Jak se vyrábí syntetické diamanty a brilianty?

Geologické procesy, které způsobují krystalizaci molekul uhlíku do třpytivých a tvrdých diamantů, zahrnují vysokou teplotu a velký tlak. Tyto podmínky vznikají v důsledku tektonické a vulkanické činnosti v útrobách země, kdy magmatické masy vybuchují na povrch. Navzdory skutečnosti, že zásoby diamantů na Zemi jsou považovány za významné, většina z nich leží ve velkých hloubkách, nepřístupných moderním metodám těžby. Jelikož se kameny používají nejen ve šperkařství, ale také v průmyslu, začali vědci přirozeně laboratorně studovat možnosti výroby surových diamantů. Podívejme se na hlavní body otázky: jak se vyrábějí umělé diamanty a leštěné diamanty?

Co je syntetický diamant

Ne každý má rád výraz „syntetický“ ve vztahu k diamantům. Považuje se za přesnější a blíže k podstatě – „laboratoř vytvořená“. Kromě toho zmínka o „syntetické“ povaze dává potenciálním kupcům negativní asociace se syntetikou jako levnějším a méně kvalitním analogem, zatímco syntéza drahých kamenů v laboratoři umožňuje získat kameny s vlastnostmi přesahujícími přírodní ekvivalent.

Syntetický diamant, také známý jako HPHT diamant, CVD diamant nebo nanostony, v závislosti na technologii výroby. Jedná se o autentický kámen, který se skládá z čistých uhlíkových molekul, s trojrozměrným izotropním tvarem krystalové mřížky.

Umělý diamant může mít monokrystalickou strukturu (jeden velký krystal) nebo polykrystalickou formu (skládá se z hmoty malých krystalů spojených dohromady). První typ syntetizovaných kamenů je žádaný pro klenotnický průmysl a výrobu složitých vysoce přesných zařízení. Polykrystaly se průmyslově používají k výrobě nástrojů. Pokud jde o čistotu a tvrdost, syntetizované diamanty mohou dokonce překonat přírodní vzorky.

Syntetické diamanty lze získat odstínem:

• bezbarvý (bez nečistot);
• modrá (přítomnost boru);
• žlutá (struktura obsahuje dusík).

Také vystavením kamenů radioaktivnímu záření se získají krystaly zelené a červené barvy. Z barevných jsou cenově nejdostupnější žluté kameny, dražší jsou bezbarvé syntetické diamanty.

Co je syntetický diamant

Kameny získané v laboratorních podmínkách jsou zpočátku stejně neatraktivní jako přírodní diamanty. Aby krystaly získaly atraktivní vzhled připomínající šperky, jsou broušeny. Výsledkem je syntetický diamant – laboratorně vyráběný broušený diamant.

Takové diamanty dokonale lámou světlo, třpytí se a je poměrně těžké je odlišit od jejich přirozeného „protějšku“. Jedním ze znaků toho, že máte před sebou syntetizovaný kámen, je jeho bezchybnost (žádné vady, inkluze, perfektní barva). Diamanty extrahované z kimberlitové trubky mají často vměstky, nečistoty a praskliny.

Náklady na umělý diamant budou o něco levnější než jeho přírodní protějšek, ale výrazně vyšší než u náhradních kamenů.

Někteří výrobci dokonce „označují“ své výtvory laserovým leptáním diamantu se sériovým číslem a „LG“ nebo jeho ekvivalentem, což znamená „vypěstované v laboratoři“.

Kde se uplatňují

Umělé diamanty a leštěné diamanty mají široké využití. Až 90 % umělých diamantů jde pro potřeby vědeckých laboratoří a průmyslu. Mezi výrobci se dokonce traduje přísloví: „Pokud není diamant dobrý k ničemu jinému, vyrobte z něj diamant. Díky své vysoké průhlednosti a charakteristikám rozptylu světla se používají nejen ve šperkařství, ale také při výrobě vysoce přesných elektronických zařízení. Kameny nižší kvality se používají k výrobě řezných a brusných nástrojů, pro optické přístroje a také jako vodiče tepla.

