سنگ ها، راهی زیبا برای رسیدن به آرامش طبیعت
به گوهرآرا خوش آمديد

الماس مصنوعی

الماس مصنوعی

انواع الماس

الماس‌های مصنوعی پرورش یافته توسط تکنیک فشار بالا دما بالا در رنگ‌های متنوع

الماس مصنوعی (هم چنین معروف به الماس ساخته شده در آزمایشگاه، الماس پرورده شده در آزمایشگاه، الماس فرآوری شده یا الماس کشت شده) الماسی است که طی فرایند مصنوعی برخلاف الماس‌های طبیعی که ضمن فعل و انفعالات زمین‌شناسی ساخته می‌شود. الماس مصنوعی هم چنین، معروف به الماس HPHT یا الماس CVD، به خاطر دو روش تولید رایج است (با ارجاع به روش‌های دما بالا - فشار بالا و تشکیل کریستال با انباشت به روش تبخیر شیمیایی، به ترتیب).


اگرچه اغلب با عنوان مصنوعی شناخته می‌گردد اما این عبارت تا حدودی مشکل دار به حساب می‌آید. در ایالات متحده، کمیسیون تجارت فدرال اشاره نموده است که عنوان‌های جایگزین ساخته شده در آزمایشگاه، پرورده شده در آزمایشگاه، و ساخته شده در (نام تولید کننده) «با طبیعت این سنگ ارتباط واضح تری برقرار خواهند نمود»، با این حال مصرف کنندگان علاقه‌مند به استفاده از عنوان مصنوعی با محصولات تقلیدشده می‌باشند – درحالیکه الماس‌های ساخته شده توسط انسان همان جنس الماس واقعی را دارند (یعنی کربن خالص تبلور یافته در شکل همسانگرد سه بعدی).


ادعاهای زیادی در مورد ساخت الماس بین ۱۸۷۹ و ۱۹۲۸ ثبت شده بودند؛ اکثر آن تلاش‌ها دقیق تحلیل شده بودند ولی هیچ‌کدام تایید نشده بودند. در دهه ۱۹۴۰، تحقیق نظام مندی در ایالات متحده، سوئد و شوروی سابق آغاز شد تا با استفاده از فرایندهای CVD و HPHT الماس ساخته شود. اولین ترکیب تجدید پذیر حوالی ۱۹۵۳ گزارش شده بود. آن دو فرایند هنوزهم موفق به ساخت الماس مصنوعی می‌شوند. یک روش سومی، معروف به ترکیب انفجاری، وارد بازار الماس در اواحر دهه ۱۹۹۰ شد. در این فرایند، دانه‌های الماس در اندازه‌های نانو طی انفجار مواد منفجرهٔ کربن دار تولید می‌شوند. روش چهارمی، با استفاده از گرافیت با فراصوت توان بالا است که در آزمایشگاه نشان داده شده است ولی هم اکنون استفادهٔ تجاری ندارد.


خواص الماس مصنوعی بستگی به جزئیات فرایندهای ساخت آن دارد؛ البته، برخی الماس‌های مصنوعی (چه ساخته شده طی HPHT یا CVD) دارای خواصی مثل سختی، رسانندگی گرمایی و تحرک پذیری هستند که نسبت به همین خواص الماس‌های طبیعی کیفیت بهتری دارند.


الماس مصنوعی به طور گسترده‌ای در سایندهها، در ابزارهای برنده و صیقل دهنده و در گرماخورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده‌های الکترونیکی الماس مصنوعی در حال توسعه هستند که شامل استفاده در کلیدهای (مدارهای) نیروگاه‌ها، ترانزیستورهای اثر میدان با فرکانس بالا و ال ئی دی‌ها می‌باشد. آشکارسازهای پرتو نور فرابنفش (UV) یا ذرات پر انرژی نیز از الماس مصنوعی در تسهیلات تحقیقاتی پر انرژی استفاده می‌کنند و به شکل تجاری در دسترس اند. الماس مصنوعی به خاطر ترکیب منحصر به فردی از پایداری‌های گرمایی و شیمیایی، انبساط حرارتی کم و شفافیت نوری زیاد در محدودهٔ وسیع طیفی در حال تبدیل شدن به محبوب ترین گزینه برای پنجره‌های نوری در لیزرهای CO2 و Gyrotronهای توان بالا هستند. تخمین زده می‌شود که ۹۸٪ تقاضای الماس درجه صنعتی با الماس‌های مصنوعی تامین می‌گردد.


الماس‌های CVD و HPHT قابلیت برش و تبدیل به جواهر در رنگ‌های متنوع: سفید روشن، زرد، قهوه‌ای، آبی، سبز و نارنجی را دارند. به علت قیمت بالای الماس‌های معدنی، قابلیت تولید الماس‌های مصنوعی با کیفیت جواهر، بازار تولید الماس‌های معدنی را تهدید به کسادی می‌کند. د بیرز دستگاه‌های طیف بینی و تکنیک‌هایی را ارتقا داد تا الماس‌های طبیعی و مصنوعی را از هم تشخیص دهد و علاوه بر تلاش برای تثبیت قیمت الماس مصنوعی، الماس‌های طبیعی را بعنوان جنس بهتر معرفی نمود. دستگاه‌های نمایشگر براساس آشکارسازی نوع الماس را می‌توان برای تشخیص الماس‌هایی که به طور قطع طبیعی هستند از الماس‌هایی که بالقوه مصنوعی اند، به کار برد. الماس‌های بالقوه مصنوعی نیازمند واکاوی بیشتر در یک آزمایشگاه تخصصی می‌باشند. مثال‌هایی برای دستگاه‌های نمایشگر تجاری عبارتند از D-Screen (WTOCD / HRD Antwerp) و تحلیلگر الماس آلفا (Bruker / HRD Antwerp).



