Método de alta temperatura y alta presión: diamantes sintéticos

1. Descripción general

Como todos sabemos, los diamantes son piedras preciosas compuestas por un único elemento: carbono. En la naturaleza, los diamantes se forman como resultado de procesos geológicos bajo alta temperatura y presión. Los diamantes sintéticos simulan artificialmente las condiciones para la formación de diamantes naturales, convirtiendo carbono estructurado sin diamante en carbono estructurado con diamante. Ya en 1953, la Compañía Suiza de Ingeniería (ASEL) sintetizó con éxito 40 pequeños cristales de diamante utilizando un dispositivo llamado "bola de presión", pero no fue hasta 1955 que la Compañía Estadounidense General Electric (gE) anunció el uso de un dispositivo llamado una "bola de presión". Cuando el dispositivo "cinturón de presión" logró producir diamantes por primera vez, hicieron públicos los resultados de su investigación. Para no quedarse atrás, De Beers dominó la compleja tecnología de los diamantes sintéticos en 1959. Los métodos que utilizaron fueron muy similares a los utilizados por General Electric, a la que el gobierno de Estados Unidos ordenó que se mantuviera estrictamente confidencial. A principios de la década de 1960, De Beers y General Electric comenzaron a producir polvo de diamante sintético para uso industrial. En la década de 1960, nuestro país también sintetizó con éxito diamantes de calidad abrasiva y los puso en producción. En 1971, General Electric anunció que había sintetizado cristales de diamante con un diámetro medio de 6 mm. Estos cristales de diamante no sólo son amarillos y marrones, sino también casi incoloros y con un bajo contenido de nitrógeno, al igual que los diamantes azules que contienen boro. En 1985, Sumitorno Electric Industries de Japón comenzó a unirse a las filas de los diamantes sintéticos y produjo diamantes industriales de alta claridad en 1993. En 1990, Novosibirsk en Rusia anunció que habían sintetizado con éxito diamantes utilizando el dispositivo "Spl (it-sphere)" o BARS.

Debido a equipos de presión ultra alta y condiciones de alta temperatura Debido a restricciones y altas costos de producción, los diamantes sintéticos de calidad gema siguen siendo caros y raros, pero creemos que algún día habrá diamantes sintéticos de calidad gema a precios razonables.

2.

1. Compuestos del elemento carbono

Los diamantes, el grafito y el carbono amorfo están compuestos de átomos de carbono. Sus diferentes apariencias y propiedades físicas completamente diferentes dependen de sus diferentes estructuras atómicas (Figura 9-7-). 1)

Figura 9-7-1 Estructura compacta y equidistante de átomos de carbono (izquierda) diamante; estructura en capas (derecha) grafito

2. p>

El diamante sintético requiere condiciones de alta temperatura y presión. Incluso en presencia de un catalizador, todavía requiere una presión de (50~80)×108Pa y una temperatura de 1350~1800°C. Los fundentes (catalizadores) para sintetizar diamantes utilizando equipos de alta presión son hierro, níquel, cobalto y paladio. La Figura 9-7-2 muestra la relación entre la forma del cristal y la temperatura y presión de la zona del diamante sintético en el diagrama de fase estable del carbono. Las formas de los cristales de los diamantes también son diferentes según la temperatura y la presión. Por lo tanto, el crecimiento de los diamantes sintéticos es mayor cuando la temperatura es más baja. Cuando la temperatura es más alta, el crecimiento es principalmente octaédrico. polimorfos octaédricos.

La fuente de carbono de los diamantes sintéticos es generalmente el grafito. Por lo tanto, la producción de diamantes sintéticos es el proceso de convertir el grafito en diamantes. Sin embargo, los componentes sintéticos de los diamantes con calidad de gema no lo son. Pasos, primero use grafito para sintetizar polvo de diamante (abrasivo industrial) y luego use polvo de diamante como materia prima para sintetizar diamante de calidad gema. El polvo de diamante puede mantener una presión estable y hacer crecer cristales de grano grande. Los enlaces se romperán cuando se convierta en diamante, habrá una pérdida de volumen, lo que reducirá la presión del sistema y afectará la formación de cristales más grandes.

3.

1. Prensa superior de seis lados

Los equipos de diamante sintético actualmente utilizan prensas de alta temperatura y alta presión. Los diamantes sintéticos domésticos son principalmente diamantes industriales (es decir, diamantes industriales). Equipo llamado "dispositivo cúbico de alta presión y temperatura ultraalta". La prensa adopta un dispositivo de transmisión de presión de aceite y presión sólida vertical. Según el número de martillos superiores, se divide en superior de dos lados, superior de cuatro lados y seis. parte superior lateral.

La prensa elevadora de seis lados (es decir, tres pares de martillos superiores, superior e inferior, delantero y trasero, izquierdo y derecho) es la más utilizada en China. Su presión de trabajo oscila entre 1.000 y 5.000 toneladas. El espacio de trabajo es de 640 mm. ×600mm×500mm Generalmente, tiene martillos elevadores superiores e inferiores. Cuando se calienta con electricidad, la temperatura puede alcanzar aproximadamente 1900 ℃.