2-3% tržního sektoru šperkařských diamantů představují syntetické kameny. Získávají se procesem HPHT a procesem CVD. Dnes je proces získávání monokrystalu diamantu drahý, proto bude možné po zlevnění technologie zvýšit procento uměle vypěstovaných kamenů pro klenotníky bez ztráty kvality.

Postupně umělé diamanty nahrazují selenid zinku, který se používá jako únikové okno v gyrotronových a CO instalacích₂ lasery a další vysoce výkonné zdroje záření. Díky své vysoké tepelné vodivosti a nízkému koeficientu lineární roztažnosti diamantová okna dokonale odstraňují mikrovlnné a infračervené záření.

Diamant má mezi materiály s vysokou tepelnou vodivostí nízkou schopnost vést elektrický proud. Tato vlastnost z něj činí nepostradatelný materiál pro odvod tepla ve výkonových tranzistorech nebo výkonových laserových diodách. Použití diamantů v systému odvodu tepla je odůvodněno skutečností, že oprava nebo výměna elektronických zařízení bude stát mnohem více. Syntetické diamanty se používají jako tepelné rozptylovače, aby se zabránilo přehřátí polovodičů, jako je křemík.

Výroba průmyslového nářadí

Díky tvrdosti diamantů jsou syntetické kameny oblíbené při výrobě leštících past, brusiv a supertvrdých řezných nástrojů.

Vzhledem k tomu, že diamant má maximální tvrdost, jeho povlak se používá k výrobě brusných kotoučů, vrtáků a šneků schopných zpracovat jakýkoli materiál. Zejména nástroje pro řezání diamantů v těžebních závodech jsou také potaženy diamantem.

Je pozoruhodné, že syntetické kameny jsou vhodnější než přírodní, protože jsou obecně jednotnější ve svých vlastnostech.

Většinou diamantový povlak zahrnuje zahrnutí diamantových zrn do kovové matrice na bázi kobaltu. Během provozu se kov opotřebovává a diamanty umístěné ve hmotě se postupně obnažují a nahrazují použitý povlak.

Existuje technologie povlakování nástroje diamantovou vrstvou na principu procesu CVD, ale tento přístup zatím nemůže nahradit kovovou matrici polykrystalickými diamantovými zrny.

Jediným omezením pro použití diamantových nástrojů je vysokorychlostní zpracování oceli. V místě řezu je dosaženo kriticky vysoké teploty, což vede k rozpuštění uhlíku v železe. Z tohoto důvodu se nástroj rychle opotřebovává. Tento přístup se ukazuje jako nerentabilní.

Průmyslová výroba umělých diamantů a leštěných diamantů k dnešnímu dni ještě nedosáhla úrovně, kdy by mohly plně konkurovat trhu s přírodními kameny. Technologická základna potřebuje zlepšení. Mezi společnostmi těžícími diamanty a výrobci syntetických kamenů však již začaly reklamní a marketingové bitvy.

Výrobní technologie

V laboratorním prostředí se syntetické diamanty vyrábějí fyzikálními nebo chemickými procesy. Ke krystalizaci molekul uhlíku do diamantové mřížky dochází pod vlivem několika faktorů, které musí být uměle vytvořeny. Zvláštností výroby diamantů je zachování vysoce kvalitního prostředí, které nedovoluje cizí nečistoty v komoře syntézy. V opačném případě se vlastnosti kamene ve srovnání s referenčními vzorky sníží.

Teplota a tlak, nebo technologie HPHT

Zkratka znamená „High Pressure High Temperature“ a samotná metoda napodobuje procesy tvorby přírodního diamantu. Uhlíkový polotovar je umístěn v kapsli s kovovými katalyzátory – kobaltem, železem a niklem. Tato kapsle-buňka je poté zahřívána a stlačována mnohatunovými lisy, aby se simuloval tlak v útrobách země během uvolňování magmatických hmot.

