Наука, техника и искусственный алмаз

Синтетический алмаз - науке и технике. С каждым годом все теснее переплетаются эти понятия - растет вклад науки и техники в историю алмаза, открываются новые перспективы использования этого чудо-кристалла в различных их областях. Вы уже прочитали о рабочих и исследовательских профессиях "короля минералов", познакомились с продолжением его истории, которую создали люди, синтезировав этот кристалл; теперь вам остается узнать о том новом, что дает науке и технике искусственный алмаз.

С изобретением и внедрением в практику методов выращивания алмаза значительно возрос объем его применения в технике. При этом синтетические алмазы все настойчивее вытесняют технические природные... Так, если в 1962 г. в СССР весовое количество использованных природных технических алмазов равнялось весовому количеству синтетических, то в 1971 г. доля искусственных алмазов составила уже 85%. И она постоянно растет - ведь современные крупные машиностроительные заводы ежегодно потребляют сотни тысяч каратов алмазов в изделиях сотен наименований. Росту доли синтетических алмазов способствует в значительной степени меньшая их стоимость. Например, в мире (без СССР) синтетические алмазы составляют по весу около 80% всех алмазов, тогда как их стоимость выражается в 25-30% от общей стоимости всех алмазов.

В последнее время сильно возросли требования, которые предъявляются к различным технологическим процессам и операциям, в частности к качеству обработки поверхности того или иного материала. Как известно, чем ниже выступы на обработанной поверхности, тем выше класс ее чистоты. Условно различают 14 классов чистоты поверхности, причем высший из них характеризуется величиной выступов не более 0,1 мк. Использующиеся сейчас методы обработки, скажем, металла предусматривают достижение наивысшей чистоты поверхности после первых же операций. Так, сразу же после резания желательно получить поверхность, которая не нуждается в дальнейшей шлифовке и полировке. Это можно сделать инструментом на основе искусственного алмаза.

Однако, прежде чем изготовить алмазный инструмент, надо твердо знать, какой именно алмаз необходим. Синтетические алмазы, как и природные, используются большей частью в виде порошков. Каждый порошок имеет свою характеристику, которую разрабатывает для него Государственный стандарт СССР (ГОСТ). По действующему ныне ГОСТу алмазные порошки делятся на две группы - шлифпорошки и микропорошки. Можно считать (приближенно), что к первой относятся алмазные порошки с размером частиц, большим 60 мк, ко второй - с размером частиц, меньшим 60 мк.

Крупность алмазного порошка играет важную роль в его практическом применении. Если алмазный порошок используют для получения гладких поверхностей, то он должен быть очень мелким. При грубой абразивной обработке пригодны более крупнозернистые алмазные порошки.

В настоящее время из синтетических алмазов готовят несколько марок алмазных шлифпорошков.

Алмазы марки АСО синтезируются при таком режиме, который обеспечивает заранее заданные хрупкость, прочность и развитую поверхность. Они предназначены для изготовления инструмента на органической связке, применяемого при чистовых и доводочных операциях. Повышенная хрупкость порошков АСО уже при незначительном затуплении зерна приводит к образованию новых режущих кромок, т. е. к своего рода самозатачиванию. "Самозатачивающийся" инструмент обеспечивает низкое усилие резания и низкую температуру шлифования.

Алмазы АСР прочнее АСО примерно в 2 раза и менее хрупкие. Из них делают инструменты на керамических и металлических связках.

Алмазы АСВ обладают еще большей прочностью и используются в инструменте, работающем при повышенных нагрузках.

Алмазы АСК по своей хрупкости и прочности идентичны природным алмазам, имеют хорошую огранку. Они выпускаются размером до 500 мк. Инструмент с такими алмазами используется в особо тяжелых условиях, например при резке и обработке природного камня и железобетона.

Алмазы марки АСС характерны минимальной хрупкостью и наивысшей прочностью, превосходящей даже прочность природных алмазов. Их выпускают размером до 630 мк. Наряду с природными алмазами они служат в буровом инструменте, для правки шлифовальных кругов, при резке корунда и самого алмаза. Обычно алмазы АСС - прозрачные хорошо ограненные монокристаллы.