تاریخچه


مواسان در حال تلاش برای ساخت الماس‌های مصنوعی با استفاده از کورهٔ قوس الکتریکی

پس از کشف سال ۱۷۹۷ در مورد اینکه الماس، درواقع، چیزی جز کربن نیست،تلاش‌های بسیاری برای تبدیل انواع شکل‌های ارزان کربن به الماس صورت پذیرفتند. اولین موفقیت‌ها توسط جیمز بالانتین آنای در 1879[۷] و توسط آنری مواسان در ۱۸۹۳ گزارش شده بودند. روش آن‌ها از گرمایش زغال تا ۳۵۰۰ درجه سلسیوس با آهنی درون بوتهٔ آهنگری از جنس کربن داخل یک تنور بهره می‌برد. در حالیکه آنای از لولهٔ شعلهٔ حرارت استفاده می‌کرد، مواسان با کوره قوس الکتریکی تازه ساخته اش کار می‌کرد که در آن یک قوس الکتریکی بین میله‌های کربنی داخل بلوک‌های آهک زده می‌شود.[۸] سپس آهن مذاب به سرعت با داخل آب قرار دادن سرد می‌شود. انقباض ایجاد شده توسط سردکردن، ظاهراً، منجر به تامین فشار بالای لازم برای تبدیل گرافیت به الماس می‌شد. مواسان نتایج کار خود را در مجموعه‌ای از مقالات در دههٔ ۱۸۹۰ منتشر نمود.


خیلی دانشمندان دیگری سعی در تکرار آزمایش‌های او داشتند. ویلیام کروکز در ۱۹۰۹ موفقیت خود را اعلام نمود. اوتو راف در ۱۹۱۷ مدعی تولید الماس‌هایی تا قطر ۷ میلی‌متر شد،اما بعد تر ادعای خود را پس گرفت. در ۱۹۲۶، دکتر جی. ویلارد هارشی از دانشکدهٔ مک فرسون آزمایش‌های مواسان و راف را تکرار کرد و الماس مصنوعی را تولید نمود؛ آن نمونه هم اکنون در موزهٔ مک فرسون در کانزاس در معرض نمایش است.برخلاف گفته‌های مواسان، راف و هارشی، دیگر آزمایش کنندگان در تکرار عملیات هایشان ناکام بودند.


قطعی ترین تلاش‌های تکرار توسط چارلز آلگرنون پارسونز انجام گرفتند. یک دانشمند و مهندس مشهور و شناخته شده با اختراع توربین بخار، حدود ۴۰ سال (۱۸۸۲-۱۹۲۲) از عمر خود و بخش قابل توجهی از شانس خود را صرف تلاش برای تکرار آزمایش‌های مواسان و آنای نمود و در ضمن فرایندهای خودش را نیز اقتباس کرد. پارسونز به روش دقیق و پر زحمت و ثبت نتایج روشمند خود معروف بود؛ تمام نمونه‌های منجر به نتیجه اش برای تحقیقات بیشتر توسط یک گروه مستقل نگهداری شده بودند. او تعدادی مقاله نوشت – برخی از اولین مقالات الماس HPHT – که در آن‌ها ادعای ساخت الماس‌های کوچک را داشت. البته، در ۱۹۲۸، اجازه داد تا دکتر سی. اچ. دش مقاله‌ای را منتشر کند که در آن عنوان کرده بود به اعتقاد او تا آن تاریخ هیچ الماس مصنوعی (حتی الماس‌های مواسان و بقیه) ساخته نشده است. او گفت که اکثر الماس‌های ساخته شده تا آن روز بیشتر شبیه به اسپینل مصنوعی بوده‌اند.


فرایند الماس GE


یک ماشین فشار کمربندی ساخته شده در دهه ۱۹۸۰ میلادی توسط کوبه استیل

در ۱۹۴۱، توافقی بین شرکت‌های جنرال الکتریک (GE)، Norton و Carborundum برای توسعه بیشتر الماس مصنوعی حاصل شده بود. آن‌ها قادر بودن که کربن را تا ۳۰۰۰˚C (5430 ˚F) تحت فشار ۳٫۵ گیگا پاسکال (510000 psi) برای مدت چند ثانیه گرم کنند. به زودی پس از آن، جنگ جهانی دوم پروژه را متوقف نمود. در ۱۹۵۱ در آزمایشگاه‌های اسکینکتادی شرکت GE از سر گرفته شد و یک گروه الماس فشار بالا شامل فرانسیس پی. باندی و اچ. ام. استرانگ شکل گرفت. تریسی هال و دیگران نیز مدت کوتاهی بعد به پروژه پیوستند.


