Применение алмаза началось более двух веков назад. До середины XX века их использовались как материал для изготовления ювелирных изделий. Интересно то, что для гранения одного алмаза берут другой алмаз. Особая прочность материала не позволяет работать над ним с помощью кристаллических образований других минералов. Учёные минералоги, физики и химики долгое время изучали свойства породы. Они выявили все предельные характеристики, нашли возможность применения камней в различных производственных сферах.

Образец ценного минерала – аллотропное изменение углерода. У каждого человека есть возможность стать обладателем его частички. Это графит обычного простого карандаша. В графит преобразуется при определённом повышении температуры. Если ставит камень в таблицу твёрдости Мооса, он займёт самую верхнюю строчку, 10. Выше твёрдости наукой не выявлено и пород крепче алмаза ещё не нашли. Другие особенности минерала:

• плотность – до 3,4–3,5 г/куб.см;
• проводимость тепла – до 2,3 тыс. Вт;
• показатель трения по металлической поверхности – 0,1;
• верхний слой — плёнка газа в адсорбированном состоянии;
• при снятии верхнего слоя (плёнки) повышается коэффициент трения до 0,5;
• низкий коэффициент показателя возможности выдерживать сжатие;
• высокий модуль структурной упругости.

Кристалл возможно расплавить, если достичь уровня давления в 11 ГПа, показатель плавления – 4 тыс. градусов. Камень начинает гореть при t — от 800-тысячи градусов, процесс проходит на воздухе. Алмаз сгорает, не оставляя остатка, но образуя углекислый газ.

Пламя при горении голубое. Другой результат получается при нагревании без доступа воздушных масс. Температура – 2 тыс. Самоцвет преобразуется в графит, распадается, издавая звуки, похожие на хлопок. Термодинамика отличается в этом случае аномальным характером.

Учёные нашли применение алмазов в современных сферах индустрии и развивающихся технологиях.

Сферы применения

Областей использования свойств материала достаточно много. Можно перечислить основное и наиболее популярное.

В этой статье:

Сейчас насчитывается огромное количество разновидностей алмазов. В литературе приведено несколько классификаций, за основу которых взяты самые разные принципы. Некоторые из этих классификаций основаны на совокупности свойств материала - физических и химических. Их классифицируют по месту добычи, цвету, качеству материала. Разновидность алмаза может включать и такие параметры, как вес, наличие дефектов, густота и равномерность оттенков.

Необработанный алмаз

Классификация алмазов по весу

Вес этого минерала измеряется в каратах. В системе «СИ» карат составляет 0,2 грамма. Основной характеристикой вес является в том случае, если камень имеет небольшой размер. Крупные камни оцениваются по оттенку, чистоте цвета и включениям. Существует 3 вида, в зависимости от их массы:

• мелкими считаются камни, вес которых не превышает 0,29 карата;
• средние камни имеют массу от 0,3 до 0,99 карат;
• все минералы, вес которых превышает 1 карат, считаются крупными.

Цена камней пропорциональна квадрату их веса, однако это не единственный параметр, который оказывает влияние.

Сфера применения

В зависимости от сферы применения, добываемые алмазы различают на две категории:

• техническая разновидность алмаза;
• ювелирные алмазы.

• Борт - сростки кристаллов, обломки и кристаллы не ювелирного качества. Обычно они имеют слишком малый вес для того, чтобы их можно было подвергнуть огранке. В эту же категорию относят и другие кристаллы низкого качества, например, имеющие плохую окраску, дефекты, трещины или многочисленные включения. Борт представляет собой неприродный алмаз, который для использования в ювелирном деле измельчают в крошку и используют в качестве порошка для абразива.
• Баллас - шарообразные сферолиты алмаза с твердой оболочкой темного цвета, которые не содержат включений.
• Карбонадо - является практически самым известным алмазом. Название в переводе с португальского означает «углеродистый». Эта разновидность алмаза представляет собой агрегаты черного цвета, состоящие из неправильных зернышек или небольших октаэдрических кристаллов. Имеют больший коэффициент сопротивления истиранию, чем обычные технические алмазы.

