Физико-механические свойства природного алмаза

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твердость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(мК)¹, большие показатели преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) мудуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 10⁵ Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.

Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут². Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.

Структура природного алмаза

Кристаллическая решетка — кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману — Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp³ – гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.

Монокристаллический алмаз

Монокристаллические алмазы выращиваются искусственным путем и по основным характеристикам не уступают свойствам природного алмаза. Монокристаллы представляют собой алмазы с примесями азота и обладают следующими свойствами:

• теплостойкость до 1200 С°;
• высокой стойкостью, позволяющей прогнозировать срок службы волоки;
• низким уровнем внутренней деформации;
• высоким постоянствам диаметра проволоки;
• увеличением выхода массы проволоки в расчете на 1 волоку;
• отсутствием примесей;
• превосходной теплопроводностью.

Технические характеристики монокристаллов гарантируют быстрое охлаждение зоны волочения, что в свою очередь ведет к повышению износоустойчивости волок. Таким образом, монокристаллические алмазы являются идеальным мате­риалом для производства качественной проволоки, отвечающей самым высоким требованиям при волочении черных, цветных, драгоценных и тугоплавких метал­лов.

Синтетический поликристаллический алмаз

Первая попытка синтеза алмаза была предпринята в 1823 году, основателем Харьковского университета Василием Каразиным, который при сухой перегонке древесины при сильном нагреве получил твёрдые кристаллы неизвестного вещества. В 1893 году профессор К. Д. Хрущов при быстром охлаждении расплавленного серебра, насыщенного углеродом, также получил кристаллы, царапавшие стекло и корунд. Его опыт был успешно повторён Анри Муассаном, заменившим серебро на железо. Позже было установлено, что в этих опытах синтезировался не алмаз, а карбид кремния (муассанинт), который имеет очень близкие к алмазу свойства.

Поликристаллический композиционный материал типа Compax

Основателем синтетического поликристаллического алмаза (COMPAX PCD) была компания General Electric (в настоящее время – Diamond Innovation). Ее последователями были компании Sumitomo и De Beers (последняя уже не участвует в этом секторе производства). Выдающиеся физико-механические свойства у поликристаллического алмаза (COMPAX PCD) в первую очередь высокая твердость, теплостойкость, износостойкость и теплопроводность являются определяющими при создании инструмента из поликристаллов типа (COMPAX PCD).