Алмаз

Алмаз (adamas, adamant, diamond). Старое название алмаза - адамас. Греческое слово "адамас" (αδαμας) означает "непобедимый", "непреодолимый". Поначалу старинное название алмаза "адамас" не обозначало драгоценный камень; греческие летописцы использовали его, описывая очень прочные металлы и сплавы (в частности, сталь), которые казались несокрушимыми по сравнению с бронзой. В английском языке используются слова, которые происходят от старого названия алмаза "адамас", это: adamant (1 - алмаз; 2 - непреклонный), adamantine (очень твёрдый), adamantly (категорически). Первое упоминание термина "адамас" как названия алмаза, с характерным описанием камня и его ценности, было найдено у поэта Марка Манилия (эпоха императора Августа).

Алмаз - типичный ковалентный кристалл, обладающий рядом уникальных свойств: самыми высокими среди известных материалов твёрдостью, прочностью при сжатии, трещиностойкостью. Беспримесные алмазы являются одними из лучших изоляторов и прозрачны практически для любых длин волн.

Алмаз отличается исключительной химической устойчивостью и инертностью к агрессивным средам.

Благодаря столь ценным свойствам алмаз всё шире применяется в различных отраслях промышленности и современной техники как инструментальный и конструкционный материал.

Физические свойства алмаза

Из всех известных драгоценных камней алмаз является самым простым по своему химическому составу, он состоит из одного элемента - углерода. Удивительно, что из одного и того же элемента получилось два настолько разных вещеста: алмаз и графит. Общие физические свойства алмаза и графита представлены в сравнительной таблице.

Алмаз - исключительный технический материал. При этом для технических целей ценны все свойства алмаза: абразивные, термические, электрические, оптические и др.

По десятибалльной шкале твёрдости Мооса алмаз является эталоном наивысшей твёрдости и имеет значение 10.

Для подробного изучения физических свойств алмаза рекомендуется изучить специальную литературу [1,2].

В кристалле алмаза кроме углерода всегда присутствует некоторое количество примесей, составляющих не более десятых долей процента, но иногда доходящих до 5%. Основные химические элементы-примеси в алмазе - азот, кислород, водород, железо, титан, марганец, кремний, алюминий, реже встречаются и некоторые другие. Азот является одной из характерных примесей, оказывающих существенное влияние на ряд свойств алмаза, в частности на его люминесценцию (свечение). Железистые примеси придают алмазу оранжево-желтые оттенки.

Кристаллическая решётка алмаза

Алмаз кристаллизуется в кубической системе, отвечающей самой плотной упаковке атомов и содержащей всего 18 атомов углерода. В кристаллической решётке алмаза каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между двумя соседними атомами решётки 0,154 нм. Постоянный размер кристаллической решётки алмаза 0,356 нм.

Алмаз образовывается при высоких давлении и температуре, как правило - в земных недрах, на большой глубине. Эти выводы геологов были использованы исследователями, работающими над проблемой искусственного получения алмазов. Получение искусственных алмазов имеет длинную историю, подробно останавливаться на этом мы сейчас не будем. Акцентируем внимание лишь на способе, который первым предложил Анри Муассан (первооткрыватель фтора, 1852-1907)). Расплавленный в дуговой печи, перенасыщенный углеродом чугун Анри Муассан мгновенно охлаждал водой. Корка застывшего чугуна, сжимаясь за счёт охлаждения, с чудовищной силой сдавливала ещё горячее ядро, внутри которого создавалось высокое давление. Таким способом Анри Муассан сумел получить мелкие твёрдые кристаллы плотностью 3,5 г/см³, которые современники долгое время считали алмазами. Позже способ Анри Муассана подвергся критике и сомнению. Тем не менее эта теория получения алмаза не угасла, а наоборот вдохновила многих учёных на дальнейшие исследования. В настоящее время продолжают разрабатываться гипотезы процессов формирования алмаза в чугуне. Предлагаем вашему вниманию статью Давыдова С.В. Кристаллизация шаровидного графита в расплаве высокопрочного чугуна), а также статью про "гексагональный алмаз" - лонсдейлит.

Фазовые равновесия алмаза с металлами

Добавка некоторых металлов или сплавов позволяет осуществить переход Г→А (графит-алмаз) при более низких давлениях и температурах, чем в случае прямого перехода. [...] В отличие от прямого перехода в этом случае возможно образование алмаза в условиях, близких к равновесным. Для каждого металла существует нижний предел температур, ниже которого металл не оказывает положительного влияния на образование алмаза. Верхний предел температур образования алмаза в присутствии любого из металлов близок к равновесной температуре А↔Г.

Двойные системы углерод-металл. Система C-Fe. Образование алмаза

Стабильная диаграмма C-Fe при атмосферном давлении сходна с диаграммами C-Ni и C-Co, также образует эвтектику γ + Г ↔ Ж (T=1426 K, молярная доля углерода 0,171), отличаясь только в области сплавов, богатых железом, в связи с полиморфизмом последнего, что несущественно с точки зрения равновесий углерода. Кроме стабильной, известна метастабильная диаграмма этой системы с образованием цементита Fe₃C и эвтектикой γ + Fe₃C ↔ Ж при температуре 1420 K и молярной доле углерода 0,1728. [...]

При повышении давления стабилизируется цементит [...], выше 8 ГПа стабилизируется карбид Fe₇C₃ [...]. На рис.12 показана зависимость характерных точек диаграммы C-Fe от давления. Согласно этим данным, образование алмаза из расплава возможно при давлениях выше 6,4 ГПа и температурах выше 2120 K (давление и температура более высокие, чем в системе C-Ni). Однако экспериментально алмаз был получен при давлении 5,3 ГПа и температуре 1600 K или 4,7 ГПа и 1580 K. В связи с этим высказано предположение, что цементит плавится при более низкой температуре [...]. Другое предположение состоит в том, что алмаз может образоваться при плавлении метастабильной эвтектики γ + Г.

Пояснения: А - алмаз, Г - графит, К - карбид, Ж - жидкость