گروه اسکینکتادی سندان‌های الماسی طراحی شده توسط پرسی ویلیام بریچمن، که یک جایزه نوبل به خاطر تلاشش در ۱۹۴۶ گرفت، را بهبود بخشید. باندی و استرانگ اولین پیشرفت‌ها را حاصل نمودند، پیشرفت‌های بعدی توسط هال حاصل شد. تیم GE سندان‌های کاربید تنگستن ضمن یک فشار هیدورلیکی استفاده کرد تا نمونه کربن دار نگهداری شده در ظرف کاتلینیت تحت فشار قرار بگیرد، ضمن اینکه شن حاصل با فشار از ظرف خارج و وارد واشر می‌شد. تیم در یک فرصت، ساخت الماس را ثبت نمود اما آزمایش به علت شرایط نامشخص ترکیب غیرقابل تکرار بود،[۲۳] و بعداً نشان داده شد که در آن از یک الماس طبیعی مثل یک‌دانه بذر استفاده شده است.


هال به اولین ترکیب موفق تجاری الماس در ۱۶ دسامبر ۱۹۵۴ دست یافت و آن را در ۱۵ فوریهٔ ۱۹۵۵ اعلان نمود. مسیر عبور موفقیت آمیز او شامل یک ماشین فشار «کمربندی» بود که قادر بود فشارهایی بالاتر از 10 GPa (1.500.000 psi) و دماهایی بالای ۲۰۰۰˚C (3630˚F) ایجاد کند.ماشین فشار از یک ظرف پیروفیلیت که در آن گرافیت محلول در نیکل، کبالت یا آهن مذاب بود استفاده می‌کرد. این فلزها مثل "حلال کاتالیزگر" رفتار می‌کردند که هر دویشان کربن را در خود حل نموده و تبدیل آن به الماس را شتاب می‌بخشیدند. بزرگترین الماسی که او تولید کرد ۰٫۱۵ میلی‌متر (۰٫۰۰۵۹ اینچ) عرض داشت؛ خیلی کوچک بود و از نظر ظاهری برای کاربرد جواهری نامناسب بود اما به درد مواد ساینده صتعنی می‌خورد. همکاران هال قادر به تکرار کار او بودند و این اکتشاف در مجله علمی نیچر منتشر شد.او اولین کسی بود که الماس مصنوعی را طی یک فرایند قابل تکرار، قابل تایید مستند تولید کرد. او GE را در ۱۹۵۵ ترک کرد و سه سال بعد دستگاه جدیدی برای الماس مصنوعی ساخت – یک ماشین فشار چهارضلعی با چهار سندان – تا از نقض فرمان‌های امنیتی وزارت بازرگانی ایالات متحده بروی برنامه‌های ثبت اختراع GE اجتناب کند. هال جایزهٔ اختراع خلاقانهٔ انجمن شیمی آمریکا را به خاطر کارش برای الماس مصنوعی دریافت نمود.


پیشرفت‌های بعدی

یک فرایند ترکیب جداگانهٔ الماس مصنوعی در ۱۶ فوریه ۱۹۵۳ در استکهلم توسط شرکت سوئدی جنرال الکتریک (ASEA)، یکی از شرکت‌های تولیدی الکتریکی مه در سوئد، به دست آمد. با تاسیس در ۱۹۴۹، ASEA تیمی از پنج دانشمند و مهندس بعنوان بخشی از پروژهٔ فوق محرمانهٔ ساخت الماس با کد QUINTUS استخدام نمود. تیم از یک دستگاه تقسیم کروی حجیم طراحی شده توسط بالتزار فن پلاتن و آندرس کمپ استفاده می‌کرد.فشار در دستگاه در مقدار تخمینی ۸٫۴ گیگا پاسکال تا یک ساعت نگهداری می‌شد. تعداد کمی الماس کوچک تولید شد ولی در اندازه یا کیفیت جواهری نبودند. این تلاش تا دهه ۱۹۸۰ گزارش نشده بود.در دهه ۱۹۸۰ میلادی، یک رقیب جدید در کشور کره ظاهر شد، یک شرکت به نام الماس ایلجین؛ که توسط صدها شرکت چینی دنبال می‌شد. الماس ایلجین آشکارا در ۱۹۸۸ به ترکیب الماس دست یافت که توسط یک کارمند سابق کره‌ای GE از اسرار تجاری GE به سرقت رفته بود.


بلورهای الماس مصنوعی با کیفیت جواهر اولین بار در ۱۹۷۰ توسط GE ساخته شد و در ۱۹۷۱ گزارش شد. اولین تلاش‌های موفقیت آمیز با لولهٔ پیروفیلیتی با بذرهایی از قطعات نازک و کوچک الماس در هر انتهای آن به نتیجه رسیدند. مادهٔ اولیهٔ گرافیت در مرکز و حلال فلزی (نیکل) بین گرافیت و بذرها قرار گرفتند. ظرف گرم می‌شد و فشار تا حدود ۵٫۵ گیگاپاسکال بالا می‌رفت. بلورها با جریانهایی از طرف مرکز به سمت انتهاهای لوله بزرگتر می‌شدند و با ادامهٔ فرایند بلورهای بزرگتری حاصل می‌شدند. در آغاز، یک فرایند رشد یک هفته‌ای سنگ‌های جواهری حدود ۵ میلی‌متری (۱ قیراط یا ۰٫۲ گرم) تولید نمود و شرایط فرایند نیز می‌بایستی تا جای ممکن پایدار می‌ماندند. الماس شنی سریعاً به جای ماده اولیه گرافیت قرار داده می‌شد تا کنترل بهتری روی شکل نهایی بلور وجود داشته باشد.