Около 20% добываемых алмазов приходится долю на ювелирных. Их количество выше в россыпных месторождениях. Такие алмазы должны отвечать некоторым критериям: должны быть прозрачными, без больших трещин и включений.

Их подвергают огранке, при которой теряется приблизительно до половины массы, однако при этом раскрываются все качества минерала. Чаще всего для этого применяется форма огранки, которая носит название бриллиантовой. Но также могут быть использованы и другие, например, ступенчатая, кабошон, клиньями и их комбинации.

Алмаз весом 404 карата, добытый в Анголе

Разделение по цвету

Цвет этого минерала приобретается благодаря примесям и включениям, дефектам структуры, воздействиям внешних факторов, например, радиации. Окрас может быть неравномерным, а также состоять из нескольких цветов. Встречаются и алмазы, у которых окрас имеет только верхний слой. Наиболее распространенными являются бледные алмазы с оттенками.

Разновидности алмазов категории технических, которых большинство (приблизительно 80% всех добываемых камней) имеют такие варианты окраски:

• молочно-белые;
• серые;
• черные.

Среди алмазов ювелирного качества встречаются:

• алмазы с желтоватым цветом и оттенками;
• дымчато-коричневая разновидность алмаза.

Редкими цветами минерала являются:

• голубоватые;
• зеленоватые;
• розовато-лиловые.

Очень редко встречаются алмазы, которые не имеют цвета. Большинство из них имеет едва заметный оттенок, называемый нацветом. Прозрачный алмаз без каких-либо оттенков носит название «алмаз чистой воды». Существует несколько версий происхождения такого термина. Она из самых нелепых заключается в том, что контрабандисты якобы прятали камни в емкостях с водой, в которой те были не видны.

Вся нелепость версии заключается в том, что на самом деле они различимы в воде. Для того чтобы это было не так, и у них должен быть похожим коэффициент преломления. Коэффициент преломления воды составляет 1, а алмазов - 2,5. Таким образом, не представляет трудностей различить этот камень в воде. Вероятнее всего, термин применяется как обозначение прозрачности, присущей воде.

Какие оттенки алмазов самые ценные? Помимо прозрачных, ценность имеют алмазы, которые окрашены в яркие цвета, которые, как уже было сказано, носят название фантазийных. Они встречаются крайне редко. К ним относятся: золотистые и винно-желтые алмазы, а также некоторые другие более редкие цвета, например, красные, вишневые, голубые, розовые. Самыми редкими являются виды алмазов с такими цветами: фиолетовые, ярко-зеленые и черные при условии, что они относятся к ювелирной разновидности.

Добыча алмазов

До XIX века алмазы добывали только открытым способом. Однако после этого были открыты кимберлитовые трубки, и понадобилась новая технология добычи. Алмазоносная жила уходит вглубь земли, и в связи с этим было принято решение разрабатывать подземные способы добычи.

Существуют несколько способов добычи руды.

Алмазы сегодня используются не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Камень обладает свойствами, которые с успехом применяются во многих отраслях. Материал по характеристикам не удается заменить, поэтому, узнавая, что делают из алмазов, не стоит удивляться, если в этот список попадут не только украшения.

Свойства материала

Алмаз по своей природе является аллотропной модификацией углерода. Углерод также можно найти в других веществах вроде графита или угля, но именно алмаз из всего ряда прославился своими качествами. Материал имеет самую большую твердость среди всех элементов, 10 из 10 по шкале Мооса. Правда, это не подтверждает его прочности, материал очень хрупок, если подвергать резким воздействиям, например, ударам.

Необработанный алмаз

Плотность алмаза 3,4–3,5 г/см3. А теплопроводность высокая и составляет до 2300 Вт. Камень не нагревается в руках. А еще важными характеристиками в промышленности является низкий коэффициент сжатия и высокий модуль упругости. Плавление алмаза происходит при температуре 2000 градусов Цельсия без доступа кислорода, а если камень плавить на воздухе, то процесс начнется при 800–1000 градусах.

Алмаз горит и полностью переходит в углекислый газ. Если процесс происходит без кислорода, то он превращается в графит. Обратное перевоплощение гораздо сложнее.

