CC BY
27ЦАРЬ КАМНЕЙ НА СЛУЖБЕ ЧЕЛОВЕКА
В. В. Бескрованов
"Прошли времена алмазных корон - настали времена алмазных коронок" А. В. Соболевский
Бескрованов Виктор Васильевич,
доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры физики твердого тела Физико-технического института ЯГУ, руководитель Научно-технологического центра алмаза ОИФТПС СО РАН, заместитель главного редактора журнала.
Наша республика известна во всем мире прежде всего алмазами, и неудивительно, что именно этот драгоценный камень стал ее символом. Поразительные, рекордные свойства алмаза стали для многих людей неоспоримым доказательством удивительных возможностей природы. Об алмазе писали многие писатели и поэты. "АЛМАЗ - первый по блеску, твердости и ценности из дорогих (честных) камней..." так определил его место среди минералов энциклопедист Владимир Даль в своем знаменитом толковом словаре. "Величайшую цену между человеческими вещами, не только между драгоценными камнями имеет алмаз, который долгое время только царям, да и то весьма немногим, был известен" отмечал в свой книге об естественной истории ископаемых тел римский писатель и естествоиспытатель Каий Секунд Плиний Старший, погибший при извержении Везувия в 79 г. и оставивший потомкам громадное письменное наследие. Книга об ископаемых телах - только один из 37 томов его "Естественной истории". Писатель Александр Куприн так охарактеризовал алмаз: "Царь всех камней камень Шамир. Греки называют его Адамас... Он крепче всех веществ на свете... Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем... он играет всеми цветами, но сам остается прозрачным, точно капля воды". Отметим, что здесь писатель удивительно точно назвал три главных достоинства драгоценного камня: твердость, высокую дисперсию (способность разлагать солнечный свет на цветные составляющие) и необычайно высокую теплопроводность.
В отношении происхождения слова "алмаз" мнения специалистов расходятся. Одни считают, что слово восходит к древнегреческому "адамас" - непреклонный, непреодолимый. Другие полагают, что в основе лежит арабское слово "а1-таз" (ал-мас), что также указывает на главное качество алмаза - "твердейший". В русском языке слово "алмаз" впервые встречается в книге Афанасия Никитина "Хождение за три моря".
Среди громадного числа всевозможных образований неорганической природы нет материала, способного затмить алмаз своими достоинствами. Но есть и другая сторона широкой известности алмаза. Во всей истории человечества не найдется другого камня, с которым связано столько драматических событий. Захватывающе интересна судьба многих алмазных раритетов, обросших множеством домыслов и легенд. "В больших старых камнях каждая грань может рассказать о каком-нибудь кровавом злодеянии. Из-за кристаллического углерода многих убивали, кого-то закапывали живьем или обливали серной кислотой", - свидетельствовал знаменитый создатель Шерлока Холмса писатель Артур Конан-Дойль.
Человек давно и по достоинству оценил алмазы за их чрезвычайную твердость и красоту. Имеются доказательства, что алмаз был известен еще древним грекам. В Британском музее хранится греческая статуэтка из бронзы с глазами-алмазами, изготовленная, как полагают ученые, в V веке до н.э., т.е. возраст ее почти 2500 лет. Наиболее вероятным считается предположение, согласно которому алмазные кристаллики попали в Грецию из Индии. Некоторые исследователи убеждены, что алмазы находили в речных россыпях Индии за три тысячи лет до нашей эры. Если это верно, то приходится признать, что знакомство человека с алмазом состоялось почти пять тысяч лет назад.
Природный алмаз для человечества представляет особый
интерес в трех своих главных ипостасях: во-первых, как драгоценный камень, во-вторых, как источник информации о физико-химических процессах, некогда происходивших в земных недрах и недоступных непосредственному наблюдению, и, наконец, в-третьих, как перспективный материал для наукоемких промышленных технологий. В качестве драгоценного камня алмаз открывает перечень самых дорогих минералов, а его наиболее крупные и чистые образцы относят к бесценным раритетам. Стоимость самого крупного в мире алмаза "Куллинан", общая масса которого до обработки составляла 3106 каратов (один карат равен 200 мг), при цене 30 долларов за карат, оценивается на сумму более 145 млн. американских долларов. Чтобы в полной мере оценить стоимость этого бриллианта, укажем, что примерно столько же стоят 94 т чистого золота.