یک چاقوی جراحی با تیغهٔ الماس مصنوعی تک بلور

اولین سنگ‌های جواهری به خاطر آلودگی با نیتروژن همیشه به رنگ زرد مایل به قهوه‌ای بودند. وجود ناخالصی عادی بود، به خصوص نیکل‌های «صفحه‌ای شکل». حذف کامل نیتروژن از فرایند با اضافه نمودن آلومینیم یا تیتانیم سنگ‌های «سفید» بدون رنگ ایجاد نمود و ضمن حذف نیتروژن و اضافه کردن بور سنگ‌های آبی می‌ساخت.حذف نیتروژن، هم چنین، باعث کندی مرحلهٔ رشد می‌شد و کیفیت بلوری را کاهش می‌داد؛ بنابراین، معمولاً واکنش در حضور نیتروژن انجام می‌پذیرفت.


اگرچه سنگ‌های GE و الماس‌های طبیعی به لحاظ شیمیایی مشابه بودند اما مشخصات فیزیکی شان یکسان نبود. سنگ‌های بدون رنگ دارای خاصیت قوی فلورسنس و فسفرسانس تحت نور ماورای بنفش با طول موج کوتاه بودند اما در مقابل امواج فرابنفش با طول موج بلند بی اثر می‌شدند. فقط جواهرهای آبی رنگ نادر این خواص را از خود نشان می‌دهند. برخلاف الماس‌های طبیعی، تمام سنگ‌های GE تحت پرتوهای ایکس فلرسانس زردرنگ قوی بروز می‌دادند.آزمایشگاه تحقیقاتی الماس د بیرز سنگ‌هایی تا ۲۵ قیرات (۵٫۰ گرمی) برای استفاده‌های تحقیقاتی ساخته است. شرایط پایدار HPHT تا شش هفته حفظ می‌شدند تا الماس‌هایی با کیفیت دراین اندازه ساخته شوند. به دلایل اقتصادی، رشد اغلب الماس‌های مصنوعی وقتی که به جرم معادل ۱ قیراط (۲۰۰ میلی گرم) تا ۱٫۵ قیراط (۳۰۰ میلی گرم) برسند، خاتمه می‌یابد.


در دهه ۱۹۵۰ میلادی، تحقیقی در شوروی سابق و ایالات متحده روی ساخت الماس با گرماکافت گازهای هیدروکربن در دمای نسبتاً کم ۸۰۰˚C آغاز گردید. این فرایند کم فشار به انباشت به روش تبخیر شیمیایی یا CVD معروف است. ویلیام جی. بنا بر گزارش‌ها به انباشت تبخیر الماس روی بسترهای الماس در سال ۱۹۵۳ دست یافت اما تا ۱۹۶۲ گزارش نشده بود.انباشت فیلم الماس نیز جداگانه توسط آنگوس و همکارانش در ۱۹۶۸ و توسط دریاگین و فدوسیف در ۱۹۷۰ تکثیر یافت.در حالیکه اورسول و آنگوس از الماس‌های بزرگ گران و تک بلور برای بستر استفاده می‌نمودند، دریاگین و فدوسیف موفق به ساخت فیلم‌های الماس روی موادی غیر از الماس (سیلیسیم و فلزات) شدند که منجر به پژوهشی بزرگ روی پوشش‌های ارزان قیمت الماس در دهه ۱۹۸۰ شد.


فناوری‌های ساخت صنعتی

روش‌های متعددی برای ساخت الماس مصنوعی موجودند. روش اصلی در فشار و دمای بالا (HPHT) کار می‌کند و هنوز به علت کم هزینه بودن به طور گسترده‌ای به کار می‌رود. فرایند نیازمند دستگاه‌های فشار بالا که از صدها تن وزن برای تولید فشار 5 GPa در ۱۵۰۰˚C استفاده می‌کنند می‌باشد. روش دوم از انباشت به روش تبخیر شیمیایی (CVD) استفاده می‌کند که یک پلاسمای کربن روی یک بستری می‌سازد که بر آن اتم‌های کربن انباشته می‌شوند تا الماس را شکل دهند. روش‌های دیگر شامل ترکیب‌های منفجر شونده هستند (با ایجاد نانوالماس‌های انفجاری) و محلول‌های گرافیتی به روش فراصوت.


فشار بالا، دمای بالا


شمای یک ماشین فشار کمربندی

در روش HPHT، سه طرح اصلی فشار موجودند که برای تامین فشار و دمای لازم برای تولید الماس مصنوعی به کار می‌روند: ماشین فشار کمربندی، ماشین فشار مکعبی و ماشین فشار تقسیم کروی (دستگاه BARS). بذرهای الماس در پایین دستگاه قرار داده می‌شوند. قسمت درونی دستگاه تا بالای ۱۴۰۰˚C گرم می‌شود و فلز حلال را ذوب می‌کند. فلز مذاب منبع کربن خلوص بالا را حل می‌کند و سپس به سمت بذرهای کوچک الماس منتقل می‌شود و آنجا حین آبکاری شدن، الماس مصنوعی بزرگی را شکل می‌دهد.