Использование алмазов

Применение алмазов востребовано в таких сферах:

• ювелирной отрасли;
• обрабатывающей промышленности;
• горной промышленности;
• электротехнике;
• нанотехнологиях.

В ювелирной отрасли используется только треть добытых алмазов, которые обладают привлекательным видом. В камне должно быть минимальное количество микротрещин, дефектов, включений в структуру. Минерал должен обладать прозрачностью. В качестве включений иногда наблюдаются облачка или минерал приобретает желтоватый с серым оттенок из-за примесей в почве. Именно по этим критериям внешнего вида, а также с учетом размера камня оценивается стоимость алмаза.

Обработанные алмазы называются бриллиантами. После прохождения оценки у геммолога камень выставляется на аукцион, где его приобретает либо ювелир, либо бизнесмен, предприниматель. Иногда аукционы закрыты для покупателей, а минералы приобретают компании по производству украшений. Со временем минерал можно оправить в золото, платину или серебро. Любой благородный металл будет выглядеть в композиции с бриллиантом роскошно.

Ювелирные украшения с ограненными алмазами - бриллиантами

Бриллиантами украшают серьги, кольца, подвески, броши, браслеты. Такие изделия приобретают, как правило, девушки, поскольку бриллиант подходит им по энергетике. Камень долговечен и не требует особенного ухода.

Те алмазы, которые не проходят огранки и обрамления в драгметалл, то есть технические камни, отправляются на производство промышленных инструментов. Спрос на технические алмазы высокий, поэтому разрабатываются месторождения, а также совершенствуются технологии по поводу синтеза искусственных минералов. Такими способами можно покрыть потребности промышленности.

Обрабатывающая промышленность использует в основном твердость элемента. Разные виды работ вроде сверления или резки проходят быстро и без образования микротрещин на поверхности материала. С помощью алмазов происходит обточка металла. Буры, которые сверлят скважины с нефтью, также имеют покрытие крошкой из минерала.

У него высокая износостойкость, что позволяет покрывать алмазной крошкой любые инструменты. Это продлевает их срок действия и увеличивает производительность. Например, только в России существует более 1200 инструментов с покрытием алмазной крошкой:

• сверла;
• фрезы;
• стеклорезы;
• ножницы по металлу и по камню;
• шлифовальные инструменты.

Алмазное напыление на сверле

Преимущества использования алмазов в строительстве:

• точность работы, филигранность;
• скорость;
• малый шум процесса.

Алмазная резка существует нескольких типов: с помощью буры или сухая алмазная резка. Конечно, инструменты с напылением алмазной крошки дороже, чем обычные, но их стоимость окупается качеством процесса. Например, стоимость резки бетона с помощью алмазов полностью себя оправдывает. А еще от работника при использовании специальной аппаратуры не требуется больших физических усилий.

Актуально бурение скважин с помощью алмазов, особенно если диаметр должен быть небольшим. Сейчас появилась отрасль в строительстве под названием алмазная резка. При сверлении, например, бетона, отсутствует вибрация, пыль. Алмазное сверление сделает отверстия для следующих коммуникаций:

• систем водоснабжения, кондиционирования, сточных и канализационных трубопроводов;
• интернета и других каналов передачи данных;
• взятия бетонных проб на монолитных конструкциях скальных пород.

А вот алмазная резка также актуальна, поскольку она после себя оставляет идеальный срез, без сколов или трещин на материале. Диски, на которых есть алмазное покрытие, выдерживают большие температуры и перепады давления.

Алмазы используются в космической промышленности для покрытия приборов, улучшения их прочности. А на земле камень применяется при проведении работ, например, прокладке туннелей во взрывоопасных зонах.

В медицине также приветствуется использование алмазных покрытий, в особенности в хирургических инструментах. Таких, например, как медицинские скальпели, стоматологическая аппаратура, ножницы и зажимы. Ведется разработка медицинского лазера, на кристаллах которого будет алмазное покрытие, и минерал выступает в качестве проводника.

