Главная страница
Навигация по странице:

  • Прочие физико-механические свойства.

  • Оптические свойства

  • Электрические и магнитные свойства

  • Свойства алмаза


    НазваниеСвойства алмаза
    Анкор6.doc
    Дата12.12.2017
    Размер64 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла6.doc
    ТипЛекция
    #11966

    ЛЕКЦИЯ 6

    СВОЙСТВА АЛМАЗА
    Алмаз - это кристаллическая модификация чистого углерода. Он образуется в глубоких недрах Земли, в верхней мантии на глубинах более 80-100 километров при исключительно высоких давлении и температуре. Это самый драгоценный камень, самый твердый и износостойкий минерал, самый блестящий и неподверженный времени самоцвет. История алмазов насчитывает тысячи лет, однако и в наше время бриллианты привлекают миллионы людей своей магической красотой.




    Рис. 1. Кристаллы алмаза.
    Во все времена этот завораживающий и уникальный камень притягивал человека. «Он остаётся невредимым в самом сильном огне, это свет солнца, сгустившийся в земле и охлаждённый временем, он играет всеми цветами, но сам остаётся прозрачным, точно капля воды...» - писали об алмазе в древности. Первые упоминания об использовании человеком алмазов относятся к Индии и появились примерно за три тысячи лет до нашей эры. Алмазы сверкающей нитью проходят сквозь ткань бытия, сквозь историю человечества, исчезая на время и вновь появляясь, чтобы осветить своим загадочным сиянием самые невероятные и причудливые легенды. "Величайшую цену между всеми человеческими вещами, а не только между драгоценными камнями, имеет алмаз, который долгое время только царям, да и то весьма немногим, был известен" – писал древнеримский ученый Плиний Старший в 79 году н.э. в своем трактате «О естественной истории».

    Греки называли его «адамас» или «адамантос» — непобедимый, несокрушимый, непреодолимый; римляне — «диамонд»; арабы — «алмас», наитвердейший; древние евреи — «шамир»; индусы называли его «фарий». Древнерусский литературный памятник, «Изборник» 1073 г., в равной степени использует термины «адамас» и «адамант», а «Хождение за три моря» Афанасия Никитина (1466-1472 г. г.) впервые, и навсегда, «узаконило» в русском языке название «алмаз». В древней Индии считали, что алмазы образованы из пяти начал природы - земли, воды, воздуха, неба и энергии. В Индии алмаз был обожествлён и превращён в фетиш. Его наделили множеством мифических возможностей.

    Рассмотрим, каковы же свойства алмазов, совокупность которых делает этот камень уникальным природным объектом.

    Твердость. То, что алмаз твердейшее вещество на земле, было известно с незапамятных времен. В древнем санскритском стихотворении говорится о фарии (по-санскритски «фария»- алмаз) так :                  

                     Фария не может царапать никакой

                     Драгоценный камень-

                     Он царапает все камни.

                     Фарий царапает фария …

    Греческие поэты Гепсоид и Эсхил писали, что адамас (греческое название алмаза) годится для изготовления шлема Геракла и цепей Прометея, т.е. предметов, несокрушимость которых стала нарицательной.  

    Алмазам, как и другим кристаллическим телам, свойственна анизотропия некоторых характеристик (т.е. вариации этих характеристик в различных кристаллографических направлениях), в том числе и анизотропия твердости, что обусловлено особенностями внутреннего строения кристаллов. Твердость меняется не только от грани к грани, но и нередко в пределах одной и той же грани к грани, но и нередко в пределах одной и той же грани кристалла, что необходимо учитывать при обработке алмаза и при работе с алмазам инструментом. Так, при обработке одного алмаза другим их следует так взаимно ориентировать, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости, а износ алмазного инструмента - в направлении наибольшей.

    Необходимо подчеркнуть, что предел прочности на изгиб и на сжатие у алмаза сравнительно низок, поэтому он достаточно хрупок и при резком   и сильном ударе может расколоться. Колется он   по системе плоскостей, параллельных определенным граням кристалла. В минералогии такое свойство называется спайностью. Наличие плоскостей спайности позволяет при   обработке алмаза вместо сошлифовки откалывать кусочки кристалла, которые имеют различные дефекты или мешают приданию требуемой формы бриллианту или какому-нибудь техническому изделию из алмаза.

