Кафедра химической технологии и новых материалов

Синтез алмазов

Работы по синтезу искусственных алмазов, по предложению Л.Ф. Верещагина возглавил Я.А. Калашников (в 1957 году защитил кандидатскую диссертацию "Газы при высоких давлениях"), который с 1958 года работал в должности доцента. В дальнейшем по темам, связанным с синтезом сверхтвердых материалов, было защищено более 15 кандидатских диссертаций, а Я.А. Калашниковым в 1978 г. защищена диссертация доктора химических наук.

Синтез искусственных алмазов был впервые осуществлен в 1953 г. в Швеции и США, и в 1959 г. в СССР. Однако, получаемые в те времена кристаллы алмаза могли быть использованы лишь в качестве абразивного материала поскольку размеры отдельных кристаллов не превышали 0,8 мм и имели невысокую механическую прочность. Синтез крупных монокристаллов алмаза, который был реализован много позднее, сопряжен с большими сложностями технического и экономического характера. В этом отношении наиболее перспективной для технического применения является шаровидная (диаметром 6-7 мм) лучисто-радиальная форма алмаза или баллас, которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза и наиболее проста в получении.

Вследствие этого основные усилия научного коллектива были направлены на синтез этой модификации, которая и была в 1963 году впервые в мире получена на кафедре Физики и химии высоких давлений. В результате "алмазная" тематика получила мощный импульс для развития и продолжает развиваться как в работах других институтов, так и в работах кафедры. Основной вклад в экспериментальные исследования по синтезу балласа внесли выпускники факультета Е.М. Фекличев и И.В. Никольская, защитившие по этой проблеме кандидатские диссертации, и И.С. Сухушина ныне сотрудник кафедры физической химии.

Сразу же после успешного синтеза алмазов типа баллас началось их внедрение в промышленность на Московском комбинате твердых сплавов, Украинском институте сверхтвердых материалов и Полтавском заводе искусственных алмазов. Испытание синтетических балласов в буровой технике показало их высокую эффективность при проходке скважин в разнообразных грунтах, но особенно широко синтетический баллас применяется сейчас для изготовления волок в производстве проволоки. Эту работу кафедра проводила совместно с Московским заводом электровакуумных приборов и Ленинградским заводом ВНИИАШ. На стадии внедрения большую практическую помощь оказали сотрудники других организаций, такие как М.Д. Шалимов, Г.Д. Дроздов и К.П. Бурдина (в то время сотрудник Института физики высоких давлений АН СССР)

Наряду с отработкой методов синтеза алмазов проводились исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма их синтеза. Последний вопрос представляет наибольший научный интерес и в полном объеме остается не решенным и по сегодняшний день.

В настоящее время существует три основных варианта рассмотрения механизма образования алмаза - наиболее простой, описывающий кристаллизацию алмаза из расплава графита в РТ области стабильности алмаза (> 100 кбар ~ 2000^оС) и два дискуссионных варианта - кристаллизация алмаза из раствора графита в металле - "катализаторе" и - фазовый переход графита в алмаз в твердой фазе в присутствии металлов - "катализаторов". Оба последних процесса протекают в более мягких условиях (40-60 кбар, 1400-1600^оС) по сравнению с "прямым" фазовым переходом. Исследования механизма алмазообразования по дискуссионным вариантам, проведенные на кафедре, показали их равновероятность. Реализация на практике того или иного механизма будет определяться природой углеродсодержащего сырья (например, его склонностью к графитизации), или природой металла катализатора, например, способностью к карбидообразованию и устойчивостью карбидных форм в РТ области синтеза алмаза или какими-либо другими причинами.