Физико-механические свойства.
Важное значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе - всего 0,1 что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуется коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание , которая превышает износостойкость корунда в 90 раз , а других абразивных материалов - в сотни и тысячи раз. В результате , например , при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше ,чем любого другого абразива.
Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.
Термические свойства.
Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 С .На воздухе алмаз сгорает при 850-1000 С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800 С, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ.При нагреве до 2000-3000 С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.
Рассматриваемый минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью ,что обусловливает быстрый отвод тепла возникающего в процессе обработки деталей инструментом , изготовленным из него. Кроме того ,для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже , чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.
|
|
|
Оптические свойства.
Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417 ,а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. Как показатели преломления , так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным.
Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать- светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы.
|
|
|
Электрические и магнитные свойства.
Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Эти алмазы, как правило, голубого цвета. Очень высоко ценятся и исключительно редки. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов- магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации <магнитные> алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.
Окраска
Большинство природных алмазов бесцветно, однако нередки такие камни самых разнообразных цветов и оттенков. Наиболее часто встречаются алмазы со слабым желтоватым оттенком, а также зеленоватые. В месторождениях Южной Африки зачастую попадаются бурые алмазы; за счет значительных примесей аморфного углерода они могут приобретать совершенно черную окраску. А вот розовые, рубиново - красные, розовато-лиловые и синие очень редки. Что касается алмазов сапфирово - синего цвета, то это, как уже отмечалось, явление исключительное, и ценятся они соответственно очень высоко.
|
|
|
Поверхность алмазов из наиболее древних месторождений (возраст которых превышает I млрд. лет) имеет зеленую окраску, которая, однако, исчезает при механической обработке кристалла. Ученые объясняют возникновение зеленой <рубашки> на алмазах продолжительным воздействием на них естественного радиоактивного облучения. Сейчас это явление воспроизведено экспериментально.
В США, Великобритании и ряде других странах искусственное окрашивание природных алмазов производят в лабораторных условиях. Если <бомбардировать> алмаз электронами с энергией 1МэВ, а потом с определенной скоростью охлаждать, то он приобретает синеватый цвет. Если энергия облучения достигает 1,5МэВ, то алмаз становится сине - зеленым. Оттенок цвета зависит от продолжительности излучения. К сожалению, искусственно окрашенные голубые алмазы, в отличие от природных голубых, не приобретают полупроводниковых свойств.
При облучении нейтронами алмаз окрашивается в зеленый цвет, густота которого также определяется продолжительностью излучения. Гамма - лучи придают алмазу равномерную голубовато - зеленую окраску.
|
|
|
Прочие свойства
Алмаз - минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, <царской водки>), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000 - 1200 С также окисляют алмаз. При нагревании до 800 С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.
Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е не смачивается водой. Из - за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно - песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности гранатами, ильменитами. После называют минералами - спутниками алмаза: они помогают геологам отыскивать алмазные месторождения.
В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чем основаны некоторые способы извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы.
Применение алмазов
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений и большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными камнями 1-го класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит, эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.
С конца XIX века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно напомнить, что по оценкам западных экономистов промышленный потенциал США в случае отказа от импорта алмазов упадет в 2-3 раза. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50 %.
Массу алмазов принято измерять в каратах. Каратом в Древней Греции называли семена рожкового дерева, по форме напоминающие крупную горошину. После высушивания семена имели сравнительно постоянную массу - от 150 до 220 мг.
В промышленности используются преимущественно алмазы, непригодные для огранки: непрозрачные, с многочисленными включениями, трещинами, мелкозернистые сростки, алмазная крошка и т.п. Единой классификации технических алмазов не существует, поскольку каждая отрасль промышленности предъявляет свои требования к их сортировке.
Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости истирания, в 50 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз выше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготовления резцов. Алмаз применяется для бурения горных пород и механической обработке самых разнообразных материалов.
