Синтетические ювелирные камни (стр. 4 из 6)

Рис. 6. Диаграмма процесса синтеза алмазов с катализатором из никеля:

1 – кривая равновесия алмаз – графит;

2 – кривая плавления никель – углерод;

3 – кривая плавления никеля;

4 – область кристаллизации алмаза.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров (рис. 7). Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 5 · 10² МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза, так как при времени реакции 3 минуты образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин – 70 мг. Наиболее прочны кристаллы размером до 0,5 – 0,8 мм, более крупные имеют невысокие физико-механические свойства. Кроме описанного метода разработан еще ряд способов выращивания алмазов.

В 1963 г. В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из газовой фазы (из метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10³ МПа. Суть метода – создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит – воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод был разработан в СССР Б.В. Дерягиным и Д.В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая – около 0,1 мкм/ч.

В 1961 г. в США фирмой "Эллайд Хемикал и Дю Пон" был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200 · 10² МПа и температуры до 2000 ºС, при этом в графите образуются мелкие (до 10 – 30 мкм) синтетические алмазы. В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов, получивших название АВ.

В США фирмой "Дженерал Электрик К⁰" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

В настоящее время мировое производство синтетических алмазов (без СССР) составляет более 200 млн. карат/год. Главные центры производствасинтетических алмазов – США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР ("Де Бирс"), Англия, Япония.

Рис.7. Схема камеры типа "чечевица":

1 – пуансоны; 2 – реакционная смесь графита с никелем; 3 – пирофилитовая прокладка; 4 – муфта.

В мире выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО – алмазы обычной прочности, АСР – алмазы повышенной прочности, АСВ – алмазы высокой прочности, АСК и АСС – алмазы монокристаллические.

Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04 – 0,63 мм. Кроме того, выпускаются две марки микропорошков – АСМ и АСН с размером зерен 1 – 60 мкм. Монокристаллические синтетические алмазы АСК и АСС имеют размер зерен до 1 мм.

Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алмазов АСО, а наименее развитая – для алмазов АСС. Механическая прочность алмазов АСС приближается к прочности природных алмазов.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, кругов шлифовальных и отрезных, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т.д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических.

Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, используемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным алмазам – эльбор (или кубонит), гексанит и др. "Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственного его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немногое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом..." – так писал А.Е. Ферсман в 1945 г., а уже через несколько лет синтетические алмазы заняли ведущее положение в технике.

Около 200 лет пытаются создать синтетические алмазы. Десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов как для технических нужд, так и для ювелирных целей. Нерешенных проблем в этой области очень много, однако каждый день приближает нас к цели и не исключено, что в скором времени будут найдены экономичные способы получения синтетических алмазов любой формы, размера, цвета и качества. Природные драгоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих синтетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные. Г. Банк пишет: "Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драгоценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по прежнему ценит лишь оригинал!".

Глава 5. Как отличить природные ювелирные камни от их синтетических аналогов

Все синтетические материалы, применяемые в ювелирных целях, можно разделить на две группы: первую – синтетические камни – аналоги природных ювелирных камней и вторую – новые синтетические материалы, не имеющие аналогов среди природных камней и имитирующие ювелирные камни иного состава. Идентификация камней второй группы основывается на применении методов диагностики, описанных выше с учетом их свойств. Идентификация камней первой группы более сложна, так как состав и структура природных и синтетических камней этой группы идентичны. В настоящее время получены и имеются на мировом рынке синтетические корунды, шпинель, изумруд, кварц (в том числе аметист и цитрин), бирюза, в меньшем количестве александрит, опалы, кораллы и др.

В связи с получением синтетических аналогов ряда природных ювелирных камней остро встал вопрос о методах их отличия. Остановимся на некоторых, наиболее распространенных камнях.

Рубин и сапфир. Получаемые по методу Вернейля, рубин и сапфир в настоящее время наиболее широко применяемые в ювелирных изделиях камни. Стоимость синтетических корундов ниже природных в десятки и даже сотни раз.

Основные физические свойства синтетических корундов весьма близки к природным (коллектив авторов под руководством М. М. Классен-Неклюдовой и Х. С. Багдасарова, 1974 г.). Плотность синтетических корундов 3,992 г/см³. Примесь хрома повышает плотность до 4,013 г/см³, а титана, кальция и ряда других элементов – понижает. Показатели преломления: 1,7681 – 1,7635, у высокохромистого рубина – до 1,7681 – 1,7801. Иногда в синтетических корундах появляется аномальная двуосность, связанная с остаточными внутренними напряжениями.

В спектрах поглощения синтетических фиолетовых, синих и зеленых сапфиров в отличие от природных отсутствуют некоторые полосы поглощения (454, 467, 473 нм). Это можно обнаружить даже у ограненных камней при довольно несложном исследовании на спектрофотометре СФ-18, оснащенном приспособлением для записи спектров поглощения ограненных камней.

Отличительный признак синтетических рубинов, полученных при гидротермальном синтезе, – наличие в ИК-спектрах серии полос поглощения в интервале 3000 – 3600 см^–1, вызванных гидроксильными группами.

Особенно важно для распознавания синтетических и природных рубинов и сапфиров (в частности, ограненных) наличие включений, трещин, каналов, характер распределения окраски, двойникование, выявляемых при рассмотрении камня под сильной лупой или при микроскопических исследованиях. Для этой цели применяются стереомикроскопы (МБС, "Джемолайт" и др.), с мощным освещением – отраженным и проходящим светом. Для большей четкости изображения используется вода, спирт или иммерсионные жидкости (монобромнафтален, йодистый метилен и др.). Исследуемый камень опускают в жидкость, налитую в стакан. Чтобы уменьшить испарение жидкости, стакан накрывают стеклом. Так как показатели преломления иммерсионной среды и калия близки, то последний становится полностью прозрачным, что позволяет хорошо рассмотреть его внутреннее строение.

Установлено, что в природных рубинах (в частности, в кристаллах из Бирмы и Шри-Ланки) наблюдаются включения рутила, отдельные кристаллики, коленчатые двойники или микроскопические параллельные тонкие иголочки которого образуют так называемый "шелк", а расположенные под углом 60 и 120° – "сетку". Рубины Бирмы, очень богатые включениями, содержат также октаэдрические кристаллы шпинели, короткопризматические кристаллы апатита, оливин, кальцит, желтый сфалерит, сфен, мусковит. В рубинах Шри-Ланки можно увидеть включения правильных кристалликов циркона, часто окруженных "плеохроичными двориками", гранатов, пирита, пирротина, гематита, апатита, кальцита. В рубинах Таиланда рутил встречается довольно редко. Для них характерны альмандин, апатит, пирротин, для рубинов Танзании – апатит, графит, пирротин, паргасит, шпинель, цоизит.