В качестве источника генетической информации алмаз оказывает неоценимую услугу геологам, которые испытывают живой непреходящий интерес к познанию процессов, протекающих в недрах Земли на недосягаемых глубинах. Удовлетворить свое любопытство геологи пытаются путем прочтения информации, запечатленной в кристаллах минералов, рожденных в глубинах земных недр. Алмаз, единственный из известных мантийных минералов, сумел в полном объеме сохранить всю генетическую информацию. Благодаря устойчивой кристаллической решетке, он в неизменном виде несет свидетельства о физико-химических событиях, когда-то происходивших в земных недрах.
И, наконец, третий комплекс его особых достоинств покоится на прочном фундаменте из непревзойденных, присущих только ему одному, физико-химических качеств. Только он единственный из всех известных материалов обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые могут быть использованы в новейших наукоемких технологиях. Последнюю его особенность мы попытаемся более подробно осветить в настоящем сообщении. Но прежде чем это сделать, приведем краткий перечень его уникальных свойств. По каждой отдельно взятой характеристике с алмазом еще могут в какой-то мере соперничать другие материалы, но по комплексу его уникальных свойств он недосягаем. И это при всем том, что часть из этих свойств сама по себе является рекордной. Это во-первых. Во-вторых, при обсуждении каждой конкретной характеристики алмаза будем постоянно обращаться и к другим, связанным с ней физико-химическим свойствам алмаза. В-третьих, попытаемся убедить читателя в том, что правильный вывод о характере физико-технических свойств природного алмаза и о наиболее рациональном использовании алмазного сырья можно сделать лишь в том случае, когда полный комплекс его свойств
рассматривается в тесной взаимосвязи с генетическими особенностями каждой отдельной партии алмазных камней. В этом автор данной статьи убедился давно.
Исторически сложилось так, что все три перечисленные выше направления использования алмаза развиваются самостоятельно, почти не перекрещиваясь между собой. Причин этому достаточно много, но главная из них заключена в необычно широком разнообразии физических, морфологических, ювелирных, технических и других свойств алмаза. Похожая ситуация сложилась и в алмазной науке. Одни ученые заняты вопросами изучения происхождения алмаза в природных условиях, другие выяснением природы его уникальных физических и химических свойств и, наконец, третьи ищут возможности более широкого использования алмаза в промышленных технологиях. Иногда эти направления пересекаются, но полного согласования между ними до сих пор найти не удается, что порождает дополнительные трудности.
Дадим теперь краткую характеристику всего комплекса поистине уникальных свойств природного алмаза.
На первое место поставим непревзойденные механические качества алмаза. Они известны человеку с глубокой древности. О рекордной твердости и прочности алмаза широко известно, поэтому здесь не требуется дополнительных пояснений.
В качестве второй его исключительной характеристики укажем удивительную стойкость к химически агрессивным средам. Алмаз не подвержен действию самых активных кислот и щелочей. Только при высоких температурах он взаимодействует с селитрами и некоторыми другими химическими соединениями.
Далее отметим очень низкий коэффициент трения алмаза при соприкосновении с другими материалами. Это свойство открывает перспективу его использования в качестве абразива и в качестве смазки между трущимися поверхностями, что несколько необычно.
Алмаз обладает высоким пропусканием излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. К тому же он совершенно прозрачен для рентгеновских и гамма лучей.
Он способен регистрировать ионизирующее излучение, а также коротко волновое ультрафиолетовое излучение в спектральной области (200 нм), то есть там, где чувствительность фотоприемников из других материалов низка.
