Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
Лекция 15 применение алмаза в технике и промышленности
 Скачать 6.74 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 15 ПРИМЕНЕНИЕ АЛМАЗА В ТЕХНИКЕ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ В  конце 19 века сбылась давняя мечта людей. Французский ученый Огюст Верней в своей парижской лаборатории совершил казавшееся невозможным: из обычных химических реагентов (оксида алюминия и оксида хрома), с помощью обычного процесса кристаллизации в пламени он получил рубин. Позднее начали синтезировать и алмаз. Торговцы забеспокоились, как бы выращивание синтетических камней не подорвало торговлю природными камнями. В «Дженерал электрик» действительно получили несколько алмазов ювелирного качества, но они обошлись дороже природных камней (рис.1).Рис.1. Синтетические алмазы ювелирного качества, полученные «Дженерал электрик». О  громный спрос на синтетические алмазы возник в промышленности после второй мировой войны, когда началось бурное развитие экономики во всем мире. Для восстановления и модернизации фабрик и заводов требовалось все больше абразивного инструмента. Алмаз подходил для этой цели как нельзя лучше. Уже первые индийские огранщики свыше 2-х тысяч лет назад обнаружили, что алмаз можно распилить и огранить только алмазом, для других целей годился наждак, изготовленный из рубинов и сапфиров.Рис.2. Природные технические алмазы применяют, например, при бурении нефтяных скважин. На всех алмазных рудниках, кроме намибийских, технических алмазов добывают больше, чем ювелирных. В Австралии и Заире технические алмазы составляют почти весь объем добычи. Технология выращивания синтетических алмазов, разработанная «Дженерал электрик», «Де Бирс» и другими компаниями – это надежный источник не очень дорогих камней для резко возросших нужд промышленности. К 1980-му году больше половины ежегодно потребляемых алмазов были синтетическими. «Де Бирс» и «Дженерал электрик» стали основными конкурентами. Вскоре к ним присоединились СССР, Япония и Корея, приобретшие ценный опыт, который им очень пригодился в 1990-е годы. П  роизводство синтетических алмазов технического качества оказалось довольно выгодным делом. Их изготовление занимает немного времени и средств. Кроме того, их размер и форма были совершеннее и лучше подходили для использования в инструментах. Технические алмазы обычно желтого цвета, с включениями; впрочем, это несущественно. Они относятся к алмазам типа Ia, Ib. Промышленность перешла в основном на синтетические камни. Природные алмазы используются лишь для особых целей – изготовления специальных пресс-форм, резцов, буров (рис.2). Алмазы подешевели. С увеличением производства синтетических алмазов обнаружились новые области применения.Зубные врачи вместо стальных боров стали использовать алмазные боры. Они меньше нагреваются, быстрее вращаются и безопаснее (рис.3). Рис.3. Сверла в стоматологии. С  интетические алмазы пригодны практически везде, где требуется особо точная шлифовка: при изготовлении поршневых колец, оптических и прецизионных инструментов, контактных линз, очков и т.д.Рис.4. Синтетические алмазы нарезают борозды в дорожном покрытии.  Рис.5. Распиловка камней на нефритовом месторождении. Некоторые виды работ такие, как нарезка борозд в дорожном покрытии (рис.4), резка строительного и декоративного камня (рис.5, 6), инструменты для глазной хирургии (рис.7), огранка других драгоценных камней, благодаря синтетическим алмазам можно делать быстрее и дешевле. Единственно используемое здесь качество алмаза – его твердость. Невозможно перечислить все профессии алмаза, ведь сейчас выпускается более 5000 видов алмазного инструмента.  Р  ис.6. Синтетическими алмазами снабжены перья ручек, которыми наносится на поверхность свинцового хрусталя ее ни с чем не сравнимые рисунки.Рис.7. В глазной хирургии используется самый острый в мире скальпель. Его наконечник сделан из алмаза точно подобранной формы. А  лмазы с успехом применяются в сложных тепловых процессах и оптике. Алмаз – это самый теплопроводный среди твердых тел материал, к тому же остающийся стабильным при температурах порядка 1000ºС. Уже созданы алмазные термометры, надежно работающие при температурах, близких к абсолютному нулю, и устанавливаемые на космических телескопах для измерения почти неуловимого тепла, идущего от звезд (рис.8).Р  ис.8. Эта алмазная пластинка устанавливается в окуляр космического телескопа для измерения температуры звезд, что возможно благодаря исключительной теплопроводности алмаза.Рис.9. Алмазные подложки служат для охлаждения компьютерных микросхем . По мере того как мощность узлов электронной техники росла, а их размеры уменьшались, все настоятельнее требовалось обеспечить отвод тепла от наиболее чувствительных элементов (рис.9). На первых спутниках связи для предотвращения перегрева транзисторов использовались крошечные алмазные кубики (рис.10). Так алмаз приобрел еще одну специальность.  Рис. 10. Мельчайшие алмазные кубики отводят тепло от важнейших узлов космической электронной техники. Исследователями установлено, что наивысшей теплопроводностью обладают алмазы типа IIa, т.е. наиболее чистые по примесному составу кристаллы. При температуре 300ºК они имеют теплопроводность 2000 Вт/м·К, что более, чем в 5 раз превышает теплопроводность электоритической меди и серебра и в 9 раз – окиси бериллия. При этом алмаз обладает очень малым температурным коэффициентом линейного расширения по сравнению с другими материалами, что также является преимуществом при конструировании и монтаже теплоотводов: алмаз - 7·10-7 к-1, медь – 1,7·10-5 к-1, серебро – 1,9·10-5 к-1. Для изготовления теплоотводов используются алмазы типа IIa, обладающие наибольшей теплопроводностью. Алмаз обладает свойством считывать элементарные частицы. При попадании быстрых заряженных частиц в кристалл они выбивают электроны из атомов, т.