3.5. Титанат стронция (фабулит)
По сравнению с рутилом этот синтетический камень более подходит для замены алмаза в ювелирных изделиях. Он совершенно бесцветен, оптически изотропен, и его показатель преломления (2,41) аналогичен алмазу. Дисперсия у фабулита (0,1 – 0,2) более высокая, что обеспечивает красивую игру при изменении углов падения лучей света или освещения. Твердость фабулита 5,5 – 6,5, поэтому его целесообразно использовать для изготовления серег или кулонов, а не в кольцах, где он быстрее изотрется.
Синтез титаната стронция осуществляется по известному методу М. А. Вернейля.
После выращивания кристаллы обязательно отжигают в струе кислорода при низкой температуре. За рубежом промышленный выпуск фабулита осуществляет фирма "Националь Лед и К°" (США). В СССР фабулит не выпускается.
3.6. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ)
Иттрий-алюминиевая окись (Y3A15O12) имеет структуру граната и чаще называется иттрий-алюминиевый гранат – ИАГ или гранатит. Выращивается ИАГ чаще всего по методу Чохральского, однако хорошие результаты дает и метод кристаллизации из расплава с флюсом. Условия синтеза ИАГа весьма подобны условиям выращивания корунда.
Вначале иттрий-алюминиевый гранат применялся только в технике; добавляя некоторые лантаноиды (в частности, неодим), выращивали кристаллы, используемые в лазерной технике: кроме того, кристаллы ИАГ служат подложкой при синтезе ферримагнитных гранатов, применяемых в лазерной технике и радиоэлектронике.
В последние годы ИАГ широко применяют в ювелирных изделиях. Благодаря добавкам лантаноидов стало возможно получать кристаллы разного цвета – красные, зеленые, желтые, коричневые и др., не встречающиеся в природе. За рубежом ИАГ выпускает ряд фирм, наибольшую популярность имеют гранаты фирмы "Линда" (США).
В СССР ИАГ изготавливают по методу направленной кристаллизации, позволяющему выращивать идеально правильные и чистые кристаллы.
Искусственный гранат образуется при высоких температурах в глубоком вакууме в специальных аппаратах. Завод выпускает светлые гранаты, розовые, желтые и зеленые. Время синтеза – около 4 суток. Ведутся исследования, направленные на получение кристаллов ИАГ любой окраски – от пурпурной и лимонной до чисто-голубой и сиреневой.
3.7. Ниобат лития
Ниобат лития – LiNbO3 – относительно мягкий синтетический камень (твердость около 5,5 по шкале Мооса). Интересен он прежде всего оптическими свойствами, что позволило использовать его в лазерной технике. Показатель преломления его 2,2 –2,3, дисперсия высокая 0,12, что обеспечивает красивую игру камня.
Кристаллы выращивают по методу Чохральского. При добавках в расплав окислов металлов переходной группы можно получить кристаллы различной окраски: при введении окиси хрома – зеленую, окиси железа –красную, окиси кобальта – голубую или синюю. В СССР ниобат лития не синтезируют.
3.8. Фианит
В 1970 – 1972 гг. Физический институт Академии Наук СССР (ФИАН) разработал способ изготовления нового синтетического материала на основе кубической модификации окиси циркония и гафния (Zr, Hf)O2, – фианит. Природным аналогом фианита является тажеранит, открытый на Тажеранском массиве. Фианит обладает хорошей огнеупорностью и химической стойкостью, высокой степенью прозрачности, показателем преломления и дисперсией. Температура плавления фианита 2600 –2750 °С, твердость 7,5 – 8 по шкале Мооса, плотность 6 – 10 г/см3, показатель преломления приближается к алмазу 2,1 – 2,2. По химическому составу фианит представляет собой окись циркония в сочетании с добавками редкоземельных элементов – эрбия, церия, неодима или кобальта, ванадия, хрома и железа. Кристаллы фианитов образуются из расплавленной массы элементов, входящих в его состав. Процесс кристаллизации происходит на специальных затравках при охлаждении расплава. Скорость роста кристаллов 8 –10 мм/час. Можно получить кристаллы фианита массой до 250 г. Окраска фианитов и его плотность определяются химическим составом. Небольшие количества примесей перечисленных элементов придают фианитам разнообразный цвет и оттенки: красный, розовый, фиолетовый, голубой, желтый, белый и др., кроме изумрудного. По цветовой гамме фианит может соперничать с аметистом, гранатом и цирконом, по красоте он превосходит алмаз.