اختراع اصلی GE توسط تریسی هال از ماشین فشار کمربندی استفاده می‌کند که در آن سندان‌های بالایی و پایینی میزان فشار را برای یک سلول داخلی استوانه‌ای فراهم می‌کنند. فشار داخلی به صورت شعاعی توسط یک کمربندی از نوارهای فولادی آبدیده محدود می‌شود. سندان‌ها هم چنین بعنوان الکترودهایی جریان الکتریکی را به سلول فشرده شده راه می‌اندازند. تنوعی از ماشین‌های فشار کمربندی از فشار هیدرولیکی به جای کمربندهای فولادی استفاده می‌کند تا بتواند فشار داخلی را مهار کند. ماشین‌های فشار کمربندی هم چنان مورد استفاده قرار می‌گیرند اما آن‌ها هم اکنون در اندازه‌های بزرگتری از طرح‌های قبلی ساخته می‌شوند.


نوع دوم طرح فشار ماشین فشار مکعبی است. یک ماشین فشار مکعبی شش سندان دارد که همزمان فشار را بروی تمام رویه‌های یک حجم مکعبی شکل ایجاد می‌کند. اولین طرح ماشین فشار چند سندانی یک ماشین چهاروجهی بود که از چهار سندان برای همگرایی روی یک حجم چهاروجهی استفاده می‌نمود.ماشین فشار مکعبی پس از مدت کوتاهی از آن ساخته شد تا حجم را تا جایی که می‌توان فشار بپذیرد، افزایش داد. یک ماشین فشار مکعبی معمولاً کوچکتر از یک ماشین فشار کمربندی است و می‌تواند با سرعت بیشتری به فشار و دمای لازم برای ساخت یک الماس مصنوعی برسد. البته، ماشین‌های فشار مکعبی به راحتی قابلیت ساخت در ابعاد بزرگتر را ندارند؛ حجم تحت فشار را می‌توان با سندان‌های بزرگتری افزایش داد اما این کار میزان نیروی لازم را برای سندان‌ها تا که به همان فشار برسند، بالا می‌برد. راه دیگر آن است که نسبت مساحت بر حجم مربوط به حجم تحت فشار را با استفاده از سندان‌های بیشتری که به یک جسم افلاطونی همگرا می‌گردند، مثل یک دوازده وجهی، کاهش دهیم. البته، چنین ماشین فشاری شکل پیچید ای خواهد داشت و ساخت آن سخت تر است. ref name=ito>Ito, E. (2007). G. Schubert, ed. Multianvil cells and high-pressure experimental methods, in Treatise of Geophysics 2. Elsevier, Amsterdam. pp. 197–230. ISBN 0-8129-2275-1.</ref>



شمای یک سیستم BARS؛ اندازهٔ بشکه خارجی به خاطر مقاصد ارائه کوچکتر نشان داده شده است (به ترتیب: بشکهٔ قرص شکل، روغن هیدرولیکی، دیافراگم لاستیکی، سندان بیرونی فولادی، سندان درونی کاربید تنگستنی، کپسول ترکیب)

دستگاه BARS جمع و جور ترین، کارآمدترین و اقتصادی ترین ماشین‌های فشار الماس ساز است. در مرکز یک وسیلهٔ BARS، یک «کپسول ترکیب» سرامیکی استوانه‌ای شکل تقریباً باندازهٔ 2 cm3 وجود دارد. سلول داخل یک مکعب از جنس انتقال دهندهٔ فشار مثل سرامیک‌های پیروفیلیت قرار می‌گیرد که توسط سندان‌های داخلی ساخته شده از کاربید سیمانی (به عنوان مثال کاربید تنگستن یا آلیاژ سخت VK10) تحت فشار قرار می‌گیرند.[۴۲] حفرهٔ بیرونی ده وجهی توسط هشت سندان بیرونی فولادی تحت فشار قرار می‌گیرد. بعد از نصب، کل سیستم در یک بشکهٔ دیسک شکل با قطر حدود ۱ متر مستقر و قفل می‌شود. بشکه با روغن پر می‌شود تا با حرارت تحت فشار قرار بگیرد و فشار روغن به سلول مرکزی منتقل یابد. کپسول ترکیب توسط یک گرم کن گرافیتی هم محور حرارت داده می‌شود و دما توسط یک ترموکوپل اندازه‌گیری می‌گردد.


انباشت به روش تبخیر شیمیایی

انباشت به روش تبخیر شیمیایی روشی است که در آن الماس را از یک مخلوط گازی هیدورکربنی می‌توان پرورش داد. از اوایل دهه ۱۹۸۰، این روش موضوع پژوهش ویژهٔ جهانی شده است. در حالیکه تولید بلورهای کریستال با کیفیت، فرایند HPHT را گزینهٔ مناسب تری برای کاربری‌های صنعتی اعلام می‌کند، انعطاف‌پذیری و سادگی تنظیمات مربوط به CVD محبوبیت پرورش CVD را در تحقیقات آزمایشگاهی نشان می‌دهد. مزیت‌های پرورش الماس CVD شامل توانایی به رشد دادن الماس در مناطق وسیع و بسترهای متنوع و کنترل خوب تر ناخالصی‌های شیمیایی و نتیجتاً خواص بهتر الماس ساخته شده است. برخلاف HPHT، فرایند CVD نیاز به فشارهای بالا ندارد زیرا که پرورش معمولاً در فشارهای زیر 27 kPa انجام می‌پذیرد.


پرورش CVD به آماده نمودن یک بستر نیاز دارد تا مقادیر متغیر گازها را داخل اتاق تغذیه و انرژی زایشان کند. آماده‌سازی بستر شامل انتخاب یک مادهٔ مناسب و جهت کریستالوگرافی اش، پاک سازی آن معمولاً با پودر الماس که یک بستر غیر الماسی را تحریک کند و دمای بستر را (حدود ۸۰۰˚C) حین پرورش با مجموعه‌ای از اجراهای آزمایشی بهینه‌سازی نماید. گازها معمولاً دارای منابعی از کربن، معمولاً متان و هیدروژن با نسبت معمولی ۱ به ۹۹، هستند. هیدروژن ضروری است زیرا به صورت انتخابی کربن‌های غیر الماسی را سیاه قلم زنی می‌کند. گازها در اتاق پرورش با استفاده از توان ریزموج، یک رشتهٔ داغ، یک قوس الکتریکی، یک شعله جوشکاری، یک لیزر، یک پرتو الکترونی یا هر روش دیگری به رادیکال‌های آزاد و فعال شیمیایی خود یونیده می‌شوند.


در حین پرورش، مواد اتاق توسط پلاسما سیاه قلم زنی شده و می‌توانند داخل ترکیب الماس در حال رشد شرکت کنند. به طور خاص، الماس CVD غالباً با سیلیسیم ناشی از پنجره‌های از جنس سیلیسیم دی اکسید اتاق پرورش یا بستر سیلیسیمی آلوده می‌شود.[۴۵] بنابراین، یا از پنجره‌های سیلیسیم دی اکسیدی اجتناب می‌شود یا از بستر دورتر قرار می‌گیرند. گونه‌های حاوی بور در اتاق، حتی در سطوح ردیابی خیلی پایین نیز برای پرورش الماس خالص نامناسب هستند.


انفجار مواد منفجره


ریزنگار الکترونی(میکروسکوپ الکترونی عبوری) از انفجار نانوالماس

نانوبلورهای الماس (با قطر ۵ نانومتر) را می‌توان با انفجار مواد منفجرهٔ کربن دار خاصی در یک اتاق فلزی تشکیل داد. این نانوبلورها به "نانو الماس‌های انفجاری" معروف هستند. حین انفجار، فشار و دمای اتاق به قدر کافی بالا می‌رود تا کربن‌های حاصل از انفجار را به الماس تبدیل کند. با شناورشدن در آب، اتاق به سرعت پس از انفجار سرد می‌شود تا مانع تبدیل الماس‌های تازه تولید شده به گرافیت پایدارتر شود.در نوعی دیگر از این روش، یک لوله فلزی پر شده با پودر گرافیت در اتاق انفجار قرار می‌گیرد. انفجار گرافیت را به میزان کافی گرم کرده و فشرده می‌کند تا به الماس تبدیل شود.محصول همواره مقادیر زیادی از گرافیت و شکل‌های دیگر کربن غیر الماس دارد و باید آن را در نیتریک اسید داغ به مدت طولانی جوشاند (حدود ۱ روز در ۲۵۰˚C) تا آن‌ها را در خود حل کند. پودر نانو الماس بازیابی شده در درجه اول کاربرد صیقلی دارد. به طور عمده‌ای در چین، روسیه و بلاروس تولید می‌شود و در اوایل دهه اول هزاره سوم میلادی در مقادیر عمده وارد بازار شده است.


حفره زایی مافوق صوت

بلورهای میکرونی الماس را می‌توان از سوسپانسیون گرافیت در مایعی آلی در شرایط استاندارد دما و فشار به کمک حفره زایی مافوق صوت ترکیب کرد. بازده تولید الماس تقریباً ۱۰٪ وزن اولیه گرافیت است. هزینهٔ تخمین شدهٔ تولید الماس به این روش با مقدار روش HPHT قابل مقایسه است؛ کمال بلوری محصول به شکل قابل ملاحظه‌ای در روش فراصوت افتضاح است. این تکنیک نیازمند تجهیزات و فرایندهای نسبتاً ساده‌ای است اما فقط توسط دو گروه تحقیقاتی گزارش شده است و در سال ۲۰۱۲ هیچ استفاده صنعتی ندارد. متغیرهای متعدد فرایند مثل آمادگی پودر اولیهٔ گرافیت، انتخاب توان مافوق صوت، مدت زمان ترکیب و حلال هنوز به خوبی بهینه نشده‌اند و فقط دری برای موفقیت‌های احتمالی برای کارآمدی و کاهش هزینه‌های ترکیب فراصوتی باز شده است.


مشخصات

از قدیم، نبود نواقص بلوری به عنوان مهم ترین مشخصهٔ یک الماس به شمار می‌رود. خلوص و کمال بلوری بالا الماس‌ها را شفاف و روشن می‌کنند در حالیکه سختی شان، پاشندگی (اپتیک)، (درخشش یا لوستر) و پایداری شیمیایی (مرتبط با کاربرد تجاری)، آن‌ها را تبدیل به یک سنگ جواهر محبوب می‌کند. رسانندگی گرمایی بالا نیز برای کاربری‌های فنی مهم است. این در حالیست که پاشندگی نوری بالا یک خاصیت ذاتی هر الماس است، خواص دیگر یک الماس به نحوهٔ تولید شدن آن بستگی دارد.