Бурение скважин в толщах горных пород, слагающих земную кору, в широких масштабах применяется при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, а также при эксплуатации нефтяных и газовых залежей. Не обойтись без бурения и при выполнении всевозможных взрывных и инженерно-геологических работ, предшествующих возведению крупных зданий, плотин и многих других объектов.
В техническом отношении наиболее совершенным является вращательное алмазное бурение, которое осуществляется высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок, армированных алмазами. Коронки, армированные алмазами, повышают скорость бурения в 8-15 раз по сравнению с бурением, основанным на применении твердосплавных или дробовых коронок.
Наилучшими алмазами для бурения считаются тонкозернистые плотные карбонадо, поскольку они обладают повышенной твердостью и наименее подвержены раскалыванию. На втором месте стоят шаровидные балласы и небольшие монокристаллы алмаза округлой формы. На изготовление буровых коронок ежегодно расходуется около 0.6 тонны камней, что составляет примерно 10 % общего количества добываемых в мире технических алмазов.
Применение алмазных резцов и сверл на обработке цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ дает огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда, но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.
Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также при правке шлифовальных кругов.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими (от 0.5 до 0.001 мм) отверстиями.
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные сверла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твердых и хрупких материалах. Такие сверла (“алмазные жала” ) позволяют высверливать, например, в стекле отверстия диаметром 2 мм и длиной до 850 мм!
Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не остается равнодушным.
С 50-х годов внимание ученых и конструкторов начинают привлекать другие физические свойства алмаза. Известно, что, попадая в кристалл, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т.е. ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счетчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счетчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.
Кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, крайне редки, поэтому цена их значительно выше, чем у равных по величине ювелирных камней. Некоторые кристаллы алмаза являются полупроводниками p- типа в широком диапазоне температур и давлений.
Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых оптических приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспективно, поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях, включая области низких и высоких температур, сильные электромагнитные и гравитационные поля, агрессивные среды и т.п. Следовательно, основанные на алмазах приборы могут оказаться незаменимыми при космических исследованиях, а также при изучении глубинного строения нашей планеты.
Графит
Графит - кристаллическая форма углерода, в которой атомы находятся в состоянии sp²-гибридизации, имеет слоистую структуру. sp²-гибридные орбитали направлены к вершинам треугольника. Поэтому в графите каждый атом углерода связан с тремя соседними. Образуя плоскую сетку, и, кроме того, имеет один неспаренный электрон на негибридизованной p-орбитали, перпендикулярной к плоскости сетки. Эти электроны образуют общую систему пи-связей, которая представляет собой наполовину заполненную зону проводимости. Связь между сетками - слоями в графите осуществляется в основном за счёт относительно слабых межмолекулярных сил. Всё это определяет свойства графита: он мягок, легко расслаивается, имеет серый цвет и металлический блеск, электропроводен и химически более активен, чем алмаз.
Сажа, древесный уголь и другие угли, получаемые из органического и неорганического сырья, представляют собой мелкокристаллический графит, так что обычно термином «углерод» обозначают именно графит той или иной степени дисперсности.
Получение графита
Кристаллический графит извлекают из руд методом флотации, руды скрытокристаллический графит используют без обогащения.
Исходное сырье для получения графита - нефтяной или металлургический кокс, антрацит, и пек. Отдельные частицы исходных углеродных материалов в результате карбонизации при обжиге связываются в монолитное твердое тело, которое затем подвергают графитизации (кристаллизации). По одному из методов кокс или антрацит измельчают и смешивают с пеком в определенных соотношениях, прессуют при давлении до 250 МПа, а затем подвергают обжигу при 1200оС и графитации при нагреве до 2600-3000оС. Для уменьшения пористости полученный графит пропитывают синтетической смолой или жидким пеком, после чего снова подвергают обжигу и графитации. В производстве графита повышенной плотности пропитку, обжиг и графитацию повторяют до пяти раз.