    С другой стороны, повышенная хрупкость алмаза, являясь, безусловно, «слабым местом» алмазного инструмента, обусловливает необходимость его оберегания от резких неожиданных ударов. Даже использование стальных щипцов при сортировке бриллиантов требует определенного навыка, иначе можно легко обломать острые края камней.

    Надо отметить, что в древние времена эти два свойства алмазов -твердость и прочность - зачастую не различались. Римский историк и естество испытатель Гай Плиний Старший писал, что «алмаз так сопротивляется ударам молота на наковальне, что молот разлетается, а сама наковальня растрескивается». Проведи Плиний сам такой опыт, он бы убедился, что как раз молот и наковальня у него бы остались, а драгоценный камень превратился в пыль. Мнение о несокрушимости алмазов под мощными ударами было широко распространено   в древности, что зафиксировано в письменных документах и устных легендах разных времен и народов.

    Прочие физико-механические свойства. Важное значение имеет очень   низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе – всего 0,1 что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуется ,коэффициент трения   возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения   обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая   превышает износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов – в сотни и тысячи раз . В результате, например, при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше,чем любого другого абразива.

    Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

    Термические свойства. Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 С. 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 счете в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000 С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

    Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью, что обусловливает быстрый отвод тепла, возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем   у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.

    Теплопроводность некоторых алмазов при комнатной температуре выше теплопроводности меди в 4 раза; средние ее значения при 180 (Вт/м.К) для алмазов типа Iа - 800, для IIа - 1250, для IIб-1260, для синтетических монокристаллов - 660, поликристаллов - 400. Удельное электрическое сопротивление алмазов типа IIб (полупроводниковые) составляет 1 - 10s Ом.см, алмазы других типов - до 1010 Омсм.

    Оптические свойства. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417, а для   различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового).

    Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных  прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое   преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией   вызывает характерный   блеск отполированного алмаза, названный алмазным.

    Показатель преломления в пределах одного кристалла может быть различен; среднее значение его для природных алмазов 2,4165, для синтетических алмазов 2,4199 (для кристалла октаэдрической формы). Угловая дисперсия для природных и синтетических алмазов одинакова - 0,063. Отражательная способность 0,172. Кристаллы алмаза практически всегда обладают - вследствие различных деформаций кристаллов и особенностей текстуры.

    Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей    алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы.

    Электрические и магнитные свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое   удельное сопротивление и  обладают свойствами полупроводников.   Эти алмазы, как правило, голубого цвета.   Очень высоко ценятся  и   исключительно редки. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности   имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота.   Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов- магнетита и ильменита.    Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации «магнитные» алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут   быть пропущены.

    Окраска. Большинство природных алмазов бесцветно, однако нередки такие камни самых разнообразных цветов и оттенков. Наиболее часто встречаются алмазы со слабым желтоватым оттенком, а также зеленоватые. В месторождениях Южной Африки зачастую попадаются бурые алмазы; за счет значительных примесей аморфного углерода они могут приобретать совершенно черную окраску. А вот розовые, рубиново - красные, розовато-лиловые и синие очень редки. Что касается алмазов сапфирово - синего цвета, то это, как уже отмечалось, явление исключительное, и ценятся они соответственно очень высоко.

    Поверхность алмазов из наиболее древних месторождений (возраст которых превышает 1 млрд. лет) имеет зеленую окраску, которая, однако, исчезает при механической обработке кристалла. Ученые объясняют возникновение зеленой «рубашки» на алмазах продолжительным воздействием на них естественного радиоактивного облучения. Сейчас это явление воспроизведено экспериментально.