Tato metoda vyžaduje zařízení schopné generovat vysokoteplotní teplo a vysoký tlak. Tato metoda je však poměrně levná, proto se používá k vytváření diamantového prachu a průmyslových diamantů. Jedinou nevýhodou instalace Platen je, že výsledek není vždy bezchybný, což předurčilo její specializaci na výrobu surových technických diamantů.

Připomeneme-li si kosmickou teorii původu diamantů, pak dochází k zahřívání ve vrstvách atmosféry a výbuchu při dopadu na zemský povrch. Detonační syntéza nanodiamantů platí i pro fyzikální metody. Pomocí výbušnin je grafit vystaven náhlému zahřátí na vysoké teploty a zvýšený tlak.

Zajímavostí této metody je, že mikrokrystaly se získávají při pokojové teplotě a normálním atmosférickém tlaku. Suspenze grafitu a organické kapaliny se podrobí ultrazvukové kavitaci. Když zvukové vlny určité intenzity procházejí kapalinou, tvoří se bubliny. Když se tyto prázdné bubliny zhroutí, uvolní se velké množství energie, podobně jako vodní kladivo. Ve výsledku tato energie stačí k vytvoření krystalové mřížky nanodiamantů.

Tato technologie je založena na chemických procesech. Celý název je Chemická depozice z plynů neboli chemická depozice z plynu. Proces probíhá při nízkém tlaku a syntetizované diamanty mají vyšší kvalitu než při vystavení teplotě a lisování.

Jako zdroj uhlíku se používá plyn, nejčastěji metan nebo jiná sloučenina obsahující vodík a uhlík. Usazování probíhá na tzv. „zárodku“, na kterém se vytvoří krystalová mřížka.

Tato metoda umožňuje získat tenké, ale dostatečně velké vzorky diamantů, které budou použity pro laserová a další vysoce přesná zařízení.

Výhody a nevýhody

Jedinou nevýhodou syntetických diamantů a diamantů je jejich cena. Výroba kamenů vyžaduje sofistikované vybavení a laboratorní podmínky. Také získání malého kamene vyžaduje čas.

Mezi výhody laboratorně pěstovaného krystalu patří:

• úplná identita s přírodním analogem (syntetizovaný původ lze určit pouze v laboratoři);
• vysoká čistota kamene s minimálním procentem nečistot;
• maximální tvrdost na Mohsově stupnici;
• schopnost odebírat velké množství tepla v kombinaci s vlastnostmi dielektrika;
• odolný vůči kyselinám a jinému agresivnímu prostředí.

Další výhodou syntetizovaných diamantů je jejich „humánní složka“. Při vývoji diamantových dolů v afrických zemích je využívána lidská práce, navíc se diamantová pole kvůli vojenským konfliktům stávají předmětem násilných konfliktů s lidskými oběťmi. Laboratorní kameny oba tyto faktory vylučují, jsou výhradně „mírové“. Tato skutečnost je činí atraktivními pro lidi, kteří nechtějí podporovat žádné projevy diskriminace a násilí.

Na závěr se sluší zmínit, že syntetické diamanty a jejich napodobeniny nejsou totéž. Ano, kubické zirkonie a moissanit jsou také umělé kameny, které ve špercích nahrazují přírodní diamanty. Vzhledově jsou podobné – bezbarvé, jiskří, ale v molekulárním složení mají výrazné rozdíly. Jsou také identifikovány fyzikálními a chemickými rozdíly ve vlastnostech.

Mezi milovníky diamantů jsou jak příznivci přírodních kamenů, tak ti, kteří se zásadně zajímají o úspěchy vědy. Šperky se syntetickými diamanty nejsou horší než jejich analogy, nápadné jiskrou a duhovostí na okrajích. Schopnost získat fantazijní barvu také dává klenotníkům výhodu při vytváření složitých designových děl, protože nyní lze kámen vytvořit na zakázku.