2. Método de "cinta de presión"

El dispositivo de presión de la correa se muestra en la Figura 9-7-3. Este método es similar a la prensa de martillo superior que se utiliza. una fuente de carbono. En la cámara de crecimiento, la cámara de crecimiento se coloca en una junta hecha de materiales especiales y se coloca entre dos yunques. Las materias primas en la cámara de crecimiento luego se someten a temperaturas y presiones extremadamente altas en el fondo de la cámara de crecimiento. es más grande que la parte superior, la temperatura es baja para formar un gradiente de temperatura de modo que el polvo de diamante en la parte superior se derrita por completo y migre al fondo de la cámara de crecimiento a través del fundente. En el fondo de la cámara de crecimiento, a una temperatura más baja, los diamantes crecen hasta convertirse en cristales de diamante alrededor del cristal semilla.

Figura 9-7-2 En el diagrama de fases estable del carbono, la relación entre la forma del cristal y la temperatura y presión de la región del diamante sintético

Figura 9-7-3 Dispositivo de presión

3. Dispositivo BARS

BARS es la abreviatura rusa de "Splitting Ball Pressureless Device". La presión requerida en este dispositivo se obtiene hidráulicamente, inyectando líquido en un tanque de presión, en lugar de utilizar una enorme prensa hidráulica. La presión hidráulica reúne las 8 partes del dispositivo esférico y crea presión sobre el octaedro formado por 6 pistones. Dentro del octaedro hay una cámara de crecimiento cúbica, que está equipada con equipo de calefacción, cristales semilla, una fuente de carbono (polvo de diamante) y fundente metálico. En este dispositivo, el níquel se utiliza a menudo como fundente. La Figura 9-7-4 es la cámara de crecimiento del dispositivo BARS y su vista en sección transversal.

Figura 9-7-4 La cámara de crecimiento del dispositivo BARS y su vista transversal

Los diferentes equipos y métodos anteriores deben pertenecer a diferentes métodos de catalizador de presión estática. Además, hay muchas formas de sintetizar diamantes de calidad industrial, pero algunos métodos aún no están maduros y otros se han eliminado. Tales como: método de explosión, método de descarga de líquido, método de deposición de vapor, método de explosión nuclear subterránea, etc. El método de deposición de vapor se ha desarrollado mucho en los últimos años.

IV.Características de identificación de los diamantes sintéticos

Debido a los altos requisitos técnicos y al alto coste de los diamantes sintéticos, actualmente no es posible la producción industrial a gran escala de los diamantes que se venden en el mercado. No requieren declaración de sus propiedades naturales. Sin embargo, todavía existen algunos métodos a seguir para distinguir los diamantes sintéticos de los naturales.

1. El color de los diamantes sintéticos

Dado que es difícil eliminar el nitrógeno en la cámara de crecimiento, la mayoría de los diamantes sintéticos son diamantes de tipo Ib que contienen impurezas de nitrógeno, que a menudo son de color amarillo a marrón. amarillo. A veces se introducen átomos de boro en la cámara de crecimiento para reemplazar aleatoriamente los átomos de carbono en la estructura del diamante, produciendo diamantes azules conductores de tipo IIb. Para cultivar diamantes sintéticos incoloros se suele utilizar un metal llamado "absorbente de nitrógeno", como el circonio o el aluminio. Debido a que el nitrógeno se combina más fácilmente con estos elementos y ya no reemplaza a los átomos de carbono en el diamante, se produce el diamante incoloro Tipo IIa. Por lo tanto, los diamantes de tipo Ia rara vez aparecen en diamantes sintéticos (este tipo de diamantes representa aproximadamente el 98% de los diamantes naturales).

2. Espectro de absorción

La gran mayoría de los diamantes naturales (tipo Ia) muestran una línea de absorción de 415 nm, mientras que los diamantes sintéticos no tienen esta línea de absorción característica.

3. Fluorescencia ultravioleta

Por lo general, la fluorescencia de los diamantes sintéticos bajo los rayos ultravioleta de onda corta es más fuerte que la de los rayos ultravioleta de onda larga, y el color de la fluorescencia es amarillo o amarillo. -verde, no el azul o el amarillo de los diamantes naturales. El patrón cúbico-octaédrico representado por el patrón de bandas de color de la fluorescencia UV de los diamantes sintéticos también es completamente diferente del patrón octaédrico de los diamantes naturales.

4. Inclusiones

Los diamantes sintéticos a veces aparecen con fundente metálico, objetos parecidos a polvo, inclusiones parecidas a migas de pan y cintas en forma de "reloj de arena".

5. Instrumentos

Basándose en las características de los diamantes sintéticos, De Beers ha desarrollado dos instrumentos para identificar los diamantes sintéticos. Es decir, el instrumento de identificación del espectro del diamante (Diamondsure) y el instrumento de identificación de fluorescencia de la estructura del diamante (DiamondView). La línea de absorción de 415 nm en la mayoría de los diamantes naturales se puede observar utilizando un espectrómetro de diamantes. Si se encuentra una línea de absorción de 415 nm, no se requieren más pruebas.