Алмаз обладает высокой электрической прочностью. Электрический пробой в алмазе становится возможен при очень высоких напряжениях. Его удельное электрическое сопротивление достигает 1014 - 1016 Ом * м, что служит характеристикой хорошего электрического изолятора. Правда, это справедливо не для всех (утии 2002, №2 81
алмазов. Большинство алмазов - изоляторы, но имеется редкая их разновидность, являющаяся полупроводником. Различия в электрическом сопротивлении между алмазами-изоляторами и алмазами-проводниками может достигать 10 ООО ООО ООО раз! Это тоже своеобразный рекорд изменений физической характеристики в одном и том же материале.
Алмазу свойственна высокая радиационная устойчивость. Стойкость к потоку быстрых нейтронов у алмаза в 100 раз выше, чем у кремния. Так же велика у него стойкость к потоку быстрых электронов.
Для алмаза характерна также высокая подвижность носителей заряда электронов и дырок, превосходящая этот показатель у таких известных полупроводников, как германий и кремний.
Это далеко не полный перечень уникальных свойств природного алмаза, который можно продолжить. Так, еще одной его отличительной особенностью является необычайно широкая вариация физических свойств и кристалломорфологических черт. От одного кристалла к другому широко изменяются оптические, электрические, механические и другие характеристики алмаза. Об изменении электропроводности у разных кристаллов алмаза уже говорилось. Нам не известны вариации подобных масштабов у других материалов.
В последние годы природный алмаз привлекает к себе особое внимание специалистов наукоемких отраслей промышленности. Его ценность определяется уникальным комплексом физико-химических свойств, не характерным для других известных материалов. Американский инженер Л. Девис в статье "Экономическое и стратегическое значение алмазов, используемых в промышленности", опубликованной 26 марта 1955 г. в горнопромышленном и техническом журнале Южно-Африканского Союза, так оценил значение алмаза для промышленного потенциала США: "Для такой современной, технически развитой страны, как США, значение технических алмазов не может быть переоценено. В США ежегодно потребляется 12 млн. каратов алмазов стоимостью примерно 50 млн. долларов. Было подсчитано, что если бы эта страна была отрезана от источников снабжения алмазами, то ее промышленный потенциал за очень короткий срок упал бы наполовину". Добавим к этому, что в пятидесятые годы США скупали до 70% мировой добычи алмазов. В настоящее время потребление технических алмазов в США еще более увеличилось, а следовательно, и возросло их значение в промышленном потенциале этой страны.
Рассмотрим более подробно возможности и перспективы использования алмазов в различных отраслях промышленности.
1. Использование природного алмаза в обрабатывающих отраслях
С рекордной твердостью алмаза, т.е. способностью механически сокрушать все остальные материалы, человек познакомился ранее, чем с другими уникальными свойствами этого минерала. Правда, сравнительно недавно в этом качестве у алмаза появился достойный соперник. Это искусственно созданный кубический нитрид бора, или боразон, представляющий собой соединение бора и азота. Его твердость не уступает алмазу, но во всех других отношениях он алмазу конкуренции не составляет. К слову сказать, кристаллическая структура боразона аналогична алмазной. Специалисты считают, что именно здесь и кроется отгадка высокой прочности боразона. Строго говоря, отгадкой это назвать нельзя, поскольку нет четкого ответа на вопрос о природе высокой прочности самого алмаза.
Алмаз издавна зарекомендовал себя в обрабатывающих отраслях промышленности в качестве сверхтвердого природного материала. О том, что в природе не существует минералов тверже алмаза, знали на Востоке еще в глубокой древности. Доказательством этому служит стихотворение, написанное на санскрите -древнейшем письменном языке Индии. "Фарий" означает здесь алмаз.
Фария не может царапать никакой
Драгоценный камень,
Он царапает все камни.
Фарий царапает фария...
Исключительную прочность алмаза почитали и древние греки, что нашло отражение в произведениях древнегреческих поэтов Гесиода и Эсхила. В них красочно описаны алмазный шлем Геракла и изготовленные из алмаза же цепи, которыми боги приковали к скале Прометея в наказание за то, что он даровал людям огонь. Шлем Геракла и цепи Прометея являлись для древних греков символами несокрушимости.