Из алмазных порошков марки АСМ и АСН приготавливают суспензии, пасты. Они могут использоваться в инструменте. На основе микропорошков гальваническим путем делают очень тонкие отрезные круги для микрорадиоэлектроники. Алмазные микропорошки при обработке дают наивысшие классы чистоты, что очень важно для микрорадиоэлектроники, оптики, в изготовлении зеркал оптических квантовых генераторов - лазеров.

Алмазные порошки сортируют на узкие фракции по размеру зерен. Шлифпорошки разделяют с помощью сит, а микропорошки - с помощью центрифуг. Например, обозначение АСС 630/500 означает, что это алмазы марки АСС, в которых преобладающий размер зерен составляет от 500 до 630 мк; АСМ 2/1 - что это алмазный микропорошок с преобладающим размером зерен от 1 до 2 мк и т. д. В связи с задачами новой техники сейчас осваиваются новые зернистости мелких порошков алмаза - так называемые субмикропорошки. Получают порошки с размерами частиц до 0,7; 0,5; 0,3 и даже до 0,1 мк!

Это означает, что основной размер частиц в таком субмикропорошке не должен превышать 1000 ангстремов.

Требования к микропорошкам, и в особенности к субмикропорошкам, несравненно выше, чем к крупным алмазным шлифпорошкам. Действительно, всего одно крупное зерно алмаза, попавшее в субмикропорошок, может свести все его превосходные качества к нулю. Ведь мелкие порошки предназначены для окончательной, суперфинишной обработки ответственных деталей - шероховатости поверхности при этом измеряются долями микрона. И вдруг на этой поверхности контролер видит яркие глубокие риски, оставленные там единственным зерном, которое невесть каким путем попало в порошок. Труд большого числа людей в течение многих суток пропадает.

Не надо думать, что чем крупнее алмазный порошок, тем он дороже. Это совсем не так, вернее, так только до определенной зернистости. Однако самые мелкие микропорошки стоят дороже, чем крупные, а субмикропорошки идут в одинаковой цене с самыми крупными синтетическими алмазами (разумеется, в пересчете не на одно зерно, а на один карат).

Это вызвано трудностями устранения, например, с помощью центрифуг частиц, превышающих определенный размер.

Основными потребителями алмазов являются не только машиностроение (станкостроение, самолетостроение, кораблестроение), но и геология, где отдача от одного карата применяемого алмаза при бурении особенно велика. В геологии и других отраслях получили признание поликристаллические алмазные материалы. Причем алмазные компакты (в коронках, в карандашах для правки абразивных кругов и др.) желательно изготавливать путем спекания крупных порошков - от 10 мк и выше. При этом лучше использовать тщательно перемешанную смесь крупной и мелкой фракций порошка, чтобы мелкие частицы заполнили промежутки между крупными. А для абразивной обработки резцов, работающих в основном на сжатие, целесообразно брать мелкие фракции алмазных порошков - с размерами частиц вплоть до 0,1 мк. Тем самым достигаются наивысшие классы обрабатываемой поверхности.

Самое широкое применение алмазные порошки получили в кругах для обработки металлов. Здесь особенно большой эффект дало введение поверхностно-активных металлов в порошки, предложенное Е. Д. Щукиным и В. Н. Перцовым. При этом процесс шлифования ускоряется, а срок работоспособности шлифовальных кругов удлиняется. Здесь проявляется открытый академиком П. А. Ребиндером эффект облегчения разрушения твердых тел (в данном случае шлифуемой поверхности) под влиянием адсорбации поверхностно-активных молекул.

Разумеется, применение алмазного инструмента требует соответствующих современных механизмов. Бессмысленно ставить алмазный резец на разбитый, расхлябанный токарный станок. Применение алмазов требует общего высокого уровня производства. С другой стороны, высокоточные и высокопроизводительные станки требуют инструмента из сверхтвердых материалов именно для того, чтобы обеспечить высокую точность и большую производительность. Не останавливать же станок или автоматическую линию каждые пять минут для замены износившегося инструмента.

Нельзя не рассказать еще об одном важном применении алмазов. В начале книги мы уже говорили о наковальнях П. Бриджмена, пионера в исследовании высоких давлений. Именно разработанное им устройство позволило впервые достичь высоких давлений. Сам синтетический алмаз является во многом детищем техники высоких давлений. Оказывается, что и алмаз может дать многое для развития этой техники. Такая взаимосвязь, обратная связь, вообще характерна для бурно развивающейся науки нашего времени, для эпохи научно-технической революции.

