Структура и свойства алмаза

Структура алмаза

Сингония кубическая, кристаллическая решётка – кубическая ранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, пространственная группа Fd3m (по

Герману - Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp³ гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.

Бесцветные разности представляют собой чистый углерод. Окрашенные и непрозрачные алмазы содержат примеси двуокиси кремния (Si02), окиси магния (MgO), окиси кальция (СаО), закиси железа (FeO), окиси железа (Fе20З), окиси алюминия (А120З), окиси титана (Ti02); в виде включений встречаются графит и другие минералы.

Оптические свойства

Оптические свойства алмаза определяют параметры обработки для более полного выявления игры и блеска бриллианта.

Алмаз является оптически изотропным минералом и не дает двойного преломления. При просмотре кристалла алмаза, свободного от напряжений, в поляризованном свете кристалл будет казаться темным. При обнаружении типичного для двупреломления эффекта (т.е. напряжения) можно с уверенность сказать, что этот кристалл содержит какое - то включение.

Блеск кристалла зависит от показателя преломления и характера поверхности кристалла. Показатель преломления кристалла алмаза для различных длин волн колеблется в довольно широких пределах от 2,402 (h=763 нм) до 2,465 (для h=397 нм). Поэтому пучок света, падая на поверхность бриллианта и частично преломляясь, разлагается на составляющие спектра. Это явление носит название дисперсии, величина которой определяется как разность между показателями преломления красной и фиолетовой волны, для алмаза она составляет 0,063, что обуславливает непревзойденную «игру» бриллианта.

Для алмаза угол полного внутреннего отражения при показателе

преломления n2i 2,42 равен 24050' .

Для значения n2i-2,42 коэффициент отражения алмаза

R 0,172(Коэффициент Френеля),а это значит, что от светового потока,

падавшего на алмаз, 17,2% отражаются от ет поверхности и попадают в глаз

наблюдателя. Этим определяется сильный алмазный блеск алмаза.

Блеск определяется способность поверхности того или иного вещества

отражать падающий на нее световой поток (характеризуется величиной интенсивности света, отраженного от поверхности тела). Отражательную способность и блеск кристаллов определяют сравнением их с другими кристаллами, принятыми за эталоны.

Химические свойства

Алмаз состоит примерно на 96-99,8% из углерода, 0,2—,3% составляют

примеси химических элементов, таких как азот, кислород, алюминий, бор, кремний, марганец, медь, железо, никель, титан, цинк и др. Если сжечь алмаз в плотно закрытом сосуде, наполненном кислородом, получим углекислый газ.

Отсюда следует вывод, что алмаз состоит из чистого углерода. В бесцветных кристаллах алмаза содержание золы, образующейся при их сгорании, ничтожно (0,02 - 0,05%), а в менее совершенных алмазах количество ее возрастает до 5% за счет сгорания примесей. Алмаз не растворим в плавиковой, соляной, сернойи азотной кислотах, даже при больших концентрациях и нагреве до высоких температур. Алмаз не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям. На этом свойстве основано извлечение его из концентратов при обогащении.

Электрические и термические свойства

Благодаря особенностям кристаллической структуры (все 4 валентных

электрона атомов С прочно связаны) идеальный кристалл алмаза (без примесей и дефектов решетки) должен быть прозрачным для видимого света

диэлектриком. В реальных же кристаллах всегда имеется некоторое количество примесей и дефектов решетки, различное для разных образцов.

Распространение тепла в кристаллах зависит от их симметрии. В кристаллах

кубической сингонии скорость распространения тепла во всех направлениях

одинакова. Теплопроводность алмаза 0,35 кал/(см с град). Удельная теплоемкость алмаза равна 0,12 кал/(г град). Относительно высокая удельная

теплоемкость алмаза способствует поглощению тепла, а высокая теплопроводность - лучшему отводу тепла с поверхности, обрабатываемой

детали. При нагревании до 2000 –3000с без доступа кислорода алмаз переходит в графит.

Твердость

Алмаз является самым твердым природным соединением. Его твердость по шкале Мооса равна 10. вместе с тем алмаз обладает анизотропией твердости. Огранщики алмазов из опыта знают уже давно, что природные грани различных форм кристаллов алмаза шлифуются с различной интенсивностью, что каждая из таких граней имеет свои «мягкие» и «твердые» направления, по которым процесс шлифования соответственно протекает с большей или меньшей эффективностью (10-15%).

Прочность

Прочность материала - его способность сопротивляться разрушению.

Прочность кристалла определяется характером силы связи и типом кристаллической решетки. На прочность влияют температура, скорость увеличения, длительность и число повторений нагрузки, ориентировка кристалла, вид напряженного состояния и наличие различных дефектов. Алмаз обладает самым большим модулем упругости ( модуль упругости величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой деформации) по сравнению с другими высокотвердыми материалами, что является одной из причин высоких режущих свойств алмаза.

Несмотря на высокую прочность, алмаз хрупок и при ударе легко разрушается. Трещины и включения в алмазах резко снижают их прочность.

Прочность алмаза находится в прямой зависимости от формы и размера кристаллов, трещиноватости и включений. Существенное влияние на снижение прочности алмаза имеют дефекты в виде больших и очень больших включений, трещин, снижающих прочность алмаза на 20 - 30%.

Спайность

Наряду с поразительной твердостью, проявляемой алмазом при его шлифовании, он, являясь очень хрупким веществом, не выдерживает сколько-нибудь серьезных ударных нагрузок и раскалывается по плоскостям спайности. Спайность определяется силой и числом приходящихся связей на единицу площади плоской сетки пространственной решетки межплоскостными расстояниями.

В кристалле алмаза плоскости спайности проходят параллельно плоским сеткам или граням октаэдра. Это подтверждается и энергией раскалывания по различным плоским сеткам кристалла алмаза. Наименьшая энергия требуется для раскалывание производится по плоской сетке октаэдра. Так как обладает совершенной спайностью и раскалывается с образованием довольно ровных блестящих поверхностей.