Синтетические алмазы – будущее новейших технологий

Раздел: Инновации
11 мая 2017 г.

Ю.Г. Да­ни­лов, к.э.н., ди­рек­тор ИАЦ «Экс­перт» НИ ИРЭС СВФУ

В по­след­ние го­ды про­из­вод­ство син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­ли­р­но­го ка­че­ства в Рос­сии и за ру­бе­жом раз­ви­ва­ет­ся стре­ми­тель­ны­ми те­м­па­ми. По дан­ным ана­ли­ти­ков, объ­ем про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­ли­р­но­го ка­че­ства к 2035 го­ду бу­дет со­по­ста­вим с объ­е­ма­ми до­бы­ва­е­мых при­род­ных ал­ма­зов. Уже в на­сто­я­щее вре­мя воз­ни­к­ла не­об­хо­ди­мость в спе­ци­аль­ных при­бо­рах для вы­яв­ле­ния ис­кус­ствен­ных ка­м­ней из-­за их сме­ши­ва­ния с при­род­ны­ми бри­л­ли­ан­та­ми. Ко­м­па­ни­я­ми De Beers и АК «АЛРОСА» раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды опре­де­ле­ния и со­з­да­ны при­бо­ры для вы­яв­ле­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов и бри­л­ли­ан­тов.

В Рос­сии цен­тра­ми из­го­то­в­ле­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов яв­ля­ют­ся Тро­ицк, Се­ст­ро­рецк и Но­во­си­би­р­ск. В Тро­и­ц­ке ФГУ «Тех­но­ло­ги­че­ский ин­сти­тут сверх­твeр­дых и но­вых уг­ле­род­ных ма­те­ри­а­лов» (ТИСНУМ) раз­ра­бо­тал и внед­рил ме­тод те­м­пе­ра­тур­но­го гра­ди­ен­та (HPHT).

Источ­ник: «По­пу­ляр­ная ме­ха­ни­ка»

Рис. 1. Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов ме­то­дом HPHT

В на­сто­я­щее вре­мя ФГУ ТИСНУМ про­из­во­дит син­те­ти­че­ские ал­ма­зы, кру­п­но­стью до 8 мм, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся в ос­но­в­ном в на­но­тех­но­ло­ги­ях.

В Се­ст­ро­ре­ц­ке ко­м­па­ни­ей New Diamond Technology (NDT), кро­ме тех­но­ло­гии HPHT, при­ме­ня­ет­ся та­к­же ме­тод син­те­за ал­ма­зов оса­ж­де­ни­ем из га­зо­вой фа­зы (Chemical Vapor Deposition, CVD). В ми­ре раз­ра­бо­т­ка это­го ме­то­да син­те­за ал­ма­зов на­ча­лась еще в 60-х го­дах про­ш­ло­го сто­ле­тия, од­на­ко се­рьез­ные ре­зуль­та­ты по­лу­че­ны в на­ча­ле тре­тье­го ты­ся­че­ле­тия. В этой тех­но­ло­гии ал­ма­зы оса­ж­да­ют­ся на по­до­гре­ва­е­мую под­ло­ж­ку из уг­ле­во­до­род­но­го га­за, ко­то­рый иони­зи­ру­ет­ся с по­мо­щью СВЧ-из­лу­че­ния или разо­гре­ва­ет­ся до вы­со­кой те­м­пе­ра­ту­ры. Имен­но на этот ме­тод син­те­за в на­ча­ле 2000-х ста­ли воз­ла­гать боль­шие на­де­ж­ды и не­боль­шие стар­та­пы, и кру­п­ные ко­м­па­нии ти­па Element Six, вхо­дя­щей в груп­пу De Beers.

Источ­ник: «По­пу­ляр­ная ме­ха­ни­ка»

Рис. 2. Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов ме­то­дом CVD.

Про­мы­ш­лен­ное на­прав­ле­ние по­ка со­став­ля­ет 20% про­из­вод­ства NDT, а осталь­ное - юве­ли­р­ное. В 2015 го­ду Ме­ж­ду­на­род­ный ге­м­мо­ло­ги­че­ский ин­сти­тут (IGI) в Гон­кон­ге вы­дал сер­ти­фи­кат на бри­л­ли­ант мас­сой 10,02 ка­ра­та, ко­то­рый был огра­нен из 32-ка­рат­но­го кри­стал­ла син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за, вы­ра­щен­но­го этой ко­м­па­ни­ей по тех­но­ло­гии CVD. Юве­ли­р­ные ал­ма­зы – это при­быль­ная часть биз­не­са NDT, но на­и­бо­лее пе­р­с­пе­к­тив­ный ры­нок для кру­п­ных вы­со­ко­ка­че­ствен­ных син­те­ти­че­ских ал­ма­зов – это про­мы­ш­лен­но­сть, по­сколь­ку ни один при­род­ный ал­маз не го­ди­т­ся для ис­поль­зо­ва­ния в спе­ци­аль­ной оп­ти­ке или элек­тро­ни­ке.