В 1959 г. было предложено заменить изготовленные из твердого сплава наковальни наковальнями алмазными. Первый такой прибор состоял практически из двух бриллиантовых корпусов, вершины которых были срезаны. По этим плоскостям алмазы системой рычагов и пружин прижимались друг к другу. Расчеты показывали, что на площадке контакта между сжимаемыми алмазами могут быть достигнуты давления, превышающие миллион атмосфер.

Установки с алмазными наковальнями были достаточно простыми и совершенствуются поныне. Однако с самого начала встал вопрос об определении истинных давлений, получаемых при этом, т. е. о градуировке. Эта часть задачи была решена в 1972 г., когда для измерения давлений было использовано изменение спектра поглощения рубина. При повышении давления одна из линий спектра рубина закономерно смещается. Это смещение можно легко измерить современными приборами - спектрографами и тем самым определить давление. Поэтому наряду с исследуемыми материалами между алмазными наковальнями помещают маленький кусочек рубина. Не правда ли, занятно сочетание алмаза и рубина, особенно если учесть, что для электрических контактов при переходе в металлическое состояние часто используют золото и платину.

Естественно, что получение сверхвысоких давлений не самоцель. Прежде всего появляется возможность исследовать состояние различных веществ при высоких давлениях. А этот вопрос давно чрезвычайно интересует ученых, занимающихся нашей Землей. Ведь недаром порой сетуют, что о звездах мы знаем больше, чем о строении той планеты, на которой живем. По современным представлениям Земля состоит из коры, мантии и ядра. Давление на границе кора-мантия (глубина в среднем 100 км) составляет 10 тыс. ат, на границе мантия-ядро (глубина 3000 км) - около 1,5 млн. ат, а в центре Земли оно достигает 35 млн. ат. Применение алмазных наковален дает ученым мощное средство для изучения в первую очередь свойств веществ, находящихся в мантии.

Методы сверхвысоких давлений могут быть применены и для решения более привычных задач, например для исследования изменения скорости радиоактивного распада при повышении давления, для изучения свойств жидкости и смазок. В современных машинах смазка находится под действием очень больших давлений и может возникнуть явление схватывания, когда смазка уже таковой не является, т. е. не облегчает скольжение трущихся деталей. Ранее считалось, что явление схватывания связано с образованием в жидкости крупных стекловидных частиц. Исследования с помощью алмазных наковален позволили сделать вывод о том, что в тонких слоях жидкостей возможно образование около поверхности очень вязкой пленки, что и затрудняет движение трущихся деталей машин относительно друг друга.

Однако основная фундаментальная задача использования сверхвысоких давлений, достигаемых с помощью алмаза, заключается в сверхпроводимости. При определенной для каждого проводника температуре его сопротивление электрическому току падает до нуля. Это явление открыто в 1911 г. Каммерлинг-Оннесом. В кольце из сверхпроводника постоянный электрический ток не затухает очень долго, поскольку электрическое сопротивление сверхпроводника, по крайней мере, в 1017 раз меньше электрического сопротивления этого же проводника при комнатной температуре. Чтобы представить себе эту часть, нужно единицу разделить на другую единицу с семнадцатью нулями, т. е. практически это нуль.

Следует отметить, что сверхпроводимость, к сожалению, достигается при очень низких температурах, не превышающих двух десятков градусов выше абсолютного нуля, что требует применения для охлаждения проводников жидкого гелия. Создание сверхпроводников, способных работать при высоких температурах,- мечта ученых. Трудно представить себе то огромное значение, которое имело бы создание сверхпроводника, способного работать при высоких температурах. Ведь это передача практически без потерь энергии на огромные расстояния ( а сейчас значительная часть энергии в линиях электропередачи тратится на преодоление сопротивления), сверхмощные магниты и т. д. Поэтому исследования по сверхпроводимости широко ведутся во всем мире.

Вещества при приложении к ним высоких давлений переходят в металлическое состояние. В 1968 г. было указано на возможность того, что металлический водород может явиться сверхпроводником почти при комнатной температуре. Это сообщение вызвало лавину работ по получению металлического водорода. В Советском Союзе эти работы развиваются в Институте физики высоких давлений Академии наук СССР. В 1972 г. ученые этого института сообщили о получении перехода водорода в металлическое состояние при давлении 1 млн. ат с использованием наковален из синтетического алмаза. Сейчас очередная задача в этой области сводится к тому, чтобы выяснить возможность сохранения водорода в металлическом состоянии после снятия давления, т. е. в обычных условиях.