е. ионизируют их. В алмазах это приводит к двум эффектам: 1) алмазы люминесцируют под действием радиоактивного излучения; 2) при наложении на кристалл электрического поля электроны и дырки, образовавшиеся под действием быстрой заряженной частицы, начинают двигаться в противоположные стороны, и создается импульс тока. Принято считать, что электроны перемещаются на сравнительно большие расстояния, а дырки захватываются центрами захвата вблизи места их возникновения. Оба эти процесса позволяют применять алмаз в качестве детектора в счетчиках ядерного излучения: свечение при облучении алмазов позволяет применять их в сцинтилляционных счетчиках, а регистрация возникающих импульсов тока – в счетчиках проводимости, где алмаз работает как твердая ионизационная камера. При попадании ядерной частицы в кристалле создается большое число пар электрон-дырка. Дырки (+) проходят через запорный слой и в замкнутой цепи возникает ток. Алмаз обладает еще одним уникальным свойством: он пропускает без искажений почти весь спектр электромагнитного излучения. Прозрачностью обладают многие материалы: стекло, кварц, бесцветный сапфир и др., но лишь при дневном свете, который составляет небольшой участок спектра. Поэтому когда требуется, чтобы окошко, защищающее особо чувствительные приборы, пропускало волны необходимой длины и при этом не портилось, выбор падает на алмаз (рис.11). Р  ис.11. Большие прозрачные окна широко применяются при создании датчиков для военных, космических и промышленных целей.Где нужны такие окошки? В основном, в промышленности, военной и космической технике. В самолетах и танках имеются датчики, помогающие экипажу при встрече с боевой техникой определять противника. Ракета, летящая на низкой высоте над пустыней, благодаря аналогичным датчикам находит с помощью тепловых и радарных волн свою цель. Размеры алмазных окон составляют 1,5-10 мм по диаметру и 0,5-1,0 мм по толщине. Естественно, наилучшего качества окна могут быть изготовлены из алмазов типа IIa. При этом, если окна используются для фотоприемников в УФ-диапазоне, то они недолжны обладать фотолюминесценцией. Еще одно требование к окнам заключается в том. Чтобы в них отсутствовали какие-либо включения, особенно, если речь идет о лазерных окнах. Алмаз нужен тогда, когда необходимо без потерь пропустить маленькие объемы информации. До недавнего времени для использования в качестве окошек термометров и теплоотводов применялись дорогостоящие природные алмазы. Алмаз также используется для наковален камер высокого давления. Алмазные камеры высокого давления предназначены для исследования состояния твердых и жидких веществ при высоких и сверхвысоких давлениях прежде всего оптическими, а также рентгеновскими методами. Рекордные давления, полученные в алмазных камерах достигают 4,6 мегабар. Так же как и в случае окон наиболее универсальны алмазные наковальни с идеальными оптическими свойствами, т.е. изготовленные из нелюминесцирующих алмазов типа IIa. Для многих конкретных исследований могут быть использованы алмазы других типов, и цена таких алмазных наковален ниже. Алмаз в наковальнях используется как конструкционный материал высокой прочности. Следовательно, к алмазным наковальням предъявляются повышенные требования в отношении макродефектов и напряжений. Для наковален отбираются кристаллы, у которых разность коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей составляет от 10-5 до 10-4. От этой величины, характеризующей двулучепреломление, также зависит цена наковален. В первых технологиях алмазного синтеза, разработанных «Дженерал электрик», «Сумимото», «Де Бирс» и российскими организациями, применялись высокая температура и давление.  Рис.12. В плазменных реакторах низкого давления создаются алмазные пленки . Сейчас главные усилия направляются на создание технологии низкого давления, так называемого химического осаждения из газовой фазы, которая позволит покрывать алмазным слоем практически все (рис.12). Источником углерода служит метан или ацетилен. При определенном составе газовой смеси и уровне температур пламени (или другого источника тепла) и объекта осаждения на поверхности последнего образуется тонкая пленка их микроскопических кристаллов алмаза (рис.13).  Рис.13. Тончайшие пленки из алмазных кристалликов придают алмазную твердость обычным предметам. Впервые эта технология была серийно испытана на бритвенных лезвиях и ограненных кристаллах кубического циркония (имитации алмаза). Эта технология приносит компании «Сумимото» большую часть из 400 миллионов долларов, выручаемых ею от продажи синтетических алмазов. Алмазы по этой технологии производят «Де Бирс», «Дженерал электрик», «Нортон», «Рейтеон», «Кристаллюм», «Даймонэкс», «Сумимото» и еще около 200 компаний и исследователей. Производство разделилось на три направления:
Р  ис.14. Сверла с покрытием из алмазной пленки.  Рис.15. При волочении через алмазную фильеру раскаленной негабаритной проволоки выходит тончайшая нить накаливания. Но области применения технологии химического осаждения ограничены лишь фантазией ее создателей. Первым шагом были, конечно, покрытия для увеличения прочности инструмента (рис.14), где использовались ранее синтетические алмазы. Алмазовидные покрытия применяются для создания линз, защищенных от царапин. Алмазные фильеры для волочения (рис.15) и режущий инструмент уже используются. А если помечтать, то можно себе представить и автомобиль с алмазным покрытием, предохраняющим от царапин и ржавчины. Таким образом, алмаз обладает тремя уникальными свойствами, благодаря которым он широко используется, а порой и незаменим, в промышленности и технике:
Литература
|