Есть основания полагать, что механическая прочность алмаза была известна человечеству даже ранее греческой цивилизации. Вполне вероятно, об этом знали уже древние египтяне. И не только знали, но использовали в практических целях. Английский египтолог В. Флиндерс Петри обнаружил следы буровых работ внутри знаменитой пирамиды Хеопса или, как ее часто называют, Большой пирамиды. Флиндерс Петри пришел к выводу, что огромные каменные блоки, из которых сложена пирамида, соединялись между собой штырями, вставляемыми в специально просверленные отверстия. Тщательное изучение следов, оставленных инструментом на внутренней поверхности этих отверстий, свидетельствует о том, что отверстия в блоках могли быть высверлены только с помощью сверла из чрезвычайно твердого материала. С помощью резцов из такого же материала были нанесены иероглифы на некоторых каменных блоках. Петри
выдвинул предположение, что в качестве сверхтвердого материала египтяне использовали алмаз.
При механической обработке алмаза приходится преодолевать громадные трудности. Считается, что впервые это удалось осуществить путем шлифовки одного алмазного камня о другой в 1454 году фламандцу Ван-Беркену. Однако известный советский кристаллограф И. И. Шафрановский считал, что механическая обработка алмаза была известна на Востоке еще раньше. Он ссылался на книгу Бируни "О драгоценных минералах". Чтобы понять ценность ссылки Иллариона Илларионовича, сделаем краткое сообщение об авторе названной книги. Его полное имя гораздо длиннее - Абу Рейхан Мухаммед ибн аль-Бируни. Он родился в Хорезме в 973 г. и умер около 1050 г. Аль-Бируни первым на Востоке высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца. В "Книге сводок для познания драгоценностей" он пишет о техническом
качестве абразивного материала. Но изделию из карбида вольфрама необходимо было придавать специальную форму для использования в качестве обрабатывающего инструмента. Это оказалось под силу только самому твердому материалу алмазу. Особенно алмаз оказался востребованным в период второй мировой войны, когда промышленные мощности были загружены производством оружия. В этом применении он заслужил репутацию необычайно полезного материала для обработки сверхтвердых сплавов, используемых в производстве различных видов огнестрельного оружия. Английский поэт Реджиналд Тэрнор даже посвятил алмазу поэму, воспевающую его рекордную твердость.
Твердость измеряют многими способами. Наиболее известной является десятибалльная шкала твердости, введенная в 1812 г. немецким ученым Фридрихом Моосом. По этой шкале алмаз имеет высший - десятый класс. Полностью эта шкала выглядит следующим образом.
Шкала твердости и микротвердости минералов Таблица 1
Минералы - Твердость по Микротвердость по
эталоны Ф. Моосу М.М. Хрущеву. кГ/мм2,
Тальк Мд3(ОНЫ5цОю] 1 2,4
Каменная соль №С1 2 36
Кальцит СаСО- 3 109
Флюорит (плавиковыи шпат) СаР; 4 189
Апатит Са5Р(РО^)3 5 536
Ортоклаз (полевой шпат) 6 795
К[А18иО ]
Кварц ЭЮт 7 1120
Топаз А!;(Р,ОН)2[5Ю4] В 1427
Корунд А1 О 9 2060
Алмаз С 10 10060
применении алмаза: "Жители Ирака и Хорасана не различают сортов алмаза и их цвета, все они для них одинаковы, так как они употребляют только для сверления". Здесь же Бируни описывает способ приготовления алмазного порошка для сверления и резьбы на твердых камнях: "Алмаз обертывают в кусок свинца и осторожно бьют по нему, пока сила удара не одолеет его, и он, ослабев, перестанет сопротивляться им. Когда алмаз разбивают на мелкие кусочки или же растирают, то следует приставить человека, который отгонял бы от него мух, потому, что они могут унести крупинки алмаза. Говорят, муха втягивает их в свой хоботок и улетает с ними". Для вырезания надписей на твердых камнях порошок алмаза далее, по Бируни, замешивали с маслом и намазывали на край вращающегося медного диска.
