Физическая классификация природных алмазов. Свойства алмаза и его имитации.

Алмаз – природный минерал, состоящий в основном, из чистого углерода кристаллического строения в изометрической (кубической) кристаллографической системе, не подвергшийся искусственному воздействию на кристаллическую решетку. Твердость по шкале Мооса – 10;, удельный вес (плотность) – примерно 3,52 г/ см3, показатель преломления примерно 2,42. Встречается в виде кристаллов, двойников, сростков, микрокристаллических агрегатов. Применяется в ювелирном деле (ювелирный) и технике (технический).

Первая классификация алмазов, в основу которой положено содержание в нем азота, была предложена в конце 30-х гг. и уточнена в конце 50-х гг. В соответствии с этой классификацией большинство алмазов (~98%) относится к типу I – содержание азота до 0,2%. К типу II принадлежат алмазы, содержащие не более 10-3% азота. Алмазы I и II типов подразделяются на подгруппы. Алмазы подгруппы Iа содержат азот в непарамагнитной форме, А-дефекты и другие азотсодержащие дефекты сложного строения. Алмазы подгруппы Iб содержат одиночные замещающие атомы азота. Алмазы подгруппы Iа прозрачны до длин волн ~320-330 мкм, 1б – в области 500-550 мкм и имеют максимум поглощения при = 270 мкм. Алмазы II типа также делятся на две подгруппы: IIа (безазотные алмазы) и IIб (алмазы, содержащие примеси, ответственные за полупроводниковые свойства, в частности В). Выделяют также алмазы типа III, к которому относят алмазы, характеризующиеся наличием В1-дефектов. Алмазы этого типа поглощают излучение в области ~225...240 мкм. Алмазы I и III типов характеризует поглощение ИК-излучения в области ~1-11 мкм.

Химическая формула: С (самородный кристаллический углерод).

Спайность: совершенная.

Сингония: кубическая (кристаллы октаэдрического, переходного и ромбододекаэдрического габитуса).

Твердость: 10 (самый твердый) У алмаза наблюдается анизотропия твердости, выражающаяся в том, что на разных гранях и в различных направлениях твердость несколько отличается. Это связано с особенностями структуры. Наименее износоустойчивыми направлениями, по которым и обрабатывают алмаз, являются следующие: в плоской сетке куба – направления, параллельные сторонам кубических граней, в плоской сетке октаэдра – направления, соответствующи высотам треугольных граней.. В свою очередь, твердость октаэдрических граней больше твердости ромбододекаэдрических и еще выше – твердость кубических граней. Износостойкость алмазов колеблется в широких пределах, средняя износостойкость алмаза в несколько раз выше износостойкости широко известных абразивных материалов – карбидов бора и кремния. Абразивная способность материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного абразива. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида борг составит 0,5-0,6, а карбида кремния 0,2-0,3.

Плотность: 3,47 (камни "чистой воды") – 3,56 г/см".

Излом: ровный, ступенчатый, раковистый.

Прозрачность: прозрачный.

Светопреломление: n = 2,417 (бесцветные), n = 2,46 (с увеличением примесей).

Дисперсия: 0,044.

Блеск: сильный алмазный (сочетание высокого светопреломления и исключительной твердости).

Плеохроизм: отсутствует.

Абсорбция (отчетливые линии): 478 нм (бесцветные); 504 нм (коричнево-желтые).

Люминесценция: у бесцветных – голубая, коричневых – зеленая, розовая.

Абразивная способность алмаза велика. Так, абразивная способность карбида бора – 0,5…0,8, карбида кремния 0,25…0,45, электрокорунда 0,14…0,16 от абразивной способности алмаза.

Микротвердость 100,6 ГПа.

Модуль упругости (в МПа) алмаза равен 88254 (у карбида бора около 294180, карбида кремния 357919, твердого сплава до 588360). Этим объясняется способность алмаза деформироваться при воздействии на обрабатываемый материал. В связи с этим при алмазной обработке материалов удельное давление и температура в несколько раз ниже, чем при использовании других абразивов.