Применение алмаза также оправдано в телекоммуникациях и электронике. Камни используются для передачи сигналов по кабелям. Конечно, такие технологии требуют материальных вложений, зато соответствующие кабели способны выдерживать перепады температуры. А еще алмазам не страшны скачки напряжения. Применяют минерал вместе с рубином и при изготовлении сверхчувствительных элементов.

Алмаз используется в оптике для астрономов. Эксперименты из области физики и химии требуют применения алмазов для изобретения новой оптики, усовершенствования лазерных технологий, исследования космоса. Камни выступают в роли защитного элемента, который не может повредить плавиковая кислота.

На производстве, помимо природной породы, применяются камни, добытые в лаборатории. Ювелирные экземпляры добываются в кимберлитовых и лампроитовых трубках, отдельно от технического алмаза. А количество синтетических камней в промышленности достигает 97 %. Существует три технологии синтеза на сегодняшний день:

1. CVD - chemical vapor deposition, или химическое осаждение из пара.
2. HPHT - high pressure high temperature, метод с участием высоких температур и давления. Технология, в которой используется алмаз-затравка, а также графит, и в специальном пространстве создаются условия для образования новых ковалентных связей.
3. Синтез с подрывом, имитирующий условия, наиболее близкие к природным (взрывчатка с углеродом в составе).

Все эти технологии слишком затратные, но альтернативы в добыче алмазов пока нет. Поэтому ученые продолжают работать в направлении искусственного синтеза. Применение минералов в промышленности не останавливается, в последнее время разрабатываются нанотехнологии, поэтому стоимость сырья не падает. Камни в составе украшений также актуальны и востребованы на рынке драгоценностей.

Уже более чем двести лет драгоценный камень используется людьми. Его применение далеко не ограничивается созданием прекрасных ювелирных изделий, которые предназначены исключительно для красоты. Применение алмаза на современном этапе развито в сфере медицины, промышленности и других отраслях человеческой деятельности, где он приносит огромную пользу.

Полезные свойства алмазов

Поскольку технические характеристики и свойства этих камней уникальны, неудивительно, что применение алмазов становится все шире. Алмаз представляет собой модификацию химического элемента углерода и является самым твердым веществом в мире . По общепринятой в геммологии шкале Мооса он имеет самую высокую оценку в десять баллов. Однако при этом не стоит забывать и о повышенной хрупкости алмазов. Нельзя резко ронять любое изделие из них и небрежно обращаться с ними.

Благодаря высокой теплопроводности, алмаз медленно нагревается . Кроме того, у него есть такие ценные свойства, как высокая упругость и низкий процент сжатия . Плавится он при 2000°С под давлением в 11 ГПа, горит при температуре около 800°С. При горении углерод, из которого состоит алмаз, становится углекислым газом, и если горение происходит в бескислородной среде, вещество становится графитом. Что же касается возможности обратного процесса, здесь все гораздо сложнее и на практике едва ли находит свое применение.

Применение алмазов в ювелирном деле

Как бы странно это ни прозвучало для обывателей, но в ювелирном деле используются далеко не все добываемые камни. Если из делается качественное и красивое украшение, он должен быть очень высокого качества: желательно, с минимумом микротрещин и посторонних включений. Минерал, который применяется с целью изготовления ювелирных изделий, должен быть прозрачным, с минимальным количеством сероватых оттенков.

Как делают огранку алмазов с целью получения бриллиантов и с помощью чего? Их полируют и шлифуют только такими же алмазами. Эта незамысловатая техника была открыта в Индии, когда один из ювелиров, потерев один алмаз о другой, обнаружил, что оба начинают ярко блестеть и светиться. Интересным фактом является то, что методика шлифования алмазов хранилась в тайне очень долго. Людвиг Беркем стал первым европейцем, который, независимо от индийцев, стал обрабатывать камни таким же способом.

Распилка алмазов - техника, которая появилась намного позже, чем шлифовка с огранкой. Вначале для распилки использовались куски стальной проволоки, однако на это уходило очень много времени. Современные способы распиливания алмазов с применением бронзовых фрез значительно ускоряют и облегчают дело. В состав такой фрезы входит особая эмульсия с алмазной пылью.

