У статті розглядаються основний метод отримання фианитов - метод гарніссажа, розглядаються переваги цього методу перед іншими, розглядається спосіб забарвлення фианитов.
Ключові слова: фіаніт, кристал, гарніссаж, замінник алмаза, розплав.
У сучасному виробництві є кілька способів отримання фианитов, однак ми розглянемо особливості найбільш налагодженого і широко поширеного методу - метод гарніссажа.
Фіаніт - це кубічний діоксид цирконію. У 1976 році був отриманий перший фианит, у якого показник заломлення і дисперсія були близькі до алмазу, що унеможливлювало визначити на око різницю між ними [1]. Візуально фианит в огранювання відрізняється від алмазу округленими гранями, а у ограненного алмазу межі гострі і не округлені. Іншим методом візуально відрізнити дрібні фіаніти від дрібних алмазів без руйнування виробу практично неможливо.
Метод гарніссажа, або прямого високочастотного плавлення в холодному контейнері, використаний для отримання стабілізованого кубічного оксиду цирконію - фіаніту [2]. Технічна реалізація даного методу представлена на рис.1 і рис.2. Суть методу полягає в наступному: шихта поміщається в тигель (холодний контейнер), температура якого за допомогою потоку води проходить через трубки, підтримується на рівні кімнатної. Високочастотний генератор подає енергію до порошку окису цирконію, достатню для того, щоб розплавити центральну його частину, тоді як зовнішня частина залишається холодної і, отже, твердої.
Мал. 1. Схема синтезу кубічної окису за методом прямого високочастотного плавлення в холодному контейнері
Мал. 2. Розташування кристалів усередині контейнера після охолодження
Розплавлена окис цирконію оточена кіркою того ж самого матеріалу (кубічний цирконій вирощується в оболонці з самого себе). При його кристалізації в якості своєрідних стінок тигля використовується кристалічна оболонка самого отриманого речовини. Це дуже важливо для вирощування кристалів кубічного цирконію, оскільки через високу точки його плавлення важко підібрати тигель: він буде або реагувати з розплавом, або плавитися.
Тигель повинен бути сконструйований так, щоб нагрівалася тільки окис, а він залишався холодним. Це досягається за рахунок внесення в його стінки мідних трубок, по яких циркулює вода.
Передача енергії від високочастотного генератора до окису цирконію здійснюється за допомогою індуктора, навколишнього тигель. В цьому випадку процес плавлення є індукційним, який відбувається тільки тоді, коли матеріал є електропровідним. Електропровідність матеріалу забезпечується за рахунок високих температур, додавання в шихту металевого цирконію, стабілізуючих речовин і дефіциту кисню.
Подача енергії до зразка триває до тих пір, поки шихта повністю не розплавиться, за винятком тонкої оболонки поблизу контакту з холодним тиглем. Для того щоб кристали росли, потужність високочастотного нагрівача повільно знижують. Це також пов'язано з формою і їх кількістю - при швидкому охолодженні може відбутися полікрісталлізація неправильної форми. Затвердіння починається знизу, хоча в початкові стадії утворюється тверда кірка і в верхній частині розплаву. Після охолодження розплаву до кімнатної температури із затверділої маси можна виділити стовпчасті кристали до 2 см в діаметрі і такої ж висоти. Можна отримати кристали жовтого, червоного, бузкового, коричневого та, ймовірно, інших кольорів додаванням церію, неодиму, хрому, ербію і титану, але все ж найбільш популярні безбарвні, схожі на алмаз кристали зі злегка жовтуватим відтінком.
Існують кілька методів забарвлення фіаніту. Сутність одного з методів полягає в попередньому нанесенні на поверхню кристала кобальту і, щонайменше, одного металу, окисел якого здатний до шпінелеобразованію з окисом двовалентного кобальту, наприклад залізо і / або алюміній. Потім в кислородосодержащей атмосфері проводять термообробку при температурі вище 1000 ° С, але не перевищує температуру плавлення фіаніту, не менше 3 годин. Переважно покриття наносять методом термічного розпилення металів в вакуумі. Згадані метали можуть наносити як по черзі, так і одночасно. Для додання фіаніти забарвлення синьо-зеленої гами наносять кобальт і алюміній з атомним співвідношенням від 1: 1 до 1: 2. Для додання фіаніти забарвлення жовто-зеленої гами наносять кобальт, алюміній і залізо з атомним співвідношенням 1: 1: 0,1-0,2. Для додання фіаніти забарвлення жовто-коричневої гами наносять кобальт і залізо в атомному співвідношенні від 1: 1 до 1: 2. Спосіб забезпечує отримання стійкої до високих температур і хімічної дії відтворюється забарвлення.
