آشنایی کلی با الماسهای مصنوعی و تولید آنبه روش CVD
در سال 1796دانشمندان موفق شدند ساختار شیمیایی الماس را کشف کرده وپس از آن به شرایط تشکیل آن در دل زمین پی بردند. تلاشهای زیادی صورت گرفت تااینکه پس سالیان دراز ساخت الماس مصنوعی محقق شد.
خلاصه مقاله:
پس از اینکه در قرن هیجدهم میلادی دانشمندان پی بردند که ساختار شیمیایی الماسهمان کربن است، بیشتر از 150سال طول کشید تا موفق به ساخت نوع مصنوعی آن شدند.
تا کنون دو روش اصلی وچند روش فرعی برای ساخت الماس مصنوعی اختراع شده است .
روش HPHT که در فشار و درجه حرارت بالا انجام می گیرد و شرایط فرایندتقریبا مشابه شرایط تشکیل الماس طبیعی در اعماق زمین است.
روش CVD که به صورت رسوب گذاری الماس در فاز بخار انجام می شود و روش جدیدتری است.
مقدمه:
در سال 1796دانشمندان موفق شدند ساختار شیمیایی الماس را کشف کرده و پس از آن بهشرایط تشکیل آن در دل زمین پی بردند. تلاشهای زیادی صورت گرفت تا اینکه پس سالیاندراز ساخت الماس مصنوعی محقق شد.
روشی که طی آن الماس مصنوعی بدست آمد الهام گرفته از طبیعت و با استفاده از فشار ودرجه حرارت بالاست ، که اصطلاحاً به آنHPHT گفته می شود .
نزدیک به سه دهه است که از روش دیگری به نام رسوب گذاری شیمیایی الماس در فاز بخارCVD برای تولید الماس مصنوعی استفاده می شود.
محصولاتی که از هر کدام از این روشها بدست می آید ویژگیهای متفاوت و کاربردهایمخصوص خودشان را دارند.
برای درک بهتر سیر مراحل تحقیقاتی و تولید الماس با روش CVDچندینمقاله و همچنین مطالب منتشره کارخانه ها و شرکت های سازنده اینگونه الماسها مطالعهگردید و مقاله حاضر نتیجه بررسی و جمع بندی این مطالب می باشد.
سالیان درازی است که الماس در قلب و فکر دانشمندان و عامه مردم جای گرفته است .برای برخی افراد واژه الماس یک تصویر جادویی از سنگ جواهر است که درخشندگی ،توانگری و موقعیت به همراه دارد و به دلیل ویژگیهای فراوان و منحصر به فردش آن رابرای دانشمندان پر ابهت و برانگیزاننده احساسات معرفی می نماید.
بزرگترین و بهترین سختی بین مواد مربوط به الماس است ، پایین ترین ضریب انبساطحرارتی ، خنثی بودن در برابر مواد شیمیایی ، مقاوم در برابر سایش ، هدایت حرارتیبالا و ........ از جمله این ویژگیهاست.
تعجبی ندارد که با داشتن این ویژگیها ، کاربرد های بسیار زیاد ، متفاوت و حتیمتضادی از الماس وجود دارد .
ضمن اینکه کاربرد عام آن مصرف جواهر است ولی به عنوان پوششهای مقاوم به سایش درابزارهای برشی و سایشی ، سمباده ، الکترودهای شیمیایی ، تجهیزات الکترونیکی و نوریاستفاده می شود.
با توجه به عدم یکنواختی هر کدام از این ویژگیها در الماسهای طبیعی ، کمیابی وگران بودن آنها ، دانشمندان را بر آن داشت تا نسبت به تحقیق و تولید الماسهایمصنوعی اقدام کنند.
در سال 1796 دانشمندان پی بردند که الماس از کربن ساخته شده است. بیشتر از 150 سالطول کشید تا روش ساخت الماس مصنوعی اختراع شد ولی اطلاعات آن منتشر نشد تا اینکهدر سال 1950 و تقریبا همزمان شرکت جنرال الکتریک امریکا و شرکت سویدیASEA موفق به تولید الماس مصنوعی با استفاده از روش HPHT شدند.
گرچه بیشتر الماسهایی که با این روش تولید می شوند زرد رنگ بودند ولی در سالهایاخیر پیشرفت قابل ملاحظه ای انجام شده و الماسهای بیرنگ ، آبی ، سبز ، نارنجی وصورتی تولید شده است .
تولید الماس با روش CVD
به دلیل نیاز روز افزون بشر به الماس و پیشرفت فناوری ، روشی جدید برای تولیدالماس مصنوعی اختراع شد . در این روش پوششی از الماس بر سطح هسته )زیر لایه( رسوبمی کند .
در سال 1980 انستیتو ملی تحقیق مواد معدنی ژاپن گزارش کرد که با استفاده از روشرسوب گذاری موفق شدند لایه بسیار نازکی از الماس با سرعت بیشتر از یک میکرون درساعت بر سطح هسته ای رشد دهند .
اواخر همین سال شرکت De Beerکه بیشاز 80% تجارت الماس جهان را در اختیار دارد ، موفق به تولید الماس مصنوعی با همینروش شد.