    В США, Великобритании и ряде других странах искусственное окрашивание природных алмазов производят в лабораторных условиях. Если «бомбардировать» алмаз электронами с энергией 1МэВ, а потом с определенной скоростью охлаждать, то он приобретает синеватый цвет. Если энергия облучения достигает 1,5МэВ, то алмаз становится сине – зеленым. Оттенок цвета зависит от продолжительности излучения. К сожалению, искусственно окрашенные голубые алмазы, в отличие от природных голубых, не приобретают полупроводниковых свойств.

    При облучении нейтронами алмаз окрашивается в зеленый цвет, густота которого также определяется продолжительностью излучения. Гамма – лучи придают алмазу равномерную голубовато – зеленую окраску.

    Прочие свойства. Алмаз – минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время   алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000º – 1200º С  также окисляют алмаз. При нагревании до 800º С   в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

    Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е. не смачивается водой. Из–за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно – песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности гранатами, ильменитами. После называют минералами – спутниками алмаза: они помогают геологам отыскивать алмазные месторождения.

    В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чем основаны некоторые способы извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы.

    Форма кристаллов. Большая часть алмазов встречается в природе в виде отдельных хорошо оформленных кристаллов или их обломков. Преобладают октаэдры, ромбододекаэдры и кубы, а также их комбинации. Это кристаллы с ровными плоскими гранями. Так их и называют – плоскогранными. Реже встречаются кривогранные, округлые кристаллы, однако в некоторых месторождениях они преобладают. Зачастую кристаллы алмаза срастаются друг с другом или же как бы «прорастают» друг друга, образуя соответственно так называемые двойники срастания и прорастания.

    Практически во всех алмазных месторождениях присутствуют микро – и скрытокристаллические агрегаты, сложенные сотнями тесно сросшихся мельчайших зерен алмаза. Бортом обычно называют неправильные мелкозернистые сростки (по технической классификации к борту относятся также трещиноватые монокристаллы). Балласы представляют собой шарообразные агрегаты радиально – лучистого строения, пористое, коксовидное и шлаковидное строение. Наиболее ценятся массивные карбонада, покрытые эмалевидной корочкой, которая тверже самого алмазного ядра. Карбонада незаменимы для изготовления алмазных буровых коронок.

    Размеры алмазов. Обычно размеры алмазных зерен варьируют от долей миллиметра до 0,5 – 1 см в поперечнике, но встречаются и очень крупные кристаллы. Единицей массы драгоценных камней, в том числе и алмазов, является карат. По одной версии, термин “ карат ’’ происходит от греческого слова “ кератониа ” (маленький рог). Так называлась росшая в Средиземноморье акация, семена которой греки долгое время использовали в качестве своеобразных гирек при взвешивании драгоценных камней. По другой версии. Слово “ карат ” ведет свою родословную от “ куара ” – так   греки называли коралловое дерево (Erytrina corallodendron). Масса семечек обоих деревьев удивительно постоянна и составляет в среднем 205 мг.

    Вплоть до начала ХХ века в различных странах использовались караты разной величины. Например, флорентийский карат равнялся 197,2 мг, мадридский – 205,3,  берлинский – 205,4, амстердамский – 205,7, венский – 206 мг. В 1914 г. был введен единый метрический карат, равный 200 мг (0,2 г). В Советском Союзе он официально действует с 1922 г. Алмаз массой в один карат имеет диаметр около 0,5 см.

    Алмазы массой более 15 карат — редкость, массой в сотни карат — величайшая редкость. Некоторые камни получают собственные имена, мировую известность и прочное место в истории. Подробнее об исторических алмазах. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат. Главное использование природных алмазов – в ювелирном деле, но далеко не из каждого алмаза можно сделать бриллиант. Безусловно, ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, т.е. уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. До конца XIX века бриллиантами владели только высшие сословия, но в ХХ веке были открыты крупные месторождения алмазов, и рост добычи сделал их более доступными для покупателей.


    Литература:

    1. Физические свойства алмаза. Справочник (под ред. Новикова Н.В.). Киев: Наукова думка, 1987. – 190 с.

    2. Вечерин П.П., Журавлев В.В., Квасков В.Б., Клюев Ю.А. Природные алмазы России. М.: Полярон, 1997. – 303 с.
    написать администратору сайта