<<< Ювелирные украшения. Искусственные драгоценные камни

  

 

Первый успех

 

 

Развитие исследований по созданию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений, лауреата Нобелевской премии, профессора Гарвардского университета П. У. Бриджмена. Бриджмен рассматривал синтез алмаза как вызов своей изобретательности и техническому мастерству и, как говорят, в экспериментах стремился каждый раз использовать новую технику, которая увеличивала бы максимальное давление. Бриджмен был не только выдающимся ученым и изобретателем, но и интересным писателем. Он писал о синтезе алмазов [111: «Попытки добиться успеха в этой захватывающей проблеме обнажили весь спектр человечества: люди, or блестящих-ученых до откровенных шарлатанов и жуликов, дарили ей свой ум и страсти». Бриджмен отмечал, что на протяжении 25 лет в среднем 2—3 человека в год заявляли о том, что владеют секретом синтеза алмаза, и предлагали войти в долю при распределении прибылей в обмен на финансирование строительства аппарата для практической реализации идеи. Он также писал, с характерным для него юмором, что «проблема так и просится в детективный роман, и я часто прихожу к убеждению, что тот, кто успешно решит ее, этим самым подвергнет свою жизнь опасности со стороны Алмазного синдиката».

Так же как и Парсонс, Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, однако в опытах Бриджмена, при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления, превращения графита алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза. Моя жена, пока не поменяла бриллиант в кольце, которое я подарил ей при помолвке, на гранат большего размера, не хотела верить в то, что в один прекрасный день алмаз может превратиться в графит, пусть даже графит более стабильная фаза, чем алмаз, при повседневных температурах и давлениях. При низких давлениях алмаз метастабилен, так же как графит может оставаться метастабильной формой даже в условиях, при которых стабилен алмаз.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при иагреве примерно до 1500 °С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. В 1941 г. при финансовой поддержке компаний «Нортон» и «Дженерал электрик» Бриджмен приступил к осуществлению проекта но синтезу алмазов при высоких темпера турах. Предварительно прокаленный при 3000 "С графит помещали в специальный сосуд 1000-тонного пресса. Внутри цилиндра находился термит, используемый для реакции, создающей температуру до 3000 °С в течение нескольких секунд одновременно с давлением в 30 000 атм. Опыты продолжались четыре года, но алмазы так и не были получены. Аппаратуру перевезли на завод компании «Нортон», где ее использовали для продолжения экспериментов и других работ.

Наконец, проблему синтеза алмазов начинает изучать исследовательская лаборатория компании «Дженерал электрик», которая в 1955 г. представляет первый отчет об успехе группы в составе Френсиса Банди, Трейси Холла, Герберта Стронга и Роберта Уэнтор-фа. Хотя позднее группа исследователей из Швеции заявила, что она синтезировала алмазы еще в 1953 г., результаты ее работ не были опубликованы, поэтому сотрудникам «Дженерал электрик» заслуженно принадлежит мировой патент. Успешный синтез явился результатом четырехлетних исследований. Сообщение о синтезе алмазов увеличило стоимость акций «Дженерал электрик» за один день более чем на 300 млн. долларов, а акции горнорудной корпорации «Де Бирс» упали на несколько пунктов, хотя и восстановились на следующий день. В то время, когда появилось сообщение, искусственные алмазы были очень мелкие, и говорили, что если бы кто-нибудь чихнул в неподходящий момент, это привело бы к потере всего мирового запаса!

 


Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл. Его отчет об этом событии помещен в обзорных статьях в трех журналах [16—18J. Холл пришел в лабораторию «Дженерал электрик» в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся «Проектом сверхдавления», как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза — отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной «халфбелт». Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции «белт». Свой первый аппарат Холл создавал на основе неофициальной договоренно-Сти с друзьями из механической мастерской. Таким же образом были изготовлены самые важные детали аппарата из карбида вольфрама. Применение твердого сплава позволило создать давление в 120 000 атм при 1800°С и выдерживать эти параметры несколько минут. Около года   исследователя   преследовали   неудачи,   ио   16 декабря   1954 г пришел первый успех [171. Холл позднее писал: «Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком». Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 °С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца. Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз.

Синтез алмаза был подтвержден 31 декабря 1954 г. Хью Вудбери, и 15 февраля 1955 г. об этом было сообщено в прессе. Это было именно то четкое подтверждение независимым исследователем, которого так недоставало в шведском (ASEA) эксперименте.

Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался «белт» (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом яз высокопрочной стали \19]. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса. Группа «Дженерал электрик» с успехом использовала встречающийся в природе минерал пирофиллит, материал мягкий, достаточно хорошо передающий давление и в то же время обладающий высокой температурой плавления. В полость, образованную поршнями и поясом, помещали ячейку из пирофиллита с вмонтированной электропечью в виде графитовой трубки, с помощью которой достигалась необходимая температура. Зазоры между поршнями и поясом уплотнялись металлическими и пирофиллитовыми прокладками, которые выполняли также роль тепло- и электроизоляторов.

В отличие от опытов Парсонса и Бриджмена в этих экспериментах использовался катализатор, в частности железо, что и предопределило успешное решение поставленной задачи. В настоящее время известно, что катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление соответствуют области стабильности алмаза. Согласно патенту «Дженерал электрик» [20], типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, ]/з части марганца и 7з части "ятнокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 °С п">д давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500°С За S мин. С тех пор проведены многочисленные исследования по Подбору растворителей, особенно Уэнторфом [21J. Сейчас в качестве Растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую   осуществить   синтез   алмаза   при   менее   жестких   условиях,

например при 50 000 атм и 1400° С. Также доказано; что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой и даже арахисовым маслом!

Вначале стоимость алмазов «Дженерал электрик» была выше, чем природных, однако уже в 1957 г. искусственные алмазы в виде мелких зерен, используемых для изготовления шлифовальных кругов, стали конкурировать по цене с природными. 22 октября 1957 г. «Дженерал электрик» сообщила в печати, что к этому времени компанией произведено уже 100 000 карат синтетических алмазов (цена 4,25 доллара за карат) и что в 1958 г. предполагается произвести 3,5 млн. карат.

Детали синтеза алмазов, получаемых «Дженерал электрик», содержались в секрете в течение многих лет, однако сейчас процесс описан в серии статей f22. 23]. Холл был разочарован как наложенным правите ль стпом режимом секретности, так и расстройством планов и финансовых дел компании и в сентябре 1955 г. перешел в университет Янг Бригем, где занимает сейчас престижную должность ведущего профессора химии.

Параллельно с работами «Дженерал электрик» исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Они начались в 1942 г., однако подробности были опубликованы только в J960 г. [24]. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеча алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам.

В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм н температура до 2760 "С. Для того чтобы концентрировать высокие давления в малом объеме, был создан аппарат, в котором шесть четырехгранных пирамид были смонтированы таким образом, что их основания образовывали куб, а усеченные вершины оконтуривали внутреннюю сферическую камеру объемом около 400 см3. Для создания усилий на каждой пирамиде использовали три пары гидравлических поршней. Весь комплект поршней помещали в трубу диаметром 52 см и высотой 78 см, укрепленную стальными бандажами. Нагрев осуществляли сжиганием термита, смеси металлического магния я перекиси бария. В результате химической реакции в рабочем объеме достигались очень высокие температуры. Термоизоляция вокруг термита обеспечивалась слоем талькового камня толщиной 5 мм, помещенным в медную оправку. Реагенты, графит и карбид железа помещали ннутря термита н контейнере из тантала. Высокая температура, производимая горением термита, поддерживалась только несколько минут, а затем падала за счет теплоотвода через относительно массивные поршни. Характерно, что для получения мелких алмазов, которые использовались в промышленности для изготовления алмаз-ных пил, шлифовальных кругов и полировальных порошков, как по технологии ASEA, так и «Дженерал электрик» требовалось всего две-три минуты. Размеры алмазов, получаемых в обоих случаях, были существенно меньше I мм. Обычно в опытах ASEA образовывалось 20—50 кристаллов  размером 0,1—0,5 мм. Позднее  ASEA стала ис-а—осващенне рабочего объема и аппарате, используемом ASEA; б—изменение температуры по времени после поджигания термитной смеси.

пользовать электрический нагрев током до 1500 А, что позволило увеличить выход алмазов.

Аппарат высокого давления «белт» компания «Дженерал электрик» впоследствии заменила конструкцией тетраэдр и ческого типа, разработанной Холлом примерно в то же время [25]. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте этой конструкции использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В последней модификации аппарата рабочая поверхность сделана сферической и применены вставки из карбида вольфрама, отличающегося большей твердостью и прочностью по сравнению со сталью, из которой изготавливаются поршни. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитодую трубку. Электрический ток подводится через Два противоположных поршня или через специальные электровводы. В ПеЧь помещаются графит и металл-растворитель.