Высокий показатель преломления фианитов, близкий к алмазу и большая дисперсия создают особую игру света при различных условиях освещения. Эти свойства в сочетании с разнообразной окраской позволяют имитировать природные драгоценные камни из фианитов, а также создавать новые, оригинальные по окраске.
В ультрафиолетовых лучах фианит в зависимости от примесей может люминесцировать голубым, желтым, фиолетовым и другим цветом.
В промышленном количестве фианиты начали выпускать в СССР с 1972 г. Он сразу завоевал всеобщее признание как в технике, так и в ювелирной промышленности. Из него изготавливают высококачественные линзы для оптических приборов и очков, так как благодаря высокому показателю преломления почти плоские линзы обеспечивают высокую степень увеличения, а также оптические устройства для квантовых генераторов. Перспективен этот материал и для химической промышленности, так как фианит химически стоек в агрессивных средах, тугоплавок, не окисляется и не испаряется при температурах более 2500 °С. Он является изолятором, но при нагревании до температуры более 300 °С становится проводником.
Обрабатывать фианит можно только в определенных направлениях кристалла. Он довольно сложен в обработке, легко растрескивается и крошится. Выход при огранке сырья обычно не превышает 10 – 15 %. При огранке высота нижней части камня должна быть более глубокой, что улучшает его "игру", а "площадка" – более широкой. Грани фианитов слегка закруглены, что служит дополнительным отличием этих камней от бриллиантов.
Подобный фианиту материал для имитации драгоценных камней выпускают за рубежом. В США фирма "Серез Корпорейшен" (Вальтхэм, штат Массачусетс) синтезирует материал "диамонеск", очень похожий по своим свойствам на фианит, в Швейцарии фирма "Гранд" Лдевахирджан" СА" (Монтей, Валанс) производит "джевалит", а в Австрии фирма "Д. Сваровски энд К0" (Ваттенс, Тироль) выпускает "цирконий* по советской лицензии".
Цены на эти материалы – 10 долларов за 1 кар.
Глава 4. Синтетический алмаз
Синтезом алмазов занимались многие ученые. Ведущая роль принадлежит советскому физику О.И. Лейпунскому, который в 1938 г. провел теоретический анализ условий образования алмаза из графита и определил области стабильного существования алмаза. В результате им была изучена диаграмма состояния алмаз – графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов.
В феврале 1953 года группе физиков шведской энергетической компании ASEA при проведении очередного опыта по синтезу алмаза из графита при давлении 8 · 108 МПа и температуре 2500 °С с выдержкой во времени 2 минуты удалось получить первые в мире искусственные алмазы. В декабре 1954 г. ученые фирмы "Дженерал Электрик К°" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. Впоследствии ими была разработана камера типа "белт".
После этого синтез алмазов был организован в ряде стран – Бельгии, Англии, Японии и др. В СССР в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л.Ф. Верещагина был разработан способ получения синтетических алмазов, который был передан для промышленного освоения Институту сверхтвердых материалов АН УССР. В 1961 г. была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800 – 2500 °С и давлении более 5 · 102 МПа в присутствии катализаторов – хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора. В настоящее время составлены диаграммы образования алмаза из графита с различными катализаторами. На рис. 6 приведена диаграмма системы алмаз – графит – никель.
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 производства синтетических алмазов – США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР ("Де Бирс"), Англия, Япония.
