Тепловые свойства алмазов
Распространение тепла в кристаллах зависит от их симметрии. В кристаллах кубической сингонии скорость распространения тепла во всех направлениях одинакова.
Наглядное представление о равномерном распространении тепла в кристаллах алмаза дает следующий опыт. Если покрыть тонким слоем воска пластинку, вырезанную из алмаза, а затем прикоснуться раскаленной иглой к центру такой пластинки, то вокруг острия воск расплавится и возникает фигура плавления в виде круга.
Теплопроводность кристаллов во многом определяется особенностями их микростроения. Теплопроводность аморфных веществ меньше теплопроводности кристаллических веществ.
Теплопроводность алмаза 0,35 кал/см*с*град, тогда как теплопроводность твердых сплавов 0,053—0,19 кал/см*с*град. Удельная теплоемкость алмаза равна 0,12 кал/г*град, а удельная теплоемкость твердых сплавов 0,04 кал/г*град.
Относительно высокая удельная теплоемкость алмаза способствует поглощению тепла, а высокая теплопроводность — лучшему отводу тепла с поверхности обрабатываемой детали.
Теплопроводность алмаза при комнатной температуре больше теплопроводности серебра и металлокерамических твердых сплавов (табл. 7).
Расширение кристаллов при нагревании тесно связано с особенностями их теплопроводности. Если нагревать шар, вырезанный из кристаллов высшей (кубической) сингонии, он расширится, но форма его сохранится.
Если же нагревать шар, изготовленный из кристаллов средней сингонии, он будет расширяться неравномерно и превращаться в вытянутый или сплющенный эллипсоид вращения. Шap из кристаллов низшей сингонии при нагревании превратится в трехосный эллипсоид, т. е. при тепловой деформации ярко проявляется симметрия кристаллов. Величина удлинения кристаллов при нагревании на 1° называется коэффициентом линейного расширения а.
Величина, соответствующая изменению объема кристалла при нагревании на 1°, называется коэффициентом объемного расширения р.
Коэффициент линейного расширения алмаза равен 0,9*10в-6—1,45*10в-6 град-1, что в несколько раз меньше коэффициента линейного расширения твердых сплавов, равного 5*10в-6—7*10в-6 град-1. При 78° С коэффициент теплового расширения алмаза равен 1,2*10в-6 град-1, а при температуре 780°С — 4,5*10в-6 град-1.
Температура плавления кристаллов алмаза равняется примерно 4000° С. Алмаз при достаточно высокой температуре сгорает, образуя углекислоту. На воздухе температура его горения равна 850—1000° С; в струе чистого кислорода он горит при 720—800° С. Алмаз горит слабым голубым пламенем.
При нагревании до 2000— 3000° С без доступа кислорода алмаз переходит в графит. Начало такого перехода заметно уже при 1500° С и даже при 1000° C. Превращение алмаза в графит происходит медленно. Прежде всего начинают темнеть вершины и ребра кристаллов, затем весь кристалл покрывается черной графитовой корочкой, а затем и внутренняя часть его целиком переходит в графит.
Электрические и магнитные свойства алмаза
Алмаз является диэлектриком. Лишь некоторые алмазы — полупроводники. Полупроводниковые алмазы особенно ценны. Они применяются в приборах, работающих при высоких температурах.
Электрическое сопротивление алмазных полупроводников зависит от температуры, причем даже незначительные ее колебания (около 0,002° С) мгновенно регистрируются. Последнее открывает широкие возможности применения алмазов в вакуумных приборах и приборах, работающих с инертной средой, где необходимы точные измерения температуры.
Удельное электрическое сопротивление алмаза очень большое (5*10в14 Ом*см). При трении о сукно алмаз электризуется положительным зарядом. Некоторые его разновидности обладают пиро- и пьезоэлектрическими * свойствами. При облучении ультрафиолетовыми лучами алмаз становится проводником электричества (фотопроводимость). Диэлектрическая проницаемость алмаза составляет 16—16,5.
Алмаз немагнитен (за исключением разновидностей, обладающих парамагнитными свойствами). В некоторых кристаллах алмаза магнитные свойства обусловлены включениями с повышенной магнитной проницаемостью (магнетит, ильменит).