Нельзя не сказать о переводе в металлическое состояние ксенона - инертного газа. Лишь в 1961 году удалось получить первое соединение ксенона со фтором. Недавно ученые Института физики высоких давлений под руководством Е. Н. Яковлева не только перевели ксенон в металлическое состояние, но и при температуре лишь на 7° выше абсолютного нуля получили его в сверхпроводящем состоянии. Для этого потребовалось давление в 500 тыс. ат, которое было получено в специальной камере из поликристаллического алмаза.

Наука и техника - алмазу. Современная наука и техника делают очень много для того, чтобы алмаз мог ярче проявить свои уникальные свойства. Посмотрите, как на всем пути алмаза - от его зарождения до появления на рабочем месте - помогают ему, формируют и "одевают" его всемогущие наука и техника!

Алмаз во многом призван заменить широкоприменяемые твердые сплавы на основе карбида вольфрама, в том числе и знаменитый победит. Но при самом рождении алмаза ему служат твердосплавные матрицы, между которыми и происходит синтез.

Для создания необходимого в процессе синтеза давления нужны наимощнейшие прессы, которые являются воплощением самых передовых идей науки и техники, реализацией высокого уровня мастерства работников промышленности. Именно таков пресс, действующий в Институте физики высоких давлений АН СССР. Этот пресс уникален по своим размерам и возможностям. Он развивает усилие в 50 тыс. т, "работает" в отдельном здании, а для его доставки потребовался специальный поезд.

После синтеза алмаз находится в смеси с металлом и непрореагировавшим графитом. От них его очищают обычно различными смесями кислот, подвергая продукт синтеза их многократному воздействию. Получившийся в результате алмазный порошок классифицируют.

Из разных марок алмаза делают многообразные инструменты. Для закрепления в них алмаза используют различные типы связок.

Очень важно крепление алмазов в буровом инструменте, на изготовление которого идут самые дорогие и крупные кристаллы. Ведь при бурении особенно необходимо, чтобы инструмент работал как можно дольше. Алмазы для лучшего сцепления с металлом коронки или долота предварительно металлизируют - покрывают тонким слоем металла. Перед металлизацией их подвергают операции ова-лизации: все грани кристаллов округляют, придавая им овальную форму. Конечно, много алмаза при этом теряется, дробится, но овализованные алмазы работают лучше, чем исходные: у них нет выступов, из-за которых алмаз подчас и выскакивает из своего гнезда в инструменте.

Для исследования алмазов применяются самые мощные современные методы: рентгеноструктурного анализа, электронно-парамагнитного резонанса, инфракрасной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и др.

История того, как сначала выяснили химическую природу алмаза, потом его структуру, затем получили синтетические алмазы при высоких давлениях, а в дальнейшем разработали способ наращивания и выращивания алмазов из газа, весьма поучительна. Она показывает могущество науки (в частности, химии и физики), позволившей создать процессы и материалы, о которых в прошлом столетии не могли даже мечтать. Однако это стало возможным далеко не сразу, а только после того, как был построен прочный научный фундамент.

Фундаментом, который позволил узнать состав алмаза, стали основы химии. Отроение алмаза выяснилось после разработки методов исследований, использующих диффракцию рентгеновских лучей в кристаллах. Методы синтеза при высоких давлениях базируются на достижениях теории о равновесиях и превращениях фаз. Методы синтеза в области метастабильности алмаза построены на учении о механизме образования новой фазы. Методы и приборы для оценки крупности зерен порошка основаны на применении кинетической теории газов и их фильтрации через пористые тела.

Все перечисленные фундаментальные научные разработки получили практическое применение при решении множества проблем, не связанных с алмазом, но. несомненно будут и дальше использоваться для усовершенствования методов его синтеза и изучения. Несомненно также, что для дальнейшего становления наших знаний об алмазе понадобятся и другие области науки, как уже разработанные, так и новые, которые будут развиты в дальнейшем.

Все это наглядно и убедительно показывает величайшую ценность так называемых фундаментальных научных исследований, позволяющих охватить и поставить на службу человеку широкие области явления природы. В свою очередь, достигаемые при этом практические результаты часто приносят пользу и развитию самой науки.