В Но­во­си­би­р­с­ке про­из­вод­ство син­те­ти­че­ских ал­ма­зов осу­ще­ств­ля­ет­ся по ста­рой со­вет­ской тех­но­ло­гии на прес­сах ти­па БАРС (бес­прес­со­вая ап­па­ра­ту­ра вы­со­ко­го дав­ле­ния «Раз­рез­ная сфе­ра»), ко­то­рая поз­во­ля­ет по­лу­чать толь­ко мел­кие син­те­ти­че­ские ал­ма­зы.

За ру­бе­жом в США син­те­ти­че­ские ал­ма­зы в ос­но­в­ном про­из­во­дят две ко­м­па­нии – Gemesis во Фло­ри­де, со­з­дан­ная в 1996 го­ду и ра­бо­та­ю­щая по ме­то­ду HPHT, и Apollo Diamond в Бо­сто­не, по­лу­чив­шая па­тент на ме­тод CVD. В 2003 го­ду на ры­нок по­па­ла пе­р­вая вол­на ис­кус­ствен­ных ал­ма­зов юве­ли­р­но­го ка­че­ства.

Син­те­ти­че­ские ал­ма­зы в зна­чи­тель­ных объ­е­мах (до 3 млн ка­ра­тов) про­из­во­дят се­го­д­ня в Ки­тае (Henan Huanghe Whirlwind International Co Ltd) и Ин­дии (IIa Technologies Pte Ltd, за­ре­ги­стри­ро­ван­ная в Син­га­пу­ре). Но ес­ли ин­дий­цы в ос­но­в­ном на­це­ле­ны на при­ме­не­ние по­лу­чен­ных ал­ма­зов для юве­ли­р­ных це­лей, то в Ки­тае уско­рен­ны­ми те­м­па­ми ве­дут­ся ис­сле­до­ва­ния с ис­поль­зо­ва­ни­ем син­те­ти­че­ских ал­ма­зов в со­вре­мен­ных пе­ре­до­вых тех­но­ло­ги­ях.

В Япо­нии груп­па Diamond Wafer Team про­из­во­дит тон­кие, но до­воль­но ши­ро­кие ал­маз­ные пла­сти­ны, вы­ра­щен­ные ме­то­дом CVD, ко­то­рые, по мне­нию уче­ных из санкт-­пе­тер­бур­г­ско­го Ин­сти­ту­та пе­ре­до­вых про­из­вод­ствен­ных тех­но­ло­гий (Institute of Advanced Manufacturing Technologies), спо­соб­ны стать ос­но­вой элек­тро­ни­ки бу­ду­ще­го.

На­ко­нец, в ко­м­па­нии De Beers со­з­да­но под­раз­де­ле­ние Element Six Technologies Ltd, ко­то­рое в на­сто­я­щее вре­мя за­ни­ма­ет­ся про­из­вод­ством син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­ли­р­но­го ка­че­ства. Ве­ро­ят­но, ве­ду­щая ми­ро­вая ал­маз­ная ко­м­па­ния изу­ча­ет с их по­мо­щью воз­мо­ж­ность от­ли­чать ис­кус­ствен­ные ал­ма­зы от при­род­ных, для со­з­да­ния при­бо­ров с це­лью вы­яв­ле­ния син­те­ти­че­ских бри­л­ли­ан­тов, вы­да­ва­е­мых за на­сто­я­щие, а та­к­же изу­ча­ет пе­р­с­пе­к­тив­ные на­прав­ле­ния их ис­поль­зо­ва­ния в со­вре­мен­ных тех­но­ло­ги­ях.

В ко­м­па­нии АЛРОСА та­к­же ста­ви­т­ся во­прос об ор­га­ни­за­ции про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов для изу­че­ния фи­зи­че­ских ха­ра­к­те­ри­стик и бо­лее эф­фек­тив­но­го вы­яв­ле­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов.

HPHT – про­цесс вы­ра­щи­ва­ния мо­но­кри­стал­лов ал­ма­за при вы­со­кой те­м­пе­ра­ту­ре (о­ко­ло 1500 °C, с ну­ж­ным гра­ди­ен­том) и вы­со­ком дав­ле­нии (50−70 тыс. атм.). Гид­рав­ли­че­ский пресс об­жи­ма­ет спе­ци­аль­ный кон­тей­нер, внут­ри ко­то­ро­го на­хо­ди­т­ся ме­тал­ли­че­ский рас­плав (же­ле­зо, ни­кель, ко­бальт и др.) и гра­фит. На под­ло­ж­ке раз­ме­ща­ет­ся од­на или не­сколь­ко за­тра­вок — не­боль­ших кри­стал­лов ал­ма­за. Сквозь ка­ме­ру про­те­ка­ет элек­три­че­ский ток, разо­гре­ва­ю­щий рас­плав до ну­ж­ной те­м­пе­ра­ту­ры. В этих усло­ви­ях ме­талл слу­жит рас­тво­ри­те­лем и ка­та­ли­за­то­ром про­цес­са кри­стал­ли­за­ции уг­ле­ро­да на за­трав­ке в фор­ме ал­ма­за. Про­цесс вы­ра­щи­ва­ния од­но­го кру­п­но­го или не­сколь­ких бо­лее мел­ких кри­стал­лов дли­т­ся 12−13 су­ток.

