные попытки синтезирования алмаза позволили накопить ценный опыт и большие знания о свойствах графита и алмаза. Так, стало известно, что графит не плавится, а возгоняется при 3500 °С, т. е. минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние, но если одновременно с повышением температуры повышать давление до 1000 атм (98 МПа), то можно получить расплавленный графит. И уже встал новый вопрос: нельзя ли при охлаждении получить алмаз из расплавленного графита? Опыты, проведенные Мюрхером, дали отрицательный результат. Фальшивыми оказались й искусственные алмазы немецкого исследователя Карабачека, которые долгое время экспонировались в музее Гарвардского колледжа. Карабачек даже получил патент на новый способ синтеза алмазов.

В 40-е годы XX в. английские физики Баннистер и Лондсдейл с помощью рентгеновских лучей исследовали все кристаллы, выдаваемые за искусственные алмазы. Оказалось, что все они были фальшивыми, кроме кристаллов, полученных Ханнеем, хотя давление в его опытах по расчетам не превышало 100-200 ат (9,8-19,6 МПа). Эта загадка до сих пор не разгадана. Некоторые ученые, в частности известный специалист по алмазам К. Лондсдейл, считают, что алмазы Ханнея могут быть и неискусственного происхождения.

Американскому ученому П. Бриджмену, работающему в области сверхвысоких давлений, удалось получить при комнатной температуре давление в 425 тыс. ат. (41, 65 ГПа), но работа над синтезом алмазов не привела к желаемым результатам. Однако теоретические работы П. Бриджмена, лауреата Нобелевской премии, основоположника техники высоких давлений, подготовили будущий успех в осуществлении синтеза алмазов [1]"

В 1939 г. советский ученый О. И. Лейпунский опубликовал рас-считанную им исходя из термодинамических данных кривую равновесия графит-алмаз и указал довольно точные параметры, при которых графит должен превращаться в алмаз. Данное им описание процесса исключительно близко к одному из вариантов современного способа синтеза алмазов.

В середине 50-х годов искусственные алмазы начали получать в целом ряде стран. Первое сообщение об успешном синтезе алмазов в 1953 г. поступило от ученых Швеции (фирма ASEA). В 1954 г. процесс синтезирования алмазов был осуществлен группой специалистов американской компании "Дженерал электрик". Методом, при годным для промышленного применения, были получены первые искусственные алмазы - темные кристаллики размером до 1,6 мм (самый крупный).

В 1959 г. известная алмазная компания "Де Бирс" также опубликовала данные о получении искусственных алмазов.

Компания "Дженерал электрик" выпустила на рынок первую партию искусственных алмазов через два года после удачных опытов. В Детройте было построено первое специальное предприятие по производству синтетических алмазов с годовой мощностью 3,5 млн. кар. В 1957 г. компанией "Дженерал электрик" было произведено около 100 тыс., 1958 г.- 750 тыс., 1959 г.- 1 млн. и 1968-1969 гг.- 11-13 млн. кар синтетических алмазов. В 1970 г. было объявлено об успешном синтезе больших (до 1 кар) алмазов ювелирного качества. В последние годы США публикуют очень скудные и разноречивые данные о производстве алмазов. В среднем оно составляет 25-26 млн. кар в год.

О современной технологии получения синтетических алмазов известный советский ученый В. Н. Бакуль писал: "В настоящее время известны три метода синтеза алмазов: в области термодинамической стабильности алмаза воздействием на исходный углеродсодержащий материал высоким статическим давлением и температурой в течение времени, измеряемого по крайней мере несколькими секундами; в области термодинамической стабильности алмаза воздействием на исходный углеродсодержащий материал высоким динамическим давлением и температурой в течение времени, измеряемого микросекуидами и долями микросекунд; в области термодинамической стабильности графита, осуществляемой при атмосферном и меньших давлениях и высокой температуре эпитаксиальным наращиванием алмаза на затравках. Все эти методы являются предметом серьезных исследований в СССР. Основная масса синтетических алмазов производится во всем мире по первому методу, т. е. при высоких статических давлениях. Сформулированное О. И. Лейпунским (СССР) рациональное сочетание трех условий, необходимых для синтеза алмазов (значения температуры, давления и наличие определенной среды), лежит в основе методов производства синтетических алмазов при высоких статических давлениях, используемых в СССР, США, Великобритании, Швеции, Японии, ЮАР и других странах".

Большой вклад в физику и технику высоких давлений, разработку камер для синтеза сверхтвердых материалов внес академик Л. Ф. Верещагин [2]. При его непосредственном участии и под его руководством в 1960 г. был впервые осуществлен синтез алмазов в Советском Союзе. Для организации и успешного развития промышленного производства синтетических алмазов и внедрения их в народное хозяйство страны был создан Институт сверхтвердых материалов АН УССР. В октябре 1961 г. коллектив института рапортовал XXII съезду КПСС о том, что впервые в СССР разработана технология производства синтетических алмазов и изготовлены первые 2 тыс. кар. Этим и было положено начало промышленному производству синтетических алмазов в Советском Союзе.

Первое десятилетие после получения в промышленных условиях синтетических алмазов (1961-1971 гг.) было периодом бурного роста их использования во всех отраслях промышленности СССР. За это время общее потребление технических алмазов возросло в 35 раз, или в среднем более чем на 45 % в год; при этом потребление природных алмазов выросло в 5,5 раза, или на 18,6 % в год, а производство и потребление синтетических алмазов - в 295 раз. Немалое значение имело и то обстоятельство, что постоянное совершенствование технологии производства синтетических алмазов способствовало снижению цен на них.

К настоящему времени в нашей стране создана целая отрасль промышленности по производству синтетических алмазов и инструментов из них. Выпускаются синтетические алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, САМ, АСБ и АСПК, а также микропорошки на основе синтетических алмазов - АСМ и АСН размером от 1 до 630 мкм. Синтетические алмазы эффективно заменяют природные и применяются теперь на тысячах предприятий в различных областях народного хозяйства. Внедрение синтетических алмазов избавило от необходимости дробить большую часть природных алмазов для изготовления порошков, паст и абразивного инструмента, на что, по данным мировой практики, ранее расходовалось более 70 % природных технических алмазов. Появилась возможность более рационально подойти к применению природных алмазов.

За рубежом промышленный синтез алмазов налажен в США, ЮАР, Ирландии, Японии, Швеции и ряде других стран. Всего в мире (без СССР) производство синтетических алмазов с 1965 по 1975 г. (период становления и интенсивного развития этой отрасли промышленности) выросло примерно в 3 раза и продолжает увеличиваться.