El fluorómetro estructural de diamante se puede utilizar para observar los patrones cúbicos y octaédricos mostrados por la fluorescencia ultravioleta de los diamantes sintéticos. Esto se debe a las diferentes concentraciones de impurezas en diferentes zonas de crecimiento y zonas de crecimiento.

Preguntas para pensar

1. Preguntas de verdadero o falso

1. La piedra preciosa sintética más común en el mercado de la joyería es el vidrio.

2. El nombre clave del granate de itrio almandino es GGG.

3. La presencia o ausencia de inclusiones en fase gas-líquido es la principal evidencia para distinguir los cristales de los cristales sintéticos.

4. Tanto la esmeralda como el rubí se pueden producir mediante el método hidrotermal.

5. Las líneas de crecimiento en forma de arco son una de las características de las piedras preciosas sintéticas con método de flujo.

6. Entre las piedras preciosas artificiales con una dureza molar superior a 7 se encuentra el SrTiO3.

7. La alejandrita sintética actualmente en el mercado es un producto hidrotermal.

8. Se pueden observar piedras preciosas sintéticas con pequeñas escamas de platino o inclusiones de aleaciones, que son productos del método hidrotermal.

9. Las inclusiones columnares y con forma de aguja comunes en las esmeraldas sintéticas pueden ser calcita.

10. Las cintas de los rubíes sintéticos son siempre curvas.

11. El nombre clave del granate de itrio almandino es GGG.

12. La presencia o ausencia de inclusiones de fase líquido-vapor es la base principal para distinguir los cristales de los cristales sintéticos.

2. Preguntas de opción múltiple

1. Al distinguir la turmalina verde del cristal verde sintético, debes utilizar: ( )

a. p>

b. Polarizador

c. Refractómetro

2. En términos generales, las inclusiones en forma de gotas en las piedras preciosas sintetizadas por el método del flujo son ( )

a. Residuos de flujo

b. Líquido capturado

c. Inclusiones de líquido post-gas que llenan los huecos

3. rubíes y rubíes, es necesario observar: ( )

a. Índice de refracción

b Si existen inclusiones gas-líquido simultáneas

c. hay rutilo o circón y otras inclusiones congenéricas

4. El nombre chino de "YAG" es: ( )

a. Granate de galio

c. Titanato de estroncio

5. ¿Cuál de las siguientes piedras preciosas cultivadas artificialmente debe ir precedida de la palabra "sintético" en su nombre: ( )

a. Crisoberilo

b. Titanato de estroncio

c. Granate de itrio almandino

6.

a.Vanadio

a.Cromo

c.Titanio

7. Cualquiera con la misma química que las piedras preciosas naturales inorgánicas Artificialmente Los cristales cultivados con composición, estructura atómica y propiedades físicas deben denominarse: ( )

a. Piedra preciosa artificial

b. Piedra preciosa de síntesis

c.

8. Puede sintetizarse mediante el método de fusión por llama ( )

a. Granate de itrio almandino

b.Esmeralda

c.

d. Circonia cúbica

9. El calor necesario para producir circonita cúbica mediante el método del crisol frío (cáscara de fusión) proviene de ( )

a. gas de petróleo

b. Propano y cloro

c. Corriente de alta frecuencia

d. Resistencia a altas temperaturas

10. : ( )

a. Dicroísmo fuerte

b. Sin dicroísmo

c. Dicroísmo débil

11. la dispersión entre gemas sintéticas o gemas artificiales es: ( )

a.α-SiC (α-moissanita)

b.SrTiO3 (ácido titanio y estroncio)

c.TiO2 (rutilo)

12. Las piedras preciosas artificiales cristalizadas a partir de la masa fundida no contendrán ( )

a. Inclusiones bifásicas gas-líquido

b. . Inclusiones bifásicas gas-líquido sincrónicas

c. Inclusiones bifásicas gas-líquido epigenéticas

13 En la actualidad, el GGG artificial se forma de las siguientes maneras: ( )

a. Cristalización a partir de fusión

b. Cristalización a partir de solución

c. Cristalización a partir de gas

14. El método de flujo son: ( )

a. Inclusiones bifásicas gas-líquido simultáneas b. Inclusiones bifásicas fase gas-sólido c .Inclusiones bifásicas gas-líquido similares a huellas dactilares

15. Las inclusiones características de alejandrita sintetizada por el método de Czochralski son: ( )

a. Inclusiones trifásicas en grietas de curación

b. inclusiones de fase

c. Líneas de crecimiento curvas

16 Cambia la marca "GE POL" en la cintura a blanca El diamante es: ( )

a. Modificado con diamantes marrones

b. Modificado con diamantes amarillos

c.Modificado con diamantes verdes inferiores

17. el que tiene la conductividad térmica más cercana al diamante es: ( )

a. CZ sintético

b α-SiC sintético

c. p>

3. Preguntas de opción múltiple

1. Las propiedades físicas de la moissanita sintética (α-SiC) son: ( )

a.

b.Hay birrefringencia