В­ме­сте с тем, на наш взгляд, син­те­ти­че­ские ал­ма­зы мо­гут най­ти бо­лее ши­ро­кое при­ме­не­ние не как юве­ли­р­ные из­де­лия, а в дру­гих вы­со­ко­тех­но­ло­ги­ч­ных от­рас­лях: ми­к­ро­элек­тро­ни­ке, ла­зер­ной тех­ни­ке, по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­ри­а­лов и кос­ми­че­ской тех­ни­ке. Син­те­ти­че­ские ал­ма­зы в на­сто­я­щее вре­мя при­ме­ня­ют­ся для шли­фо­в­ки со­вре­мен­ных сверх­проч­ных ма­те­ри­а­лов, в ра­дио­о­п­ти­ке и элек­тро­ни­ке. Из них из­го­тав­ли­ва­ют ал­маз­ные на­ко­валь­ни, поз­во­ля­ю­щие ве­сти ис­сле­до­ва­ния свойств ве­ществ и фа­зо­вых пе­ре­хо­дов в них при сверх­вы­со­ких дав­ле­ни­ях до 2,5 млн ат­мо­сфер, оп­ти­че­ские ок­на для мо­щ­ных ла­зе­ров, вы­со­ко­чув­стви­тель­ные дат­чи­ки те­м­пе­ра­ту­ры, уль­тра­фи­о­ле­то­во­го, рен­т­ге­но­в­ско­го и ра­ди­а­ци­он­но­го из­лу­че­ний, ма­ло­и­нер­ци­он­ные на­гре­ва­тель­ные эле­мен­ты, иг­лы для ска­ни­ру­ю­щих зон­до­вых ми­к­ро­ско­пов. Сей­час син­те­ти­че­ские ал­ма­зы ис­поль­зу­ют­ся пра­к­ти­че­ски во всех об­ла­стях вы­со­ких тех­но­ло­гий, и, по всем про­г­но­зам, их роль бу­дет толь­ко воз­рас­тать.

Ре­зю­ми­руя вы­ше­ска­за­н­ное, мо­ж­но ска­зать, что в на­сто­я­щее вре­мя про­из­во­дить из син­те­ти­че­ских ал­ма­зов бри­л­ли­ан­ты, это ба­наль­но пре­вра­щать их в до­ро­гие без­де­лу­ш­ки. Не­об­хо­ди­мо бо­лее глу­бо­кое изу­че­ние фи­зи­ко-­хи­ми­че­ских свойств син­те­ти­че­ских ал­ма­зов для при­ме­не­ния их в но­вых об­ла­стях тех­ни­ки и тех­но­ло­гий. Про­из­вод­ство ко­м­па­ни­ей АЛРОСА син­те­ти­че­ских ал­ма­зов поз­во­ли­ло бы па­рал­лель­но ре­шать ряд про­из­вод­ствен­ных за­дач, ис­поль­зуя син­те­ти­ку, на­при­мер, в ис­сле­до­ва­ни­ях по со­хран­но­сти и из­в­ле­че­нию ал­ма­зов на дей­ству­ю­щих обо­га­ти­тель­ных фаб­ри­ках вме­сто при­род­ных ка­м­ней, а та­к­же для те­сти­ро­ва­ния при­бо­ров при вы­яв­ле­нии син­те­ти­че­ских ал­ма­зов ши­ро­ко­го спе­к­тра.

Воз­мо­ж­но та­к­же со­з­да­ние но­вой тех­но­ло­гии про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов, что обес­пе­чит эко­но­ми­че­скую без­о­пас­ность АЛРОСА и Яку­тии, ес­ли син­те­ти­че­ские ал­ма­зы в обо­зри­мом бу­ду­щем вы­тес­нят при­род­ные и ис­чез­нет не­об­хо­ди­мость их до­бы­чи. Ши­ро­кое при­ме­не­ние син­те­ти­че­ских ал­ма­зов в со­вре­мен­ной тех­ни­ке та­к­же поз­во­лит про­д­лить сро­ки до­бы­чи при­род­ных ал­ма­зов из раз­ра­ба­ты­ва­е­мых ме­сто­ро­ж­де­ний, ко­то­рые по­ка еще не ис­чер­па­ны.

[ rough-polished.com ]

Полезное

Полезное

 

Архив новостей

2025 год

январь февраль март апрель
май июнь июль август
сентябрь октябрь ноябрь декабрь

Нас читают

Администрация Президента РФ, Совет федерации РФ, Государственная Дума РФ, Гильдия Ювелиров, директора и менеджеры ювелирных компаний.

-->