Теплопроводность алмаза
Теплопроводность алмаза [ 0 35 кал / ( см-сек — С) ] выше теплопроводности твердых сплавов [ 0 05 — 0 19 кал / ( см-сек — С) 1 и быстрорежущей стали [ 0 05 — 0 07 кал / ( см-сек — С) 1, поэтому образующееся при резании тепло отводится от резца в алмазном инструменте быстрее, чем в твердосплавном.
Теплопроводность алмаза также самая высокая среди минералов, что позволяет алмазному вооружению быстро охлаждаться.
Это свойство важно для предупреждения разрушения алмазов при быстром нагревании и термическом растрескивании.
Уменьшение теплопроводности алмазов типа Па, вызванное облучением быстрыми электоонами ( 1.5 MsBV и связанное г ним тепловое rnnnn. [5]
Температурный ход теплопроводности алмазов различных типов обнаруживает ее пик, приходящийся на интервал температур 60 — 100 К [340], который в силу высокой температуры Дебая максимально сдвинут в область более высоких температур по сравнению с другими кристаллическими материалами.
В отличие от монокристаллов теплопроводность поликристаллическнх алмазов изучена слабо. По этому вопросу имеются только единичные публикации. Для природных поликристаллических алмазов данные о теплопроводности отсутствуют.
С алмаза на 50 % выше, чем теплопроводность алмаза природного, в котором содержание изотопа С составляет 98 9 %, и при комнатной температуре оказалась самой высокой из всех материалов, когда-либо созданных природой или человеком.
Температурная зависимость теплопроводности алмазов представлена на рис. 12.1.7, а на рис. 12.1.8 показано изменение теплопроводности с концентрацией изотопа 13С при фиксированной температуре.
Полученные нами результаты, в частности, объясняют независимость теплопроводности алмаза от температуры — факт, который находится в противоречии с теорией Пайерлса — Дебая.
Вт; ko — коэффициент интенсивности теплообмена, зависящий от значений теплопроводности алмазов, матрицы и корпуса коронки, геометрических размеров коронки, вида и расхода очистного агента, зернистости и концентрации объемных алмазов, Вт / С, t — температура потока очистного агента на подходе к коронке, С.
С алмаза на 50 % выше, чем теплопроводность алмаза природного, в котором содержание изотопа С составляет 98 9 %, и при комнатной температуре оказалась самой высокой из всех материалов, когда-либо созданных природой или человеком. Температурная зависимость теплопроводности алмазов показано изменение теплопроводности с концентрацией изотопа 13С при фиксированной температуре.
В ИК-поглощении им соответствуют спектры, содержащие соответственно А и В полосы поглощения в однофононной области. Это предположение дало возможность удовлетворительно объяснить результаты исследования теплопроводности природных азотсодержащих алмазов.
В ИК-поглощении им соответствуют спектры, содержащие соответственно А и В полосы поглощения в однофононной области. Это предположение дало возможность удовлетворительно объяснить результаты исследования теплопроводности природных азотсодержащих алмазов.
Термин алмаз произошел из греческого языка от слова «адамас», который переводится как непревзойдённый. Сегодня пока не существует единого мнения касательно происхождения алмазов.
Наибольшей популярностью пользуется гипотеза, согласно которой минерал получился в процессе остывания силикатов мантии земной коры. А на поверхности земли он появился вследствие ряда очень мощных подземных взрывов.
Характеристики алмаза
Природный алмаз представляет собой включение в горные оливины, серпентины и графиты.
Помимо этого алмазы встречаются в речных и морских прибрежных галечных россыпях. Там они появляются вследствие деструкции вулканических пород. Для того, чтобы получить один карат этого минерала необходимо переработать примерно 250 тонн алмазосодержащей руды.
А если принять во внимание тот факт, что в процессе огранки самородок теряет почти 50% веса, то количество необходимой руды стоит удвоить.
С точки зрения химического состава алмаз – это чистый углерод, содержащий незначительное количество примесей в виде окисей кальция, магния и железа.