Из смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и до 20% тугоплавких карбидообразующих элементов (например Ti, Zr, Si, Nb, W, Ta, Mo, B), получают рекристаллизованный графит. Исходную шихту нагревают в графитовых пресс-формах до температуры, на 100-150оС превышающей температуру плавления эвтектической смеси карбида с углеродом, под давлением 40-50 МПа в течении нескольких десятков минут.
Пирографит получают пиролизом газообразных углеводородов с осаждением образовавшегося углерода из газовой фазы нам подложку из графита. Осадки имеют кристаллическую структуру различной степени совершенства - от турбостратной неупорядоченной (пироуглерод) до упорядоченной графитовой (пирографит).
Свойства графита
Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость велика в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, и незначительна в параллельном направлении. Знак коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2100°С.
Прочностные свойства графита изменяются с увеличением температуры. Для большинства искусственных графитов предел прочности при растяжении с повышением температуры возрастает в 1,5-2,5 раза, достигая максимума при 2400-2800°С; предел прочности при сжатии увеличивается в 1,3-1,6 раза в интервале 2200-2300°С; модули упругости и сдвига возрастают в 1,3-1,6 раза в интервале 1600-2200°С. С повышением температуры до 3000°С и выше прочностные свойства довольно резко снижаются и при 3200 °С приближаются к свойствам при 20°С. В интервале 20-2000°С графит хрупок. В диапазоне 2200-2600°С наблюдается большая остаточная деформация, достигающая 0,35-1,5% в зависимости от вида графита. Наиболее высокие прочностные свойства имеет рекристаллизованный графит.
Хорошие антифрикционные свойства графит обусловлены легкостью скольжения одного углеродного слоя относительно другого под действием малых сдвиговых напряжений в направлении базисных плоскостей. Коэффициент трения по металлам (для рабочих скоростей до 10 м/с) составляют 0,03-0,05. Для пирографита под действием напряжений в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, он составляет 0,4-0,5; пирографит может быть использован в качестве фрикционного материала.
После облучения графит нейтронами его физические свойства изменяются: удельное электрическое сопротивление увеличивается, а прочность, модуль упругости, твердость, теплопроводность уменьшаются на порядок. После отжига при 1000-2000 °С свойства восстанавливаются до прежних значений. Графит обладает низким сечением захвата тепловых нейтронов.
Характерная особенность искусственно полученного графита -его пористость, оказывающая существенное влияние практически на все свойства графита. Объем пор от 2-3% для пирографита до 80-85% для других видов графита. Для описания зависимости предела прочности при сжатии, модуля упругости, теплопроводности, удельного электрического сопротивления от пористости применяют эмпирическое выражение:
Рi = рoieai
где Pi, иPio — свойства соответственно пористого и непористого графита, a - общая пористость, e - параметр для i-того свойства.
Графит весьма инертен при нормальных условиях. Окисляется кислородом воздуха до углекислого газа выше 400 °С. Температура начала реакций тем выше, чем совершеннее кристаллическая структура графита. Окисление ускоряется в присутствии Fe, V, Na, Си и других металлов, замедляется в присутствии С12, соединений фосфора и бора. С молекулярным азотом графит практически не реагирует, с атомарным при обычной температуре образует цианоген C2N2 в присутствии Н2 при 800°С - HCN. В условиях тлеющего разряда графит с N2 дает парацианоген (CN)X, где *>2. С оксидами азота выше 400 °С образует С02) СО и N2, с Н2 при 300-1000°С - СН4. Галогены внедряются в кристаллическую решетку графит, давая соединения включения.
С большинством металлов и их оксидов, а также со многими неметаллами графит дает карбиды. Со всеми щелочными металлами, некоторыми галогенидами, оксифторидами, галогеноксидами, оксидами и сульфидами металлов образует соединения включения, с нитридами металлов выше 1000 °С -твердые растворы нитридов и карбидов, с боридами и карбидами - эвтектические смеси с температурами плавления 1800-3200°С. графит стоек к действию кислот, растворов солей, расплавов фторидов, сульфидов, теллуридов, органических соединений, жидких углеводородов и др., реагирует с растворами щелочей, жидкими окислителями и рядом хлор- и фторорганических соединений.