Технологический потенциал природного алмаза по-настоящему сумели оценить после изобретения в Германии карбида вольфрама. Последний оказался самым твердым из известных в то время металлических сплавов и обнаружил великолепные технологические свойства в
По шкале Мооса можно определить только качественное и относительное по сравнению с другими минералами значение твердости. В настоящее время существуют количественные методы измерения твердости материалов путем вдавливания в измеряемое твердое тело заточенной под определенным углом пирамидки из алмаза. Величина твердости в этом случае чаще говорит о микротвердости, потому что измерение выполняется на очень локальной площади, определяется по размерам и форме отпечатка внедрения алмазной пирамидки. Микротвердость алмаза, измеренная методом М. М. Хрущова и Е. С. Берковича выше микротвердости корунда в 4,8 раз.
Алмаз обладает высокой стойкостью к истиранию. Его износостойкость превышает этот показатель у корунда в 90 раз, а остальных абразивных материалов - в сотни и даже тысячи раз.
Сравнительная характеристика физико-механических свойств алмаза и других твердых
материалов показывает его неоспоримые преимущества. Такие твердейшие искусственные системы, как карбиды бора, кремния, титана, кобальта, вольфрама и другие, не способны соперничать с высокими физико-механическими свойствами алмаза. Только, как было сказано выше, искусственно синтезированное химическое соединение - кубический нитрид бора - может конкурировать с алмазом.
1.1. Алмазное волочение
Вы задумывались когда-нибудь над происхождением совершенно обыденного слова "канитель"? Казалось бы, к алмазу это слово не имеет никакого отношения. Но это впечатление ошибочно и сейчас мы найдем связь между ними. В словаре С. И. Ожегова (1973 г.) даны два определения этого термина. Первое, основное -"очень тонкая металлическая нить для вышивания" и второе, переносное, - "нудное с проволочками тянущееся дело".
Как нить для вышивания, канитель представляет собой тонкие золотые или серебряные проволочки, употребляемые при изготовлении парчи и других тканей. Особенно часто золотое и серебряное шитье используется на Востоке, где модницы носят платья, расшитые сверкающими золотыми и серебряными нитями. Так вот, изготовление канители было таким нудным и утомительным занятием, что стало нарицательным. Главная трудность при изготовлении нитей драгоценных металлов приходится на заключительную стадию технологического процесса. Называется она волочением и представляет собой процесс протягивания готовой проволоки через специальное устройство - волоку (фильеру), имеющую калиброванное отверстие с сечением меньшего размера по сравнению с сечением протягиваемой проволоки. При волочении достигается постоянство диаметра металлической нити по всей длине. При этом поперечные размеры проволоки уменьшаются, а ее длина, соответственно, увеличивается. Какой бы мягкой ни была проволока, рабочий канал волоки испытывает постоянно действующую нагрузку, возникающую в результате трения. Поэтому, чтобы получить проволоку калиброванного диаметра, волоки должны быть изготовлены из очень прочного материала с высоким сопротивлением деформации. В качестве износостойких материалов используют обычно твердые сплавы, которые, однако, не могут долго выдерживать напряжения. Их рабочий канал быстро истирается, увеличивается в диаметре и теряет свои калибрующие качества. В результате волока выходит из строя.
С внедрением алмазов в технику для волочения стали использоваться алмазные волоки, через которые стало возможным протягивать проволоку калиброванного диаметра от 0,001 до 2 мм (рис.1). Высокая
сопротивляемость алмаза истиранию и низкий коэффициент трения в сумме позволили обеспечить на выходе алмазной фильеры гладкость поверхности и неизменность сечения
ч
через волоки с уменьшающимися сечениями каналов, Б - конструкция фильеры.