Температура плавления. Не плавится в нормальных условиях. Температура плавления – около 4000° С. При нагревании алмаз сгорает, образуя углекислый газ. В струе кислорода он горит голубым пламенем при температуре около 720° С, в атмосфере воздуха температура горения 850° С.

Имитации алмаза:

1) Гадолиниево – галлиевый гранат (ГГГ):

цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (содержит марганец), желтый (празеодим), сиреневый (неодим), зеленый (хром или кобальт),

блеск: Алмазовидный

метод синтеза: метод вытягивания Чохральского

2) Иттриево – алюминиевый гранат (ИАГ):

форма кристаллов: длинные столбчатые диаметром 3,75 см (в основном производятся для использования в лазерах)

цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (содержит марганец), розовый (эрбий), желтый (иттербий), бледно – зеленый (празеодим), изумрудно-зеленый

(хром), голубой (кобальт)

блеск: Алмазовидный

метод синтеза: Метод вытягивания Чохральского и раствор-расплавный метод.

3) Кубический диоксид циркония – ФИАНит

Цвет: Бесцветный (имитация алмаза), густо – красный (окрашен примесью церия), розовый (эрбия), желтый, оранжево- коричневый (церия), зеленый, сиреневый (неодима), голубой, лиловый; некоторые цвета связаны с присутствием переходных элементов

Блеск: Алмазный

Метод синтеза: метод гарниссажа

Ниобат лития

Цвет: бесцветный (имитация алмаза), красный (с примесью железа), желтый

(никеля или марганца), зеленый (хром), сине- фиолетовый (кобальт)

Блеск: алмазный

Метод синтеза: метод вытягивания Чохральского

Ортоаллюминат иттрия

Цвет: бесцветный.

Прочие имитации: муассонит, сапфир, иаг, фианит, шпинель, топаз, берилл, циркон, синтетический рутил, фабулит, линобат, стекло.

Художественные средства композиции: свет, тон и текстура материала в дизайне декоративно-художественных и ювелирных изделий.

Дизайн декоративного изделия отчасти состоит в назначении различным его составляющим известного физического материала. Этот материал может иметь неповторимые оптические и геометрические свойства. Так, важным свойством материала является полнота отброса эти материалом луча света, попавшего на его участок под известным углом. Эта полнота имеет физическое значение, собственное для каждого сочетания участка и угла падения. Значение это представлено совокупной долей отброшенного участком света и характером распыления этого луча в окружающее пространство. Первое определяет видимую светлоту материала, второе – его глянцевитость и зеркальность. Различие этого светоотбросного значения между различными участками материала определяет видимую неоднородность его поверхности – текстуру этой поверхности.

Светоотбросное значение участков материала разнится для различных цветов лучей, падающих на этот участок. В отброшенном свете может преобладать какая-то доля упавших на участок лучей с известной длиной волны. Такое явление определяет цветовое ощущение от участка поверхности – его тон.

Текстура любого материала часто определена его объёмной структурой и происхождением его поверхности. Текстура является пространственно распределённой характеристикой, причём в большинстве случаев – двумерной, а трёхмерной – лишь в случае отброса света не только внешним слоем материала, но и некоторыми более глубокими слоями. В ходе машинного синтеза изображения изделия из известного материала имитация текстуры этого материала осуществляется поверхностно–накладным или объёмно–секущим способом. Накладной способ состоит в принятии готового изображения за закон распределения светоотбросной характеристики по участкам изделия. При этом применяется либо универсальное проективное, либо требующее клетчатого строения поверхности аффинно–наложительное соотнесение участков текстурно–имитационного изображения с участками поверхности изделия. Секущий способ состоит в построении текстурного распределения светоотбросной характеристики по поверхности изделия путём сечения этой поверхностью сплошного объёма, распределяющего по своим участкам светоотбросные характеристики.