Все алмазы отличаются друг от друга неповторимой структурой и характеристиками. Нет в природе двух одинаковых минералов.
| Химическая формула алмаза | С |
| Удельный вес | 3,5-3,53 (г/см3) |
| Цвет | >бесцветный, прозрачный |
| Твердость | 10 по шкале твердости |
| Электропроводность | диэлектрик |
| Хрупкость | высокая |
| Растворимость | нет |
| Температура плавления | 4000оС(при 100 атм) |
Структура алмаза
Этот минерал является самым твердым минералом на планете.
Ни какой другой камень или металл не может повредить поверхность алмаза, а вот сам алмаз с легкостью царапает менее твердые камни. При помощи алмаза проводится обработка высокотвердых минералов, к примеру, граната, берилла, сапфира.
Физические и химические свойства алмаза позволяют называть его практически не истираемым.
Он обладает чрезвычайно высоким уровнем износостойкости. Но при этом минерал достаточно хрупкий. При ударе о твердую поверхность, он может расколоться или покрыться трещинами.
Найденный в природе алмаз отличается плоскогранной кристаллографической формой. Довольно часто можно обнаружить и сложные, комбинированные виды. Грани обнаруженных кристаллов часто бывают покрыты разными наростами и дырами. Многие думают, что алмазы бесцветны, однако это ошибка. Бывают минералы разного цвета: красного, желтого, зеленоватого.
Очень редко попадаются черные или темно-серые оттенки. Алмаз представляет собой минерал, кристаллическую модификацию чистого углерода (С). Одна ячейка структуры алмаза кубической формы. Кристалл алмаза характеризуется формой тетраэдра. Этот минерал кристаллизуется в кубической системе, которая по научному называется «сингония». Каждая вершина этого куба имеет по одному атому.
Один атом расположен в центре каждой грани, а по четыре — внутри куба. Любой атом, расположенный в центре граней, является общим для двух ячеек, а каждый атом, находящийся в вершине куба,— общий для восьми ячеек. Такой вид упаковки является самым плотным из всех существующих.
Так как самая максимальная валентность углерода равна четырем, то все возможные связи в этой структуре заняты, и постороннее взаимодействие просто нереально.
Именно благодаря такому типу кристаллической решетки алмаз обладает необычайной твердостью. Строение алмаза не связано с числом граней у ювелирного камня.
Количество граней зависит от типа обработки.
Электрические свойства алмаза
Диэлектрическая постоянная кристаллов алмаза составляет 16-16,5; удельное электрическое сопротивление его очень велико и равно в среднем 1012-1014 Ом⋅см.
При облучении отдельных кристаллов алмаза ультрафиолетовыми или другими лучами они начинают заметно проводить электричество — явление, известное под названием фотопроводимости. При трении о сукно алмаз электризуется положительным зарядом.
В зависимости от удельного электрического сопротивления алмазы типа II делятся на две группы — IIa и IIб. Алмазы последней группы имеют сравнительно низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников.
По содержанию примесей они наиболее чистые из всех встречающихся в природе, но редки. Такие алмазы, обычно голубого цвета, высоко ценятся.
Ведутся широкие исследования по использованию алмазов-полупроводников в электронной промышленности. Известно, что германий и кремний имеют сходную с углеродом кристаллическую решетку, но германий теряет полупроводниковые свойства при температуре выше 75 °С, кремний при температуре выше 150 °С, алмаз же сохраняет эти свойства до 600 °С.
Из обзора иностранной и отечественной литературы известно, что в лабораториях ряда стран [3; 4; 6] ученые работают в области изменения электропроводимости алмазов [13]. Например, в Иоханнесбургской лаборатории установлен специальный генератор (каскадный электронный ускоритель), на котором ведется бомбардировка алмазов электронами при максимальном напряжении 1400 кВ.
Изучалось также изменение электропроводимости полупроводниковых алмазов в зависимости от интенсивности и энергии облучения.
Исследование производилось при облучении β-частицами с энергией 1,5 МэВ на циклотроне и ускорителе. Установлено, что изменение электропроводимости происходит пропорционально изменению температуры только до определенного предела — 600 °С. Выше этой температуры электропроводимость алмаза изменяется уже непропорционально изменению температуры.