Експериментально встановлено, що для отримання прозорої пофарбованої і міцно зчепленої з поверхнею фіаніту плівки необхідна наявність як мінімум двох металів, що окислюються в процесі термообробки. Одним з металів повинен бути кобальт, оскільки тільки він здатний утворювати перехідний шар, міцно зчеплений з поверхнею фіаніту. Іншими наносяться металами повинні бути метали, що утворюють з кобальтом при термообробці в кислородосодержащей атмосфері кольорові складні шпінелеобразние оксиди із загальною формулою Со (Ме) 2О4, де Me - один або кілька металів, що утворюють оксиди з формулою Ме2О3, стійкі при температурі понад 1000 ° С. Цій умові задовольняють, наприклад, залізо і алюміній, так як оксиди алюмінію і заліза здатні до шпінелеобразованію з окисом двовалентного кобальту.
При нанесенні на поверхню фіаніту кобальту і, щонайменше, одного металу, оксиди якого здатні до шпінелеобразованію з окисом двовалентного кобальту, в результаті твердофазной хімічної реакції, що протікає при термообробці, утворюється прозора пофарбована плівка, міцно зчеплена з поверхнею фіаніту і надає йому необхідний колір . Пофарбована плівка з шпінелеобразних окислів має температуру плавлення вище, ніж температура плавлення фіаніту, а також не розчиняється в концентрованих кислотах.
Запропонований режим термообробки визначається тим, що при температурах нижче 600-700 ° С хімічна реакція на поверхні фіаніту не відбувається. У діапазоні від 700 ° С до 1000 ° С на кольорі плівки сильно позначається неоднорідність температурного поля в печі, що не дозволяє отримувати відтворену забарвлення. При температурі витримки від 1000 ° С і до температури, що не перевищує температуру плавлення фіаніту, колір фіаніту визначається тільки кількістю і співвідношенням завданих металів і товщиною фарбувальний плівки, причому фарбують плівки виходять прозорими і міцно зчепленими з поверхнею фіаніту. [3]. Даний спосіб є кращим внаслідок своєї невеликої енергоємності, низької вартості і якості нанесеного кольору
В СРСР кубічний циркон проводився фізичним інститутом ім. Лебедєва і з 1976 р широко продавався під назвою «фіаніт». Безсумнівно, що багато компаній світу захотіли включитися в комерційне виробництво кубічних цирконів, які вже заполонили ювелірний ринок усього світу синтетичними циркону. Він відразу завоював загальне визнання як в техніці, так і в ювелірній промисловості. З нього виготовляють високоякісні лінзи для оптичних приладів та окулярів, так як завдяки високому показнику заломлення майже плоскі лінзи забезпечують високу ступінь збільшення, а також оптичні пристрої для квантових генераторів. Фіаніт хімічно стійок в агресивних середовищах, тугоплавок, що не окислюється і не випаровується при температурах понад 2500 o С. Він є ізолятором, але при нагріванні до температури понад 300 o С стає провідником.
Зменшення вартості кристалів фіаніту і збільшення його виробництва, що відповідають за якостями і вимогам ювелірів, намагаються шляхом застосування інших методів синтезу. Можливе отримання фианитов з розчину-розплаву, оскільки вже випробувано кілька сольових розчинників, придатних для вирощування кристалів, проте повільні швидкості росту - суттєва перешкода для економічно вигідного способу, що конкурує з технологією вирощування з розплаву. Робляться спроби використовувати альтернативні способи досягнення високих температур, наприклад, за допомогою потужних ламп і лазерів або іонізованої плазми. Однак кращою є радянська технологія, будь-які відхилення від первісної технології погіршує якість кубічних цирконів. Популярність їх привела до вивчення і інших матеріалів з високою точкою плавлення як можливих замінників алмазу.
3. Патент РФ № 2296825 "Спосіб фарбування фианитов»
Ключові слова
фіаніт, кристал, гарніссаж, замінник алмаза, розплав.