Наиболее химически и термически стоек пирографит. Он практически непроницаем для газов и жидкостей, при 600°С его стойкость к окислению во много раз выше, чем у других графитов. В инертной среде пирографит работоспособен при 2000оС длительного времени.
Применение графита
Графит используют в металлургии для изготовления правильных тиглей и лодочек, труб, испарителей, кристаллизаторов, футеровочных плит, чехлов для термопар, в качестве противопригарной «присыпки» и смазки литейных форм. Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов электрических печей, скользящих контактов для электрических машин. Анодов и сеток в ртутных выпрямителях, самосмазывающихся подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров, как смазка для нагретых частей машин и установок. Его используют в атомной технике в виде блоков, втулок, колец в реакторах, как замедлитель тепловых нейтронов и конструкционный материал( для этих целей применяют чистый графит с содержанием примесей не более 10-2% по массе), в ракетной технике- для изготовления сопел ракетных двигателей, деталей внешней и внутренней теплозащиты и другие, в химическом машиностроении- для изготовления теплообменников, трубопроводов, запорной арматуры, деталей центробежных насосов и др. для работы с активными средами.Графит используют также как наполнитель пластмасс, компонент составов для изготовления стержней для карандашей, при получении алмазов. Пирографит наносится в виде покрытия на частицы ядерного топлива.
Фуллерен.
Фуллерены (футболены) были открыты в 1985 г. Это аллотропные формы углерода, которые содержат чётное (более 20) количество атомов углерода, образующих три связи друг с другом. Атомы в молекулах фуллеренов расположены на поверхности сферы или сфероида в вершинах гексагонов и пентагонов (см рис.). Фуллерены с количеством атомов более 70 называются высшими фуллеренами. Научный интерес к изучению фуллеренов проявился после изобретения в 1990 г. способа их производства в больших количествах и, особенно, после присуждения в 1996 г. Нобелевской премии по химии за открытие фуллеренов. Интерес к исследованиям фуллеренов обусловлен разнообразием новых физико-химических явлений, происходящих при участии фуллеренов, и перспективами применения нового класса материалов, создаваемых на их основе.
Молекула C60 обладает наиболее высокой среди фуллеренов симметрией и наибольшей стабильностью. Каждый атом углерода в молекуле расположен в вершинах двух гексагонов и одного пентагона. Любопытно, что среди всех фуллеренов только C20 не имеет в своем составе гексагонов (Nature, 2000, 407, 26). Валентные электроны каждого атома находятся в sp2-гибридизованных состояниях, сходных с состояниями электронов в графите.
Молекулы фуллеренов являются сильными окислителями, так как атомы углерода в них обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов.
В перспективе фуллерены могут быть применены как наноструктурные материалы. Одним из типов таких материалов являются металл-фуллереновые плёнки, осаждаемые в вакууме. Уже при малых концентрациях фуллеренов в плёнках титан-фуллерен структурообразующие частицы имеют округлую форму и размеры 15-40 нм, поэтому добавление фуллеренов в сплавы может служить способом создания наноматериалов.
Получение фуллерена
Технология получения фуллеренов:
1.получение фуллеренсодержащей сажи по методу электродугового испарения графита в атмосфере инертного газа (гелия)
2.выделение смеси фуллеренов из электродуговой сажи
3.фракционное обогащение по фуллерену С60
4.очистка фуллерена С60 до чистоты 99,5% и выше
5.очистка фуллерена С70 до чистоты 98%
6.получение фуллеренового концентрата, обогащенного высшими фуллеренами (Сn>76)
7.технологический контроль, анализ и сертификация получаемых продуктов.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 824; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!