Как производят синтетические алмазы⁠⁠

Производственный комплекс USSynthetic считается одним из крупнейших в мире предприятий по изготовлению промышленных алмазов. Установленное на заводе оборудование позволяет синтезировать поликристаллические черные алмазы класса M10.

Промышленные алмазы существенно отличаются от ювелирных камней. Ежегодный объем производства синтетических алмазов достигает 15 миллиардов карат, составляя 99% мирового алмазного рынка. Основная их сфера применения - бурение скважин глубиной в сотни метров. Материал также используется при создании подшипников с минимальным коэффициентом трения, способных функционировать в агрессивных средах на протяжении нескольких десятилетий.

Подшипники системы "алмаз по алмазу" нашли применение в подводном электрогенераторе проекта RivGen Power в городе Эгиджик, Аляска. Инженерное решение позволило создать автономную систему выработки электроэнергии, не требующую технического обслуживания.

Технология производства алмазов характеризуется парадоксальным сочетанием элементарности базового принципа и высокой сложности реализации. Исходным материалом служит монолитный алмазный полировальный порошок. Аналогичный компонент входит в состав алмазных шлифовальных кругов, полировальных составов и режущих пластин для керамики. Доступность материала подтверждается возможностью приобретения алмазной пыли на торговой площадке Amazon по цене около 15 долларов.

Преобразование синтетической алмазной пыли в крупный кристалл, пригодный для буровых установок, начинается с помещения порошка в металлическую емкость размером с наперсток. Производственный процесс требует добавления кобальта из кобальт-цементированного карбида вольфрама, выступающего субстратом для формирующегося алмаза.

В процессе воздействия высокого давления происходит соединение алмаза с вольфрамом.

Промышленная установка, используемая USSynthetic, обеспечивает одновременное производство двух алмазов.

Муфта из пищевой поваренной соли используется для центрирования алмазных форм внутри металлического цилиндра, именуемого нагревателем.

Нагреватель функционирует как резистивный электрод, создающий температуру 1370 градусов по Цельсию в алмазном прессе.

Соляные муфты производятся непосредственно на предприятии. Вариативность размеров промышленных алмазов обуславливает многообразие способов прессования соли для поддержки кристаллов различного калибра внутри резистивного нагревателя.

Технологический цикл предусматривает размещение нагревательной трубки в блоке талька, изготовленном на том же предприятии по аналогичной методике. Металлические контакты располагаются на противоположных концах блока. Тальк однородно уплотняется вокруг алмаза, когда на заготовку давит шестипоршневой кубический алмазный пресс.

Алмазный пресс представляет собой массивную установку, развивающую давление свыше 70000 кг/см^2 на формуемый кристалл. Шестипоршневой кубический пресс создает нагрузку, эквивалентную массе 2000 слонов на площади кубика Рубика или 900 школьных автобусов на поверхности листа для заметок.

Процесс формирования алмаза требует комбинации давления и температуры. Верхняя и нижняя наковальни пресса оснащены круговыми контактными площадками положительной и отрицательной полярности.

Электрический ток преобразует металлический контейнер в резистивный нагревательный элемент, достигающий температуры 1370 градусов. Природный процесс кристаллизации алмаза, занимающий около миллиарда лет, воспроизводится за 10 минут. Материалы пресса функционируют на пределе теоретически возможных нагрузок, поэтому каждая установка размещается в отдельном бронированном помещении с защитными дверями на случай внезапного разрушения конструкции.

Электрический ток через резистивный нагреватель обеспечивает кристаллизацию алмазной пыли в монолитную структуру. Параллельно происходит расплавление кобальта в карбид-вольфрамовой подложке, катализирующего процесс кристаллизации и придающего алмазу черный цвет. Случайная ориентация исходных желтых кристаллов создает переплетенную микроскопическую структуру, превосходящую по прочности природные монокристаллические алмазы.

Соляно-тальковая форма обеспечивает безопасную и нетоксичную очистку готового изделия. После разрушения прессованной тальковой прокладки и металлической нагревательной трубки извлекается наперсток с алмазом из соляных остатков. Удаление корпуса производится пескоструйной обработкой карбидом кремния, имеющим твердость 9 по шкале Мооса. Синтезированный алмаз, обладая максимальной твердостью 10, остается неповрежденным.

Затем изделие пескоструят алмазной же пылью, и последовательно полируют на ЧПУ-станках алмазными же точильными камнями, ибо на Земле не пока не открыто более твёрдых материалов.

Карбид-вольфрамовая основа может использоваться для монтажа - например, зубьев буровой головки, - или полностью удаляться.

Очищенные алмазные диски применяются в производстве высокотехнологичных сопел для 3D-принтеров.

Алмазные наконечники обеспечивают повышенную износостойкость при печати абразивными материалами, такими как ABS, углеволокно или стекловолокно.

По материалам: