Ювелирная работа: как в производстве используют драгоценные камни и металлы

В ювелирных украшениях драгоценные камни и металлы способны приобрести уникальную ценность. Однако не стоит забывать об их практическом применении: в авиастроении используют алмазы и платину, в металлопроизводстве применяют синтетические рубины, сапфиры и изумруды, а золото и серебро широко применяется в производстве электронной техники.

Старший преподаватель кафедры металловедения, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ Александр Юрченко рассказал, какие драгоценные камни и благородные металлы используют в промышленности, как создают искусственные алмазы и рубины, за какие свойства ценится золото в микроэлектронике и зачем платиной покрывают выхлопную систему автомобиля.

Алмаз на службе у человека

«Графит — одна из модификаций углерода. Обычно он формируется в геологически стабильных районах континентов и залегает на глубине 100-200 км. Под воздействием высоких температур в диапазоне 1100-1300°С и чрезвычайно сильном давлении в 35-50 килобар (35 000-50 000 атмосфер) графит превращается в алмаз», — рассказывает Александр Юрченко.

Воссоздавать такие условия человек научился в 50-е годы прошлого века. Сейчас нам известно несколько методов. Первый способ: под давлением воды в 2-3 тысячи атмосфер происходит процесс предварительного сжатия графита. Затем вода замораживается и превращается в лед, это приводит к созданию давления до 20 тысяч атмосфер, что уплотняет графит еще сильнее. Далее подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0,3 секунды. После этого размораживают лед и вынимают алмазы. Полученные подобным образом алмазы имеют грязный цвет и пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая (выглядит как пирамида с четырьмя гранями, представленными равносторонними треугольниками). Их используют для технических целей.

Второй способ заключается в наращивании кристаллов алмаза в среде метана (СН4). Они приобретают черный цвет и кубическую форму (в отличие от природной тетраэдрической), однако прочность сопоставима с естественными алмазами. Третьим способом получения является метод взрыва. В камеру на подогреваемую сковороду кладут графит, а сверху на него воздействуют высоким давлением, созданным за счет взрыва. Для этого используют взрывчатое вещество или подрыв проволоки большим импульсом тока. Кристаллы получаются бесцветные и чистые, но очень мелкие — 30–50 мкрн (1 мкрн равен 10^-3 мм). Такие мелкие алмазы используют для производства заточных камней, абразивов.

«Алмаз обладает самой высокой твердостью и отлично отводит тепло. Основная сфера его использования — изготовление инструмента для обработки и резки различных материалов, а также измерения их твердости. Например, алмазными кругами режут бетон, для заточки лезвийного инструмента из стали применяют алмазные инструменты, инденторы (конусообразный наконечник испытательной установки) с алмазными наконечниками используют для измерения твердости сталей после разной термической обработки», — объясняет эксперт Пермского Политеха.

В авиастроении также активно применяют алмазы. Их функция заключается в отведении экстремальных температур, поэтому поверхность деталей сверхзвуковых самолетов и космических кораблей покрывают алмазными частицами. Кроме того, они стойко переносят радиацию и используются в приборах космического назначения, например, датчиках температуры, измерителях радиации и фотоаппаратах.

Драгоценные камни, созданные человеком

Наравне с алмазами, промышленники научились производить синтетические рубины, изумруды и сапфиры. Применяются они, например, в твердотельных лазерах в качестве активной среды — вещества, которое усиливает электромагнитное излучение. Исходно кристаллы находятся в обычном состоянии, но при воздействии на них различными веществами они переходят в возбужденное состояние. Далее на возбужденный кристалл направляют поток электромагнитного излучения — происходит его усиление. Так создают стабильный и интенсивный луч света. Лазер широко используется в промышленности для резки и сварки материалов, в медицине — для лечения заболеваний кожи, а в науке — для изучения свойств материалов.

«Кристаллы рубина обычно получают путем выращивания из расплава смеси оксидов алюминия и хрома. Таким образом, ряд ионов алюминия замещается ионами хрома, что придает кристаллу розовый оттенок. Насыщенность цвета при этом зависит от количества частиц хрома», — поясняет Александр Юрченко.

Среди представленных синтетических материалов в микроэлектронике особенно часто применяют сапфир — единственный материал для изготовления основы радиационностойких микросхем, используемых на АЭС и в космосе. Сапфир также добавляют в микросхемы памяти, гибридные СВЧ-микросхемы, которые используются для усиления сигнала в системах радиолокации, беспроводной связи, спутниковом телевидении. Незаменимость сапфира в микроэлектронике объясняется его низкой проводимостью электрического тока (обеспечивает изоляцию, отделение электрических цепей друг от друга) и особенностью кристаллической решетки, позволяющие выращивать на нем кремний (кремний-на-сапфире), который также широко используется в электротехнике.

Рубин, изумруд и сапфир могут быть использованы для изготовления точильных камней под различные инструменты. Они состоят из связующего вещества (смолы, каучука или пластика) и абразивных частиц — твердой крошки, например, из синтетических кристаллов.

Жар и время их не сломит

«Золото обладает высокой электро- и теплопроводностью, поэтому в основном оно используется в электронике для изготовления контактных покрытий, разъемов и проводов в электронных устройствах: компьютерах, телевизорах и смартфонах. Кроме того, благодаря высокой коррозионной стойкости, золото активно применяют в виде добавок при изготовлении химических приборов», — рассказывает ученый Пермского Политеха.

Серебро является коррозионностойким материалом, поэтому пластины в аккумуляторных батареях имеют бόльший срок службы. Кроме того, такие источники энергии обладают высокой энергоплотностью и позволяют получить большое количество тока. Серебром покрывают медные проводники, а также изготавливают из него высокоточные оптические линзы, инфракрасную оптику (некоторые виды телескопов, тепловизоры, различные камеры).

Платина используется в дизельных двигателях для снижения вредных выбросов. Тонкое покрытие, нанесенное в выхлопную систему автомобиля, ускоряет реакцию кислорода как с оксидом углерода, так и с углеводородами (парниковыми газами), превращая их в менее вредный углекислый газ (диоксид углерода) и воду, а также уменьшая эмиссию частиц серы во внешнюю среду.

«Благодаря высокой температуре плавления (1760°С) и коррозионной стойкости даже при высоких температурах из платины изготавливают фильеру — перфорированную пластину, через которую выдавливают расплавленный материал, чтобы сформировать его форму. Например, стекло размягчается до состояния текучести при температуре 980-2100°С, которой не способны противостоять большинство металлов», — объясняет Александр Юрченко.

В авиастроении платину толщиной до 10 мкм наносят на лопатки газотурбинного двигателя — для сохранения жаростойкости и повышения жаропрочности при сохранении неизменного режима работы. Таким образом, на поверхности лопаток формируется теплозащитное покрытие. В этом случае продолжительность использования лопаток возрастает в несколько раз.