ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ 1.1. Свойства и применение синтетических алмазов Синтетические алмазы или искусственные алмазы (также известные как алмазы, созданные в лаборатории или лабораторно выращенные алмазы) — это алмазы, получаемые в результате искусственного процесса, в отличие от натуральных алмазов, создаваемых в результате геологических процессов. Около 97 % алмазов (по весу), используемых в промышленности — синтетические. Синтетические алмазы также широко известны под именами HPHT-алмазы или CVD-алмазы, названные так в честь двух популярных методов производства синтетических алмазов. HPHT расшифровывается как high-pressure high-temperature («высокие давление и температура»), а CVD — chemical vapor deposition («химическое осаждение из пара»). Для производства искусственных алмазов используется несколько технологий. Исторически первый, и основной на сегодня благодаря относительно невысокой стоимости — использование высокого давления и высокой температуры (high pressure high temperature — HPHT). Оборудование для этого метода — многотонные прессы, которые могут развивать давление до 5 ГПа при 1500 °C. Второй метод — химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition — CVD) — когда над подложкой создаётся плазма из атомов углерода, из которой атомы постепенно конденсируются на поверхность образуя алмаз. Третий метод использует формирование наноразмерных алмазов при помощи ударной волны от взрывчатки. Традиционно отсутствие кристаллических дефектов — важнейший показатель качества алмаза. Чистота и отсутствие дефектов делают алмаз прозрачным, чистым, а в совокупности с его твёрдостью, химической стойкостью, высокой оптической дисперсией делают алмаз популярным ювелирным камнем. Высокая теплопроводность алмаза важное качество для технических применений. Если высокая оптическая дисперсия характерна для всех алмазов, то остальные его качества зависят от того, в каких условиях он был сделан. Алмаз может быть одним большим кристаллом (монокристалл), а может состоять из множества сросшихся кристалликов (поликристалл). Большие, бездефектные монокристаллы алмаза обычно пользуются спросом как ювелирные камни. Поликристаллические алмазы, состоящие из множества зерен, хорошо видимых по рассеянию и поглощению света невооружённым глазом, используются в промышленности как режущий инструмент. Поликристаллические алмазы часто классифицируют по среднему размеру зерна в кристалле, который может варьироваться от нанометров до микрометров. Синтетические алмазы — самое твёрдое из известных веществ, если под твёрдостью понимать сопротивление вдавливанию. Каждый алмаз содержит примеси из атомов, отличных от углерода, в количествах, достаточных для определения аналитическими методами. Атомы примесей могут собираться в макроколичества, формируя включения. Примесей обычно избегают, но они могут быть введены намеренно для изменения определённых свойств алмаза. Выращивание алмазов в жидкой среде из металла-растворителя приводит к формированию примесей из переходных металлов (никель, железо, кобальт), которые влияют на электронные свойства алмаз. В отличие от большинства изоляторов, алмаз имеет хорошую теплопроводность из-за сильных ковалентных связей в кристалле. Теплопроводность чистого алмаза — наиболее высокая из всех известных. Монокристалл синтетического алмаза, состоящий из 12
C (99,9 %) изотопа, имеет теплопроводность 30 Вт/см·K при комнатной температуре, что в 7,5 раз больше, чем у меди. У природных кристаллов алмаза теплопроводность на 1,1 % ниже из-за примеси изотопа 13C, вносящего искажения в кристаллическую решетку. Теплопроводность алмаза используется ювелирами для отделения алмазов от их имитаций. Камня касаются специальным медным щупом, имеющем на конце миниатюрный нагреватель и термодатчик. Если алмаз настоящий, он быстро отведёт тепло от нагревателя, что вызовет заметное падение температуры, фиксируемое термодатчиком. Такой тест занимает всего 2-3 секунды. Большинство промышленных применений синтетических алмазов связано именно с их твёрдостью — в качестве сверхтвёрдого режущего инструмента, абразивных порошков, полировальных паст, инденторов выглаживателей. Благодаря твёрдости, превосходящей любой известный материал, алмазы используются для шлифовки любых материалов, даже при огранке самих алмазов. Это самая большая по объёму ниша использования алмазов в промышленности. Хоть природные алмазы тоже могут использоваться для этих целей, синтетические, полученные по HPHT-процессу, популярнее в силу большей однородности свойств и меньшему разбросу параметров. Большинство материалов с высокой теплопроводностью обладает также хорошей электропроводностью. Особняком выделяется алмаз, несмотря на огромную теплопроводность, он обладает незначительной электропроводностью. Это сочетание свойств позволяет использовать алмаз как теплоотвод для мощных лазерных диодов, массивов таких диодов или мощных транзисторов. Алмаз твёрдый, химически инертный, обладает высокой теплопроводностью при невысоком линейном коэффициенте расширения, что делает его идеальным материалом для окон вывода инфракрасного и микроволнового излучения. Синтетические алмазы ювелирного качества получают как по HPHT-процессу, так и по CVD-процессу, и они занимают около 2 % рынка ювелирных алмазов.
1.2. Стандарты и технические характеристики синтетических алмазов Алмаз есть не что иное, как чистый углерод с особой кристаллической решеткой, или алмаз считается аллотропной формой углерода. Другим представителем чистого углерода на Земле является древесный уголь и графит. Характеристики углерода: · Атомный вес углерода 12.011 · Порядковый номер в периодической системе Менделеева 6 · Количество электронов 6 · основная валентность 4 · При нормальном атмосферном давлении в жидкость не переходит · При нагревании при нормальном давлении до температуры 3670 °C углерод переходит в газ, минуя жидкое состояние Характеристики алмаза: · Плотность - 3.5 гр. см3 · Преломление света - 2,42 (Стекло 1,8) · Твердость 2’000’000 усл. ед. (Сталь 30’000, стекло 40’000 относительно талька, у которого твердость равняется 1) · Температура перехода в графит на открытом воздухе - 1200 °C · Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 °C. Причем, в основном алмаз сгорает без остатка · Единицы измерения алмазов - карат. Один карат равен 0.2 грамма. Алмаз, размерами 1 x 1 x 1 см = 17,5 каратов · В алмазе каждый атом углерода соединен с 4 другими атомами углерода, и расстояние между ними строго одинаково = 1,54 ангстрем. Расположены атомы углерода в алмазе по углам правильного тетраэдра атомной кристаллической решетки. | 