تبلور

الماس می‌تواند یک بلور پیوستهٔ تنها باشد یا متشکل از چندین بلور کوچکتر(چند بلور). الماس‌های تک بلور بزرگ، شفاف و روشن معمولاً بعنوان جواهر به کار می‌روند. الماس چند بلوره (PCD) متشکل است از دانه‌های کوچک که با چشم غیر مسلح با جذب و شکست نور بالا به راحتی دیده می‌شوند؛ برای جواهربودن مناسب نیستند و کاربردهای صنعتی مثل ابزار استخراج از معدن و ابزار برشی دارند. الماس چندبلوره غالباً با اندازه متوسط (یا اندازهٔ دانه) بلورهای متشکل شده از آن‌ها معرفی می‌گردد. اندازه‌های دانه از چند نانومتر تا صدها میکرومتر موجودند و با عنوان‌های الماس «نانوبلور» و «میکروبلور»، به ترتیب، نام گذاری شده‌اند.


سختی

اگر سختی را مقاومت در برابر خراشیدن که از ۱ (نرم ترین) تا ۱۰ (سخت ترین) بنابر مقیاس سختی موس درجه بندی می‌گردد، تعریف کنیم؛ الماس مصنوعی سخت ترین مادهٔ شناخته شده است. الماس درجه سختی ۱۰ (سخت ترین) در این مقیاس را دارد. سختی الماس مصنوعی وابسته به خلوص، کمال بلوری و جهت گیری آن است؛ سختی برای بلورهای خالص کم نقص جهت یافته در جهت (در امتداد طولانی ترین قطر شبکه الماس مکعبی) بیشتر است.الماس نانوبلور ساخته شده در پرورش الماس CVD می‌تواند ۳۰٪ تا ۷۵٪ سختی یک الماس تک بلور را داشته باشد پس سختی را می‌توان برای کاربری‌های خاصی کنترل نمود. برخی الماس‌های تک بلور و الماس‌های نانوبلور HPHT (اَبرالماس را ببینید) از تمام الماس‌های طبیعی شناخته شده سخت تر هستند.


ناخالصی‌ها و محتویات

هر الماس اتم‌هایی بغیر از کربن در غلظت‌هایی قابل تشخیص با تکنیک‌های تجزیه دارد. آن اتم‌ها را می‌توان در فازهای ماکروسکوپی به نام محتویات جمع‌آوری نمود. از ناخالصی‌ها عموماً اجتناب می‌شود، اما می‌توان عمداً آن را روشی برای کنترل برخی خواص الماس نامید. فرایندهای پرورش الماس مصنوعی، با استفاده از حلال-کاتالیزگرها معمولاً منجر به تشکیل تعدادی مراکز پیچیدهٔ مربوط به ناخالصی شامل اتم‌های فلزهای گذرا (مثل نیکل؛ کبالت یا آهن)، می‌شوند که بر خواص الکترونیکی ماده تاثیر گذارند.


به عنوان مثال، الماس خالص نارسانای الکتریکی است اما الماس با بور اضافه شده یک رسانای الکتریکی است (و در برخی موارد یک ابررسانا)، که اجازه می‌دهد از آن برای کاربردهای الکترونیکی به کار برده شود. ناخالصی‌های نیتروژن مانع جنبش نابجایی‌های شبکه‌ای می‌گردد (معایب ساختار بلوری) و شبکه را تحت تنش فشاری قرار می‌دهد که نتیجتاً سختی و چقرمگی افزایش می‌یابد.


رسانندگی گرمایی

برخلاف اکثر نارساناهای الکتریکی، الماس خالص به علت پیوند کووالانسی درون بلور یک رسانای گرمایی خوب است. رسانندگی گرمایی الماس خالص بالاترین مقدار هر جامد شناخته شده‌ای است. تک بلورهای الماس مصنوعی غنی شده از 12C (۹۹٫۹٪)، الماس خالص با یک ایزوتوپ، بالاترین رسانندگی گرمایی بین هر ماده‌ای، 30 W/cm.K در دمای اتاق و ۷٫۵ برابر مس، دارند. رسانندگی الماس طبیعی با حضور طبیعی کربن ۱۳ به میزان ۱٫۱٪ کاهش می‌یابد که باعث ناهمگنی در شبکه خواهد شد.


رسانندگی گرمایی الماس به درد جواهرفروشان و جواهرشناسان می‌خورد که بخواهند با یک کاوشگر رسانندگی الکتریکی الماس‌های واقعی را از تقلبی‌ها تشخیص دهند. این کاوشگرها شامل یک جفت ترمیستور باتری خور که به یک نوک مسی خوب نصب شده‌اند، هستند. یک ترمیستور به عنوان یک وسیلهٔ گرمایی کار می‌کند و دیگری دمای نوک مسی را اندازه می‌گیرد؛ اگر سنگ مورد آزمایش الماس باشد، انرژی گرمایی نوک را با سرعت کافی هدایت خواهد کرد تا افت دمای قابل اندازه‌گیری را تولید کند. این آزمایش دو سه ثانیه طول می‌کشد.