История алмаза лишний раз свидетельствует о неисчерпаемости природы и бесконечности процесса познания. Мы узнали об алмазе много и даже изготовили его, но вместе с тем еще очень недостаточно изучили этот минерал. Например, по-прежнему полны загадок свойства поликристаллических сверхтвердых материалов на его основе, не ясны особенности их структуры и механизма спекания. Вполне вероятно, что на границах зерен при приложении высоких давлений образуются структуры, отличные от известных ныне. Поэтому раскрытию явлений, происходящих при спекании алмаза и нитрида бора, ученые уделяют много сил и внимания.

На примере исследований по синтезу алмаза, будь то при высоких давлениях или при газофазной кристаллизации, особенно ярко прослеживается связь различных научных школ и направлений. Изучение механизма образования алмазов в природе стимулирует постановку новых экспериментов в лабораториях. И наоборот, полученные в лабораториях результаты способствуют выдвижению новых идей о происхождении природных алмазов. Заканчивая свою книгу "Происхождение алмазов", советские ученые В. Г. Васильев, В. В. Ковальский и Н. В. Черский пишут: "Раскрытие механизма образования алмазов в природе представляет не только теоретический интерес, но имеет и большое практическое значение. Решение этой вековой задачи позволит определить наилучший исходный материал и условия для производства искусственных алмазов с заранее заданными параметрами, а также уточнить критерии для поисков алмазоносных кимберлитовых трубок и россыпей".

Как известно, новые идеи чаще всего возникают на стыке различных научных дисциплин. Сочетая исследования в области физики, геологии и химии, геохимик Э. М. Галимов выдвинул новую идею об образовании алмазов, подкрепив ее расчетами химических реакций, течения расплавленной магмы, теплофизическими расчетами.

Если по теории В. Г. Васильева, В. В. Ковальского, Н. В. Черского необходимые давления в магме возникают в результате взрыва газовой смеси, т. е. в результате протекания очень быстрой химической реакции, то по теории Галимова давление вызывается чисто физической причиной - образованием пузырьков углерод содержащего газа - кавитацией. При этом создаются очень высокие импульсные давления, своего рода микровзрывы. Кавитация хорошо известна ученым: именно она разрушает быстро вращающиеся лопасти корабельных винтов, поверхность которых становится вся "изъеденной" мельчайшими воронками. Это явление может возникнуть при внезапном расширении канала, по которому с большой скоростью течет жидкость, если в этой жидкости имеется растворенный газ. Вот Галимов и подтвердил своими расчетами, что в расплавленной магме образуются пузырьки газа, кавитация которых приводит затем к локальному, местному повышению давления до миллионов атмосфер, а температуры - до 10 тысяч градусов. При этом углеродсодержащий газ разлагается и образует алмаз. Такие процессы происходят неоднократно. И действительно, в природных алмазах различают сложную структуру, как будто один слой наращивался на другой с некоторыми остановками.

Обе взрывные теории позволяют объяснить некоторые из наблюдаемых в природе явлений: алмазоносность одних кимберлитовых трубок и отсутствие алмазов в тех, что расположены рядом; получение совершенных кристаллов; распределение алмазов в породе и др. Предлагаемые механизмы находят свое подтверждение и в эксперименте, выполненном в Институте физической химии.

Авторы настоящей книги рассуждали следующим образом: при разложении углеводородов образуется сажа, а не графит, хотя сажа метастабильна к графиту. Значит, сама по себе метастабильность не является запретом на образование частиц углерода различных структурных модификаций. Расчеты подтвердили это предположение и, более того, показали, что каждой структурной форме углерода: саже, графиту, алмазу - соответствует область условий, когда их образование становится преимущественным. Поставили эксперимент по кристаллизации углерода в пузыре паров жидкости, нагретых до высоких температур. В продуктах разложения были получены мелкие кристаллики алмаза наряду с частицами графита сажи и карбинов.

Наша книга посвящена в основном алмазу, частично другим формам углерода. Это очень важные объекты исследований. Но авторы хотели бы заключить книгу утверждением, что химики могут делать не только алмазы. Тому есть примеры получения других важных веществ методом химической кристаллизации из газовой фазы при химических реакциях. Пусть читатель примет последнюю главу как пролог к новой, еще не написанной книге.