Алмаз — минерал, одна из аллотропных форм углерода .
Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость
, наиболее высокая теплопроводность
среди всех твёрдых тел, большие показатель
преломления и дисперсия
. Алмаз является диэлектриком
. У алмаза очень низкий коэффициент
трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием
на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих
роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент
трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения
обуславливает исключительную износостойкость алмаза на истирание.
Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими
известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент
сжатия. Энергия кристалла составляет 10 5 Дж/г-ат, энергия связи
700 Дж/г-ат — менее 1% от энергии кристалла. Температура плавления алмаза составляет 3700-4000°C. На воздухе
алмаз сгорает при 850-1000°С, а в струе чистого кислорода
горит слабо-голубым пламенем при 720-800°С, полностью превращаясь
в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000°С без доступа
воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут. Средний показатель
преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно
2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для
красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать
белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией
. Для алмаза дисперсия равна 0,063.
В 1694 году итальянские учёные Дж. Аверани и К.-А. Тарджони при попытке сплавить несколько мелких алмазов в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь. В 1772 году Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется диоксид углерода. В 1814 году Гемфри Дэви и Майкл Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита.
Открытие натолкнуло учёных на мысль о возможности искусственного создания алмаза.
Первая попытка синтеза алмаза была предпринята в 1823 году основателем
Харьковского универститета Василием Каразиным, который при сухой
перегонке древесины при сильном нагреве получил твёрдые кристаллы
неизвестного вещества. В 1893 году профессор К. Д. Хрущов при быстром
охлаждении расплавленного серебра, насыщенного углеродом, также
получил кристаллы, царапавшие стекло и корунд. Его опыт был успешно
повторён Анри Муассаном, заменившим серебро на железо. Позже было
установлено, что в этих опытах синтезировался не алмаз, а карбид
кремния (муассанит), который имеет очень близкие к алмазу свойства.
В 1879 году шотландский химик Джеймс Хэнней обнаружил, что при взаимодействии
щелочных металлов с органическими соединениями происходит выделение
углерода в виде чешуек графита и предположил, что при проведении
подобных реакций в условиях высокого давления углерод может кристаллизоваться
в форме алмаза. После ряда экспериментов, в которых смесь парафина,
костяного масла и лития длительное время выдерживалась в запаянной
нагретой до красного каления стальной трубе, ему удалось получить
несколько кристаллов, которые после независимого исследования были
признаны алмазами. В научном мире его открытие не было признано,
так как считалось, что алмаз не может образовываться при столь низких
давлениях и температурах. Повторное исследование образцов Хэннея,
проведённое в 1943 году с применением рентгеновского анализа, подтвердило,
что полученные кристаллы являются алмазами, однако профессор К.
Лонсдейл, проводившая анализ, вновь заявила, что эксперименты Хэннея
являются мистификацией.
В 1961 году появились первые публикации фирмы «DuPont» о реализации
идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита.
Синтез производился с использованием энергии взрыва, или непосредственно
из продуктов взрыва некоторых ВВ, с отрицательным кислородным балансом
(работы Шабалина), особенно удобен для получения алмазов тротил.
Это наиболее дешевый способ получения алмазов, однако, «взрывные
алмазы» очень маленькие и пригодны лишь для абразивов и напылений.
В настоящее время существует крупное промышленное производство
синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных
материалах. Для синтеза используется несколько способов. Один из
них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава никель — марганец
и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава (типа
ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения
металлической матрицы в смеси кислот.
Современные способы получения алмазов используют газовую среду,
состоящую из 95% водорода и 5% углесодержащего газа (пропана, ацетилена),
а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке,
где образуется сам алмаз. Температура газа от 700-850°C при давлении
в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии
синтеза, скорость роста алмазов от 7 мкм/час до 3 мкм/мин на подложке.
|