Syntetický diamant: jak se vyrábí a jak se liší od přírodního diamantu

• 23.06.2023
• Je zajímavé,
• Napsat komentář

Umělý nebo syntetický diamant je stejný drahý kámen, jen jej nevytváří příroda, ale člověk v laboratorních podmínkách. Hlavní oblastí jejich použití je průmysl. Umělé diamanty se aktivně používají při vývoji složitých zařízení, mikroelektroniky, ochranných povlaků a optiky. Ve šperkařství pro ně ale místo je. Jediný významný rozdíl mezi přírodním a syntetickým diamantem je ten, že jeho struktura je bez nečistot. Neobsahuje žádné součásti třetích stran ani žádné vady.

Stručná historie

Vědci se již stovky let snaží syntetizovat diamanty v laboratorních podmínkách. Myšlenka na vytvoření umělého kamene zaměstnávala mysl badatelů již od počátku 1956. století. Požadovaného výsledku však bylo poprvé dosaženo až v roce XNUMX. První syntetický diamant byl vyroben technologií HPHT, která zahrnuje zpracování za extrémně vysokých teplot a tlaků. Autorství této metody patří společnosti General Electric, která si ji krátce po úspěšných testech nechala patentovat.

O několik let později se metoda CVD začala používat jako alternativa k technologii HPTH. Jeho podstatou bylo také tepelné zpracování pod vysokým tlakem, ale jeho základ byl mnohem hlouběji zakořeněn v procesech chemické syntézy.

Rozdíly ve výrobních technologiích

Obě technologie umožňují získat dokonale čistý umělý diamant s přibližně stejnými vlastnostmi a charakteristikami. Samotný výrobní proces při jejich použití je však odlišný:

• HPTH. Technologie je založena na zpracování surovin při teplotách okolo 1500 stupňů Celsia a tlacích více než 50 tisíc atmosfér. Těchto hodnot se dosahuje lisováním pracovní směsi hydraulickým lisem. Malé kousky diamantů jsou umístěny uvnitř nádoby. Poté prochází elektřina surovinou, která je na bázi železa, niklu, kobaltu a grafitu. Pod vlivem posledně jmenovaného se směs roztaví. Rozštěpený grafit se rozpadá na atomy a vede k postupnému růstu diamantu;
• CVD. Diamant vzniká z uhlíkového plynu obklopeného metanem a zahřátý elektřinou nebo laserovým paprskem na teploty přes 700 stupňů Celsia. V důsledku toho se jeho atomy usadí na křemíkovém substrátu a začnou syntetizovat diamant. Pravý diamant lze použít i jako pecku, zvláště pokud jsou na čistotu finálního kamene kladeny vysoké nároky.

Obě technologie umožňují dosáhnout stejného výsledku. Rozdíly jsou pouze ve způsobu syntézy. Není rozdíl v kvalitě a fyzikálních a mechanických vlastnostech vyrobených syntetických diamantů.

Rozdíly od přírodního diamantu

Laboratorně vypěstovaný syntetický diamant je mnohem levnější alternativou přírodního kamene. Například 3karátový diamant mohou lidé vytvořit za pouhých 3-10 týdnů, zatímco podobný kámen v přírodě se tvoří miliardy let. To vytváří znatelný rozdíl v ceně. Syntetický diamant je mnohem dostupnější.

Rozdíl mezi syntetickými a přírodními diamanty je však mnohem méně patrný. Mají téměř totožné fyzikální a mechanické vlastnosti, včetně tvrdosti a pevnosti. Umělý diamant je ale vzhledově mírně odlišný – díky vysokému stupni čistoty je průhledný a lehčí.

Podíl syntetických diamantů na trhu šperků dnes není větší než 5 %, ale postupně se zvyšuje. A pokud pro vás není problém, že jsou vyráběny v laboratoři, lze tuto variantu považovat za levnější a neméně efektní náhradu pravých diamantů.