Алмазы, прошедшие обработку, получают название бриллиантов. В дальнейшем им дают оценку специалисты-геммологи, и камни отправляются на аукционы.

Применение алмазов в производстве

Не все камни применяются в производственном деле. Те алмазы, которые добываются в природных месторождениях, стоят очень дорого, поэтому их применение в больших промышленных количествах невозможно и не оправдывает себя.

На современном этапе искусственный алмаз получают тремя методами:

• из пара, путем химического осаждения;
• под высоким давлением и температурой;
• подрывной синтез с имитацией природных условий (подрывается взрывное вещество с содержанием углерода).

Что делают из алмазов? Все свойства, которые имеет алмазный камень, одинаково хороши при его использовании, но для промышленной сферы решающий фактор - твердость камня. При резке или сверлении с применением алмазной крошки материал режется очень аккуратно, в нем не образуются микротрещины. Любой инструмент, имеющий покрытие в виде алмазной крошки, обладает большей производительностью и прекрасным качеством резки.

В России за весь период, в который осуществлялось применение алмаза в промышленной сфере, было сделано около 1500 видов инструментов с таким покрытием. Это и ножницы для резки по металлу, и стеклорезы, и инструменты для шлифовки. Они отличаются высокой точностью резки, и скорость работы при их использовании значительно выше.

Безусловно, стоит такой инструмент довольно дорого, и может возникнуть вопрос, зачем нужно его покупать, если можно воспользоваться более дешевыми аналогами. Однако практика показывает, что, к примеру, такой трудоемкий процесс, как резка бетона, без инструмента с алмазным напылением может затянуться надолго, в то время как специальная аппаратура значительно облегчает весь ход процесса.

При бурении нефтяных скважин широко применяются алмазные сверла (или буры), особенно, если необходимо просверлить отверстие небольшого диаметра. Алмазное сверление незаменимо при строительстве водопроводящих систем и систем канализаций.

Благодаря тому, что сейчас повсеместно и широко выращиваются и используются искусственные алмазы, применение их доступно в любой сфере: от тяжелой промышленности до медицины и космоса. В космической сфере алмазное покрытие применяется для увеличения показателей прочности летательных аппаратов. Хирургические скальпели - особенные инструменты, требующие повышенной точности и высокого качества работы, равно, как и стоматологическая аппаратура. Поэтому алмазное покрытие для них давно уже стало незаменимым.

Алмазы применяются как защитные элементы в сферах химии и физики - прежде всего потому, что кислота может растворить любое другое вещество, но алмаз при помещении в нее остается целым. Это может показаться удивительным, но именно алмазы применяются для того, чтобы передавать электрические сигналы по кабелям в сфере телекоммуникаций и электроники. Кабели, в состав которых входят алмазы, очень устойчивы к воздействиям внешней среды и имеют высокие показатели износостойкости.

Также алмазы широко применяются в астрономической оптике - в качестве защитного средства для оптических приборов.

Сфера промышленного применения алмазов очень широка и, благодаря удивительным и полезным свойствам этого камня, можно понять, что он уже давно применяется не только для создания ювелирных украшений, но и приносит людям повсеместную пользу в различных областях их деятельности.

Применение алмаза имеет более чем двухвековую историю. Почти до середины XX века алмазы были исключительно ювелирным материалом. Но чтобы придать ему ту или иную грань (огранить алмаз), нужно использовать другой алмаз, так как никакой другой материал не может обработать этот прочный минерал. Чтобы раскрыть весь потенциал минерала, химики и физики провели ряд опытов и выяснили его свойства, а также те предельные параметры, которые способствуют применению алмаза в разных сферах деятельности.

Свойства алмаза

Любой алмаз – аллотропная модификация углерода, который, кстати, представлен и в графите простого карандаша. Потому при повышенных температурах любой алмаз запросто переходит в графит. По шкале твердости Мооса минерал имеет 10 баллов из 10 возможных. Плотность его составляет 3.4 – 3.5 г/см³. Теплопроводность его крайне высока и составляет до 2300 Вт (мК).