در این فرایند از تکنیک ها و مواد اولیه متفاوتی استفاده می شود ولی ماده اولیهرایج متان است که به عنوان منبع تامین کربن و هیدروژن به عنوان فعال کننده گازیبکار می رود. برای تامین انرژی از المنت های حرارتی ، شعله ، پرتو میکروویوو....... استفاده می شود .
برای انجام واکنش ابتدا مخلوط گازی از متان و هیدروژن به نسبت 1-2% متان و 98-99%هیدروژن به صورت مداوم وارد راکتور می شود . دمای راکتور در 1270-1670 درجهسانتیگراد کنترل می شود . نتیجه واکنش تشکیل آرام و پیوسته لایه ای نازک از الماسبر سطح هسته است .
سرعت رشد رسوب گذاری الماس بر این سطح متفاوت بوده و به نوع انرژی حرارتی بستگیدارد . هر قدر سرعت رسوب گذاری بیشتر شود از کیفیت محصول نهایی کاسته می شود ،بنابراین فرایند رشد طوری کنترل می شود که هم سرعت رشد مناسب و هم کیفیت بهینهباشد ، که در این صورت از نظر اقتصادی ، تولید مقرون به صرفه خواهد بود.
مشخص شده است که با استفاده از المنت حرارتی سرعت رشد 0.1-10 میکرومتر )هر میلیمتر1000میکرومتر است( بر ساعت خواهد بود و اگر از شعله به عنوان منبع تامین انرژیاستفاده کنند سرعت رشد تا 100 میکرومتر بر ساعت خواهد رسید ، ولی کیفیت خوبی بدستنخواهد آمد .
برای رفع این مشکل و ایجاد تعادل بین سرعت رشد و کیفیت ، تحقیقات زیادی صورت گرفتتا اینکه پی بردند که پرتو میکروویو ضمن اینکه انرژی لازم را تامین می کند فرایندرسوب گذاری را یکنواخت و سرعت آن را افزایش خواهد داد .
با توجه به اینکه گرافیت نیز همان کربن است و از لحاظ ترمودینامیکی شکل پایدار آناست ، بنابراین همزمان با تشکیل الماس این ماده نیز ساخته می شود ولی وجود آن درالماس ناخالصی تلقی می شود .
هیدروژن دو نقش تعیین کننده در فرایند ایفا می کند .
1) فعال کننده گازی است و رادیکالهای فعال متیل را ایجاد می کند ، که می توانند درسطح هسته پراکنده شده و پیوندهای c-c را شکل داده و شبکه الماس را گسترش دهند .
2) از ایجاد سطوح گرافیتی جلوگیری می کند.
یکی از مشکلات این فرایند مکانیسم رشد غیر یکنواخت الماس بر سطح هسته است و دلیلآن متفاوت بودن جنس هسته و الماسی است که بر سطح آن می نشیند. پس از مطاله وآزمونهای فراوان به این نتیجه رسیدند که سوهان کاری مقدماتی سطح هسته قبل از قراردادن آن در راکتور هم باعث رسوب گذاری یکنواخت و هم در بهبود سرعت رشد موثر است.سوهان کاری یا پولیش توسط پودر الماس به صورت مکانیکی و یا همزناولتراسونیک انجاممی شود.
بعضی مواقع برای انجام آن از بمباران یونی استفاده می شود .
ساختار سطح تولید شده در فرایند CVD شدیدا به نسبت گاز مخلوط و درجه حرارت هسته بستگی دارد . اگر غلظتنسبی گاز متان در مخلوط گاز و یا درجه حرارت زیاد شود ، کیفیت سطح الماس ایجاد شدهمنظم نخواهد بود .
با توجه به اینکه فرایند رشد در حرارت بالا انجام می شود ، بنابراین نقطه ذوب هستهباید بالاتر از این دما )دمای راکتور( باشد تا ذوب نگردد. معمولا از سیلیسیوم بهعنوان هسته استفاده می شود ،ولی عناصری مانند ،مولیبدن و تنگستن نیز بکار میروند .
نتیجه گیری
یری الماس ماده منحصر به فردی است با ویژگیهای زیاد که نمی توان آنها را از نظردور داشت . رشد این ماده با روش CVD ما را قادر می سازد که کنترل های دقیقتر و بهتری داشته باشیم تامحصولاتی با کیفیت مناسب برای مصارف گوناگون بدست آوریم .
شبکه محکم آن باعث استفاده در ابزارهای سایشی و برشی شده ، از خاصیت انتقال صوت ومقاومت آن در مقابل پرتوها ، در تجهیزات مربوط به آشکارسازها استفاده می شود.
خاصیت انتقال انرژی جنبشی و کوانتوم الماس ، به طور استثنایی این ماده را هادی حرارتنموده است .
استحکام آن برای ساخت دریچه در تجهیزات میکروویو مناسب است . شفافیتی که در محدودهوسیعی از طول موجهای دارد ، از نظر تکنیکی آن را جذاب و بینهایت مفید کرده است
تنظیم کننده:وب سایت بیگ بگ(www.bigbag.co)
instagram: bigbag_jewelry