کاربردها

ماشین ابزارها و ابزار برشی


الماس‌ها در تیغهٔ دستگاه فرز

اکثر کاربردهای صنعتی الماس مصنوعی ارتباط زیادی به سختی بالای آن دارد؛ این خاصیت الماس را مادهٔ ایده‌آلی برای ماشین ابزار و ابزار برشی می‌کند زیرا که سخت ترین مادهٔ واقعی شناخته شده طبیعی، الماس را می‌توان برای صیقل کاری، برش یا ساییدن هر ماده دیگری حتی دیگر الماس‌ها به کار برد. کاربردهای صنعتی معمول این خاصیت شامل مته‌ها و اره‌های نوک الماسی و استفادهٔ پودر الماس به عنوان یک ساینده می‌باشد.[۶۶] این‌ها تاکنون بیشترین استفاده‌های صنعتی الماس صنعتی هستند. در حالیکه الماس طبیعی نیز برای این مقاصد استفاده می‌شود، الماس مصنوعی HPHT محبوب تر است که بیشتر هم به خاطر قابلیت دوباره سازی و تکثیر خواص مکانیکی آن می‌باشد. الماس برای آلیاژهای آهنی ماشین ابزار در سرعت‌های بالا مناسب نیست زیرا کربن در دماهای بالا قابلیت حل شوندگی در آهن ساخته شده توسط ماشین ابزارهای پرسرعت را دارد که باعث ایجاد پوشش شدیداً افزایش یافته روی ابزارهای الماسی در مقایسه با دیگر جایگزین‌ها می‌گردد.


شکل معمول الماس در ابزار برشی دانه‌های میکرونی پراکنده در یک ماتریس فلزی (معمولاً کبالت) تف جوش شده روی وسیله است. این شکل معمولاً در صنعت به الماس چندبلوره (PCD) ارجاع می‌شود. ابزارهای با نوک PCD را می‌توان در کاربری‌های استخراج از معادن و برشکاری‌ها پیدا کرد. در پانزده سال اخیر، عملیات با ابزارهای فلزی پوشیده با الماس CVD انجام گرفته است و ضمن پیشروی موفق کار، جای خود را به ابزارهای PCD سابق نداده است.


رسانندهٔ گرما

اکثر مواد با رسانندگی گرمایی بالا معمولاً رسانای الکتریکی هم هستند مثل فلزات. در مقابل، الماس مصنوعی خالص رسانندگی گرمایی بالا دارد ولی رسانایی الکتریکی آن ناچیز است. این ترکیب برای مصارف الکترونیک پرارزش است چون الماس به عنوان گرماخور برای لیزرهای دیودی پُرتوان، آرایه‌های لیزر و ترانزیستورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. اتلاف حرارت بهینه عُمر وسایل الکتریکی مذکور را طولانی می‌کند و هزینه‌های بالای تعویض آن وسایل، استفاده از گرماخورهای الماسی نسبتاً گران‌قیمت را توجیه می‌کند.[۶۹] در فناوری نیمه رساناها، گرماگسترهای الماس مصنوعی از زیاد گرم شدن سیلیسیم و دیگر مواد نیمه رسانا جلوگیری می‌کند.


مواد نوریحاظ شیمیایی بی اثر بوده، رساندگی گرمایی بالا و ضریب انبساط گرمایی پایینی دارد. این خواص الماس را از هر مادهٔ شیشه‌ای موجود و مورد استفاده برای انتقال تابش‌های ریزموج و مادون قرمز برتر می‌کند؛ بنابراین، الماس مصنوعی در حال جانشینی به جای سلنید روی مورد استفاده برای پنجره خروجی لیزرهای پرتوان CO2 و گیروترون‌ها می‌باشد. پنجره‌های الماس مصنوعی به شکل قرص‌هایی با قطر بالا (تقریباً ۱۰ سانتیمتر برای گیروترون‌ها) و ضخامت‌های کمتر (برای کاهش جذب) هستند و فقط به روش CVD قابل تولید می‌باشند.


پیشرفت‌های اخیر در روش‌های ساخت CVD و HPHT خلوص و کمال ساختار بلوری الماس تک بلور را به قدر کافی بالا برده‌اند تا به جای سیلیسیم به عنوان یک توری پراش و مادهٔ پنجره در منابع تابش پرتوان مثل سنکروترونها مورد استفاده قرار بگیرد. هردوی فرایندهای CVD و HPHT نیز برای ساخت سندان‌های الماس روشن طراح نوری به عنوان ابزاری برای اندازه‌گیری خواص الکتریکی و مغناطیسی مواد در فشارهای خیلی بالا با استفاده از یک سلول سندان الماسی به کار برده می‌شوند.



oja ojaei

نويسنده مطلب الماس مصنوعی

نظرات ( ۰ )
هیچ نظری هنوز ثبت نشده است

ارسال نظر

ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.
شما میتوانید از این تگهای html استفاده کنید:
<b> یا <strong>، <em> یا <i>، <u>، <strike> یا <s>، <sup>، <sub>، <blockquote>، <code>، <pre>، <hr>، <br>، <p>، <a href="" title="">، <span style="">، <div align="">
تجدید کد امنیتی