протягиваемой проволоки по всей длине. При использовании алмазной волоки удается получить тонкую проволоку диаметром до 9 микрон. При этом износостойкость алмазных волок превышает износостойкость твердосплавных волок в сотни раз. Известен случай, когда через одну алмазную фильеру была протянута медная проволока такой длины, что ею можно опоясать земной шар по экватору несколько раз.
Необходимо сказать об отечественном вкладе в технологию алмазного волочения. Основоположником внедрения алмаза в производство русской канители является инженер Константин Сергеевич Алексеев. Это имя мало кому известно, зато псевдоним скромного инженера Алексеева - Станиславский - знают не только в России, но и далеко за ее пределами. Да, это именно он прославленный режиссер и актер, педагог и теоретик театра, создатель знаменитой "системы Станиславского" в режиссуре.
Отцу К. С. Станиславского в Москве принадлежала золотоканительная фабрика. Она существует и поныне в несколько ином качестве под названием завод "Электропривод". Став директором фабрики, Константин Сергеевич столкнулся с трудностями золотоканительного производства. Твердосплавные волоки быстро
истирались, и протягиваемая сквозь них тонкая канитель плохо калибровалась по всей длине. В 1892 г. молодой директор отправился изучать золотоканительное дело за границу и в Париже впервые увидел волочильные станки с алмазными фильерами. Он сумел по достоинству оценить их производственные возможности и приобрел станок, в котором нити тянулись одновременно через 14 алмазных фильер. Пройдя через них, нить получалась качественной и имела в поперечнике всего 30 микрон.
Уже через два года после покупки оборудования в России был создан первый цех алмазного волочильного производства. И не просто создан. В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже демонстрировались изделия российской канительной промышленности. Золотоканительные нити российского производства отличались особой тонкостью и мягкостью. Они получили высшую награду выставки "Гран-при". Медали получили также К. С. Станиславский (в то время еще просто Алексеев) и некоторые другие работники
золотоканительной фабрики.
Производство золотой канители важная, но не главная профессия алмазных волок. Электротехническая промышленность нуждается в них еще в большей степени. Для того, чтобы электрическая лампа накаливания служила долго, требуется строгая выдержанность размера поперечного сечения по всей длине проволоки, из которой свита спираль. В противном случае электрическое сопротивление в тонких местах спирали резко возрастает, что приводит к дополнительному разогреву и перегоранию лампы. Для калибрования поперечного сечения вольфрамовой проволоки, предназначенной для изготовления спирали, ее подвергают волочению через алмазную фильеру.
Алмазные волоки используются и в других, часто неожиданных для непосвященного, отраслях промышленности. Например, при изготовлении... парашютов. Главное требование к шелковой ткани, из которой изготавливаются парашюты, - это гладкость составляющих ее волокон. Гладкие волокна не позволяют ткани слипаться, и парашют
щутм«
Тектоника, геодинамика и металлогения территории Республики Саха (Якутия). - М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2001.
Книга представляет собой обстоятельную сводку по тектонике, сейсмичности и полезным ископаемым территории Республики Саха (Якутия). Геодинамика формирования тектонических структур, определяемая моделями тектоники литосферных плит, является основой металлогенического районирования и систематизации данных по полезным ископаемым. Рассматривается тектоническая и металлогеническая эволюция земной коры территории Якутии с докембрия до современности на фоне развития всего северного обрамления Тихого океана.
Для широкого круга специалистов в области наук о Земле, аспирантов, студентов, а также потенциальных инвесторов в горнорудную промышленность Якутии.
И. Е. Егоров, С. Г. Пятков, С. В. Попов. Неклассические дифференциально-операторные уравнения. - Новосибирск: Наука, 2000.
Монография посвящена постановке и исследованию краевых задач для неклассических дифференциально-операторных уравнений. Рассматриваются т. е., в которых оператор при старшей производной не знакоопределен или необратим. В класс таких уравнений входят квазиэллиптические, квазигиперболические, параболические уравнения с меняющимся направлением времени, уравнения смешанного типа.
Книга рассчитана на научных сотрудников и аспирантов, студентов старших курсов университетов, специализирующихся в области дифференциальных уравнений и функционального анализа.