Сейчас алмазы производятся в нескольких странах, и более половины из используемых в промышленности — синтетические алма-3hli  конкурирующие по цене  с добываемыми из недр Земли. Через

месяц после сообщения «Дженерал электрик» в 1955 г. руководство южноафриканской горнодобывающей корпорации «Де Бирс» пришло к решению о необходимости производстна синтетических алмазов. Фабрика в Спрингсе близ Йоханнесбурга, ЮАР, принадлежащая «Де Бирс», начала давать продукцию в 1958 г. и сейчас имеет 75 единиц оборудования высокого давления. Дочернее предприятие было открыто в Шанноне. Ирландия, в 1963 г., а в 1967 г. «Де Бирс» и ASEA (которая не приступала к коммерческому выпуску алмазов до 1964 г.) заключили соглашение о совместном производстве. Технические алмазы выпускаются в Китае, Чехословакии, Нидерландах, Японии и в большом объеме в Советском Союзе.

Мировое потребление технических алмазов составляет более 100 млн. карат (20 т) в год, и для их производства требуется несколько сотен тонн графита.

 

 «Искусственные драгоценные камни»       Следующая страница >>>

 



Смотрите также:

 

Стили ювелирных украшений

 

Исторические художественные стили. От Древней Руси до эпохи модерна

Искусство «русского узорочья»

Барокко и рококо

Классицизм и ампир

Романтизм и историзм

Модерн 

Стили и художественные направления 20 века. От ар деко до модернизма

Ар деко

Стилевые направления второй половины XX века

Художественные направления в современном ювелирном искусстве России. От классики до современного авангарда

Колье «Жгут»

Колье «Императрица»

Серьги «Ностальгия»

Серьги «Элегия»

Заколка для шарфа «Бутон»

Браслет с бантом

Гарнитур украшений с жемчугом

Брошь «Перо Жар-птицы»

Колье «Пылкое сердце»

Гарнитур украшений «Весна»

Колье «Венеция»

Брошь «Вальс»

Колье «Золотое созвездие»

Браслет «Ливадия»

Кольцо «Принцесса в желтом»

Гарнитур украшений «Трилогия»

Ожерелье «Ландыши»

Брошь «Летучая мышь»

Брошь «Золотые пчелки»

Гарнитур украшений «Колибри»

Гарнитур украшений «Геометрический»

Колье «Каберне»

Гарнитур украшений «Княгиня Ольга»

Колье «Премьера»

Подвески «Пасхальное яйцо»

Серьги «Весенняя рапсодия»

Серьги «Соблазн»

Серьги «Русская красавица»

Брошь "Наследие Екатерины"

Брошь «Королева Марго»

Браслет «Водоворот»

Браслет «Прибой»

Гарнитур украшений "Полярная звезда"

Брошь «Перо ангела»

Кольцо для бизнес-леди

Брошь-подвеска трансформер «Сияние»

Броши-вазоны

Подвеска «Черепаха-компас»

Кольцо «Улитка»

Броши «Король», «Королева», «Шут»

Колье «Сокровища Агры»

Ожерелье «Свободный полет»

Гарнитур украшений «У Ойкумены края нет»

Гарнитур украшений «Кандинский»

Гарнитур украшений «Белый квадрат»

Кольцо «Белый квадрат»

Кольца "Золотые купола"

Кольцо «Зиккурат»

Колье «Чикаго»

Кольцо «Флора»

Коллекция украшений «Кляксы»

Брошь «Юла»

Гарнитур украшений «Тэя»

Браслет, кольцо «Откровение»

Золотые кольца с рубинами, сапфирами, демантоидами

Кольца «Дуэт»

Кольцо «Аруба»

Брошь «Зачарованный мир Австралии»

 Колье-брошь «Этуаль»

 Подвески-трансформеры «Пьеро» и «Луна» из серии «Венецианский карнавал»

 Гарнитур украшений "Галактика"

 Колье «Саламандра»

Колье «Гизехский сфинкс»

Словарь специальных терминов

Словарь художников, архитекторов, мастеров декоративно-прикладного искусства и ювелирных фирм

 

Музей Зеленые Своды

 

Дрезденская оружейная палата

Rambler's Top100