Минерал имеет очень низкий коэффициент трения по металлу (около 0.1), что обусловлено наличием на его поверхности тончайшей пленки адсорбированного газа. При ее отсутствии коэффициент трения возрастает в 5 раз. Две важнейшие характеристики – самый низкий коэффициент сжатия и самый высокий модуль упругости.

Плавится алмаз при давлении в 11 ГПа и температуре 4000° C. На воздухе он горит при температуре от 800 до 1000° C, а при участии чистого кислорода горит, словно чистый пропан, голубым пламенем и полностью сгорает, высвобождаясь в виде углекислого газа.

Если нагревать минерал без доступа воздуха при температуре 2000° C, то он быстро превращается в графит и разрушается на части с хлопком. Примечательно, что при температуре свыше 2000° С термодинамика минерала принимает аномальный характер.

В силу своих «экстремальных» свойств алмаз используется в современной индустрии производства и обработки.

Применение алмаза

В строительстве использование алмазов оправдано спецификой сложных конструкций из бетона и стали. Алмазное сверление, резка, демонтаж, вне зависимости от материала работы, позволяют добиться результата без образования губительных микротрещин. Сверла, пилы огромных диаметров участвуют в распилке бетона, перемолке щебня и даже в резке по граниту и мрамору.

Используется минерал в точном приборостроении и тяжелом машиностроении. Обточка металла – это также прерогатива алмаза.

Крайне высокая износостойкость, помноженная на неограниченный доступ к искусственным и промышленным алмазам, позволяет проектировать и строить буквально все (от точных инструментов хирурга вплоть до космических носителей).

Рисунок 1. Области применения алмазов.

К примеру, только в России сегодня выпускается более 1200 наименований инструментов, в которых используется алмаз (рис. 1, области применения алмазов). Сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы по металлу и пила по металлу и камню – везде активно используются алмазы (преимущественно промышленные, то есть синтетические).

Без данного минерала невозможны прокладка кабелей и строительство туннелей. Там, где нельзя вести взрывные работы, используется проходческий комбайн, вооруженный огромным диском, усыпанным лезвиями с тонким напылением алмазной крошки.

Алмаз применяется и в медицине, где толщина лезвия скальпеля имеет решающее значение. Уменьшая ширину разреза и оставаясь острым длительное время, алмазный скальпель является основным инструментом современного хирурга. Отдельного упоминания заслуживают перспективные разработки вроде медицинского лазера на кристаллах, где минерал будет выступать активным проводником.

В телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю. Конечно, размеры его при этом крайне малы, однако свойства его успешно преодолевают большие перепады температур и самые большие скачки напряжения. Особенно критически важно его применение наряду с рубином в сверхчувствительных фотоэлементах, оптике, которая стоит на службе астрономов.

В химии и физике алмаз используется, прежде всего, в качестве защитного элемента. Агрессивная химическая среда, которая может повредить стекло (плавиковая кислота), а также научные эксперименты в областях квантовой физики, оптики, лазерных технологий, исследования космоса, в которых недопустимы погрешности, требует активного применения алмазов.

Использование данного минерала очень активно в деле добычи полезных ископаемых. Угольный забой, добыча нефти и газа – везде, где есть необходимость сверлить, прокладывать трубы и сталкиваться с очень твердыми образованиями в почве (каменный пласт, известняк), одной закаленной сталью не обойтись.

Какие алмазы применяются в производстве?

Для использования в производстве не всякий алмаз годится. Ювелирные камни стоят баснословных денег и добываются в нескольких местах по всей планете, что совершенно невыгодно и неоправданно в массовой промышленности. Здесь выручают синтетические элементы. Начиная с 1953 года более 97% всех алмазов, используемых в промышленности, выращены искусственно. В настоящее время известны 3 метода получения данного минерала:

1. CVD – chemical vapor deposition, или же химическое осаждение из пара.
2. HPHT – high pressure high temperature, или же при участии высоких температур и давления.
3. Синтез с подрывом, имитирующий условия, наиболее близкие к природным (происходит подрыв взрывчатки, содержащей углерод).

Таким образом, мировая промышленность полностью покрывает свои потребности в алмазах и неустанно радует человечество новыми технологическими достижениями.