Большая Советская Энциклопедия (АЛ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 86

  Химический состав А. определён в конце 18 в. Это дало начало многочисленным попыткам получения искусственного (синтетического) А. в различных странах. Надёжные результаты синтеза А. получены в середине 50-х гг. 20 в. почти одновременно в нескольких странах (США, Швеция, ЮАР).

  В Советском Союзе А. впервые синтезированы в институте физики высоких давлений под руководством академика АН СССР Л. Ф. Верещагина. Промышленное производство А. было развито совместно с Украинским институтом сверхтвёрдых материалов. О получении синтетического А. в СССР было объявлено на Июльском пленуме ЦК КПСС (1960).

  А. является кристаллической модификацией углерода стабильной лишь при высоком давлении. Давление равновесия термодинамического между А. и графитом при абсолютном нуле (0 К= —273,16°С) составляет около 1500 Мн/м2 (15 кбар ) и возрастает с увеличением температуры (рис. 2, граница между 4 и 5 ). При давлении, меньшем равновесного, устойчив графит, а при более высоком — А. Однако взаимные превращения А. в графит и графита в А. при давлении, соответственно меньшем или большем равновесного, происходят с заметной скоростью только при достаточно высоких температурах. Поэтому А. при нормальном давлении и температурах до 1000°С сохраняется практически неограниченное время (метастабильное состояние ).

  Непосредственное превращение графита в А. требует высокой температуры и соответственно высокого давления (7 на рис. 2). Поэтому для облегчения синтеза используют различные агенты, способствующие разрушению или деформации кристаллической решётки графита, или снижающие энергию, необходимую для её перестройки. Такие агенты могут оказывать каталитическое действие. Процесс синтеза А. объясняют также растворением графита или образованием неустойчивых соединений с углеродом, который, выделяясь из раствора или при распаде соединений, кристаллизуется в виде А. Роль таких агентов могут играть некоторые металлы (например, железо, никель и их сплавы).

  Необходимое для синтеза давление создаётся мощными гидравлическими прессами (усилием в несколько и десятки Мн, или в сотни и тыс. тс ), в камерах с твёрдой сжимаемой средой (см. Давление высокое ). В сжимаемой среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящую из графита (или др. углеродсодержащего вещества) и металла, облегчающего синтез А. После создания нужного давления смесь нагревается электрическим током до температуры синтеза, который длится от нескольких секунд до нескольких часов (обычно нескольких минут достаточно для образования кристаллов с линейными размерами в десятые доли мм ). Для сохранения полученных А. в нормальных условиях (в метастабильном состоянии) прореагировавшая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.

  Вещества, применяемые при синтезе или добавляемые к реакционной смеси, могут входить в А. в виде примесей, обусловливая при этом некоторые их свойства(в первую очередь электрические и оптические). Например, примесь бора сообщает кристаллам А. окраску от светло-синей до тёмно-красной; бор и алюминий придают А. определённые температурные зависимости электросопротивления. Форма и окраска кристаллов зависят также от температурного режима: для синтеза при высокой температуре характерны более совершенные прозрачные октаэдрические кристаллы. Снижение температуры приводит к появлению кубооктаэдрических и кубических кристаллов, а в низкотемпературной области обычно образуются чёрные кубические кристаллы. Микроскопические кристаллы А. могут получаться и без участия катализаторов при сжатии графита в ударной волне . Этот метод пока не получил промышленного применения. Разработаны также методы синтеза А. в области устойчивости графита (9 на рис. 2).

  Сравнительно быстрый рост кристаллов А. синтетические и специфические примеси обусловливают их особые физические и механические свойства. Варьирование условий синтеза позволяет получать кристаллы разных размеров (до 4 мм ), степени совершенства, чистоты и, следовательно, с заданными механическими и др. физическими свойствами. При определенных условиях образуются микрокристаллические агрегаты типа баллас (диаметром в несколько мм ) и карбонадо, отличающиеся высокой прочностью и, в частности, стойкостью против ударных нагрузок (см. Инструмент алмазный ).

  В СССР с 1965 выпускаются технические синтетические А. обыкновенной, повышенной и высокой прочности. Они используются в качестве абразивного материала, а также при изготовлении однокристального инструмента. С расширением выпуска синтетических А. народное хозяйство получает высококачественный абразивный материал, более дешёвый, чем природные А. Не исключено, что развитие методов синтеза А. позволит получать синтетические А. со специальными физическими, например полупроводниковыми, свойствами. Это откроет новую область применения А. в приборостроении. Ежегодное производство синтетических А. в США 7,0 млн. кар (1967).

  Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М., 1964; Трофимов В. С., Основные закономерности размещения и образования алмазных месторождений на древних платформах и в геосинклинальных областях, М., 1967; Верещагин Л. Ф., Физика высоких давлений и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967; Бутузов В. П., Методы получения искусственных алмазов, в сборнике: Исследования природного и технического минералообразования, М., 1966; Коломенская М. Я., Натуральные и синтетические алмазы в промышленности, М., 1967; Рожков И. С., Моров А. П., Алмазы на службе человека, М., 1967.

  Соболев В.С., Геология месторождений алмазов Африки, Австралии, острова Борнео и Северной Америки, М., 1951; Ферсман А.Е. , Кристаллография алмаза, М., 1955; Хильтов Ю. М., Главнейшие этапы формирования кимберлитов, «Докл. АН СССР», 1958, т. 123, №3; Васильев В. Г., Ковальский В. В., Черский Н. В., Проблема происхождения алмазов, Якутск, 1961: Орлов Ю. Л., Морфология алмаза, М., 1963; Виноградов А. П., Кропотова О. И. и Устинов В. И., Возможные источники углерода алмазов по изотопным данным С12 С13 , «Геохимия», 1965, № 6.

Якутские алмазы: 1 — «Лучезарный» 37,60 кар; 2 — «Комсомольский» 48,48 кар; 3 — «Звезда (Сулус)» 21,66 кар; 4 — «Октябрьский» 68,47 кар; 5 — «Фабричный» 40 кар.

Исторические алмазы: 1 — «Великий Могол» 279 кар; 2 — «Кохинор» 108,93 кар; 3 — «Санси» 53,75 кар.

Рис. 1. Элементарная ячейка кристаллической решётки алмаза. Атомы С расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов. Плотность упаковки в решётке 34%. В наиболее плотных кристаллических решетках достигается плотность упаковки 68% и 74%. Есть основания полагать, что при высоких давлениях (см. рис. 2) существуют более плотные (может быть — металлические) модификации С.

Исторические алмазы. «Куллинан».3106 кар.

Рис. 2. Области существования углерода в различных состояниях (диаграмма состояния): 1 — жидкость; 2 — стабильный алмаз; 3 — стабильный графит; 4 — стабильный алмаз и метастабильный графит; 5 — стабильный графит и метастабильный алмаз; 6 — гипотетическая область существования иных твёрдых состояний углерода; 7 — точки, соответствующие условиям опытов по прямому превращению графита в алмаз; 8 — область образования алмаза с использованием металлов; 9 — область экспериментов по образованию алмазов при низком давлении (Бутузов, СССР).