Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,044-0,063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным [28, 33, 34].

Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы: на обогатительных фабриках с помощью рентгеновских лучей алмазы отделяют от вмещающей породы [23].

Магнитные свойства. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов – магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.

Электрические свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Удельное электрическое сопротивление алмазов (полупроводниковые) составляет 1 - 10 Ом/см, других алмазы – до 1010 Ом/см.

Прочие свойства. Алмаз – минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведённых до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами [24, 41].

Однако алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. В порошке он сгорает на платиновой проволочке с образованием двуокиси углерода (СО2).

Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200ºС также окисляют алмаз. При нагревании до 800ºС в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна [30].

Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е. не смачивается водой. Из-за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно-песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности – гранатами, ильменитами [45]. Последние называют минералами-спутниками алмаза и обычно используются при геологической разведке алмазных месторождений [1, 12].

Иногда для извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы используется необычный способ. В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чём основаны некоторые способы

Поскольку алмазы являются самыми твёрдыми минералами на Земле (сходные минералы отсутствуют), их обработка весьма сложна и требует большого времени. Особенно это касается огранки ювелирных алмазов.

В природе алмазы имеют формы куба, четырех-, восьми- и десятигранников [15]. Часто природные кристаллы удлинены, вытянуты или уплощены, поэтому для придания им «товарного» вида в ювелирных изделиях алмазы подвергают огранке. Ограненный алмаз становится бриллиантом. Существует несколько типов огранки алмазов, и нет единого мнения, какой из них лучше [14, 28]. В 1919 г. российский математик Марсель Толковский скрупулезно рассчитал оптимальные пропорции бриллиантовой огранки, при которой свет, входящий в камень через корону, полностью отражается от 57 граней ложа по закону полного внутреннего отражения и выходит обратно. Так создается яркий блеск и «игра» света [5, 8].

Всемирно известны крупные индийские алмазы – «Регент», «Орлов», «Шах», «Великий Могол» и др. (Приложение 3, 4). Знаменитый алмаз «Кохинур» (в переводе – «Гора света»; сейчас то, что осталось от камня в результате многочисленных огранок, украшает корону британского монарха). Самый крупный алмаз – «Куллинан» – был найден в Трансваале в 1905 г. и весил 3106 карат [41, 57]. Карат – мера веса, использующаяся для алмазов, она равна 0,2 г [32]. Масса каждого добываемого алмаза обычно составляет 0,1-1 карат, крупные кристаллы (свыше 100 карат) встречаются редко [5, 28].

При обработке алмаза различаются следующие операции: раскалывание или распиловка, обдирка, шлифовка и полировка [56].

Плоскости спайности у алмаза ориентированы исключительно по октаэдру, что позволяло раскалывать крупные алмазы по спайности вручную. Прежде мастера делали это с помощью ножа, слегка постукивая по нему. Хотя техника раскалывания была хорошо освоена, все же это часто приводило к раздроблению камня: не всегда удавалось распознать внутренние напряжения и скрытые трещинки в кристалле. Поэтому на рубеже ХХ в. от раскалывания алмазов перешли к их распиловке.

Крупнейший из когда-либо найденных ювелирных алмазов, «Куллинан», был величиной с кулак. В 1908 г. его раскололи в фирме «Асшер» (Амстердам) сначала на три куска, а затем еще на много частей, так что в конце концов после огранки из него получилось 9 больших и 96 мелких бриллиантов [56, 71].

Особое преимущество распиловки алмазов перед раскалыванием состоит в том, что она позволяет более экономно использовать исходный кристалл с точки зрения выхода ограночного материала.

Например, октаэдры пилят по средней плоскости или чуть выше нее, благодаря чему получается заготовка, удобная для бриллиантовой огранки. Поверхность отпила представляет собой будущую площадку бриллианта. Вследствие этого сокращаются потери массы при обработке камня.

Диск алмазной пилы (его диаметр 5-7 см) изготовляется из меди, бронзы или других сплавов и армируется алмазным микропорошком, он имеет толщину всего около 0,05 мм и вращается со скоростью не менее 5000 об/мин. Алмаз при этом удерживается в зажимном приспособлении, напоминающем тиски. Процесс распиловки длится долго: каратник (алмаз массой в 1 кар, т.е. диаметром 6-7 мм) пилят от 5 до 8 часов [56, 67].

В ходе следующей операции, которая носит название обточки, алмаз приобретает в общих чертах форму бриллианта.

При обточке один алмаз закрепляется на небольшом станке типа токарного, а другой – в ручной державке. Они слегка прижимаются друг к другу с таким расчетом, чтобы их взаимное трение приводило к скруглению ребер кристаллов в соответствии с двойной конической формой бриллианта. Алмазы, которые не подлежат огранке в бриллианты, обтачивают на диске, шаржированном алмазным порошком.

Шлифовать и пилить алмаз можно только алмазом же и только благодаря тому, что твердость алмаза на разных гранях кристалла и в различных направлениях неодинакова. Понадобилось провести весьма детальные исследования этих различий в твердости, чтобы использовать их при шлифовке и огранке алмаза. В соответствии со статистическим понятием вероятности алмазный порошок всегда должен содержать особо острые частицы, что позволяет пришлифовывать менее твердые грани кристалла алмаза. Минералы равной твердости не царапают и не шлифуют друг друга [24].

Техника шлифовки и огранки алмаза требует очень большого опыта. На быстро (со скоростью 2000-3000 об/мин) вращающемся стальном диске, шаржированном алмазной пастой (смесью алмазного порошка с маслом или олифой), алмаз, закрепленный в зажиме (который носит старинное голландское название «доп»), приобретает фасетную огранку.

Прежде нанесение всех фасет и установка каждого угла контролировались лишь на глаз, под лупой, без применения каких-либо измерительных приборов. Размер самых мелких из отшлифованных таким образом алмазов с полной бриллиантовой огранкой, имеющей 56 фасет и площадку, 2,5 мм (15 штук на карат). Потери массы при шлифовке и огранке составляют 50-60%.

При обработке «Куллинана» они достигли 65% [57]. На том же диске, только на другой дорожке, ещё покрытой рыхлой алмазной пылью, выполняется конечная операция – полировка бриллианта. Только после этого бриллиант начинает «играть» и может быть использован при изготовлении ювелирных изделий [64, 65].

1.5. Применение природных и искусственных алмазов.

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 [49, 68]. 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 [8].

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. [57].

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 [3].

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 [4, 37].

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 [8]. В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы. В настоящее время они находят всё большее применение в разных отраслях хозяйства [4, 37].

Синтезированные алмазы не являются аналогами природных [37]. 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 [4, 37]. 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 ~ 2000ºС) 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, 1400-1600ºС) 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=2300ºК. 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>1270ºК; в метастабильных для алмаза условиях при Р от 1 до 100 ГПа и Т от 870 до 1070ºК. 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 [74].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6