GYÉMÁNT
Szén módosulatok
Nem gyémánt, nem grafit, fullerén
Felépítésük
Típus 1
Típus 2.
Szupravezető fullerén
Gyémánt tulajdonságok Ékszer: optikai átlátszóság, nagy törésmutató, ritkasága miatt drága 500 USD/g (arany 12-8 USD/g) Tulajdonság Rétegként való alkalmazás Vickers keménység (kp/mm 2 ) 12-15000 Szerszámok, polirozás, csapágyak Súrlódási együttható 0,1 contact recording Mágneses adattárolók Young modulus (N/mm 2 ) 1,2*10 12 Nagyfrekvenciás hangszóró Hangsebesség (km/s) 18,2 membrán Letörési szilárdság (V/mm) 10 7 Nagyfeszültségű szigetelések Hővezetés (W/cmK)* 20 Hőnyelők (3D packaning Negatív elektronaffinitás (ev) -1 hidegkatód Kémiai ellenállóképesség** Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi Biokompatibilás műszerek, protézisek borítása Átlátszósági tartomány (µm) 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, Törésmutató 2,4 antireflexiós réteg, mikrohullámú és röntgenablakok, infravörös Tiltott sáv (ev) 5,45 Elektron/lyuk mozgás 22/16 Dielektromos állandó 5,5 Lumineszcencia (µm) 0,44, 0,52 szűrők Teljesítményelektronika, magas működési hőmérséklet, sugárzási keménység, optoelektronika, LED K lc =0,5-2 MPam 1/2 *A legjobb hővezető **mintegy 700 o C-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is Kovalens kötés: 14 ev, Sűrűség 3,01-3,56 g/cm3 (műgyémánt)3,48-3,54
Relatív keménység 1. Kemény fém szerszámok mikron alatti szemcse- méret 2. Mikromegmunkálások, kis méretekben kell megmunkállnni, pontosság 3. Rideg anyagok megmunkálása Kerámiák, üvegek -Köszörülés -Vágás -Leppelés
Színtelen gyémánt
Zárványok: Grafit Ilmenit Hematit Kromit Magnetit Pirit Gránát Cikron Diopszid Kvarc Topáz Rutil Klorit Folyadék Gáz
C fázisdiagram
A szén fázisdiagramja Normál hőmérsékleten és nyomáson a grafit rács a stabil (gyémánt több ezer fok, több száz GPa nyomás földkéregben így jött létre) Gyémántlelőhelyek: India (18. század közepéig egyedül), Brazília 1725, Dél-Afrika 19. század vége. Ausztrália 1851, Szibéria, Amerika, Borneó szintén jelentős a gyémántbányászat Kb 0,5 karát/tonna a gyémánttartalom. A legnagyobb gyémánt 621,2 g KARÁT (növényi mag) kb. 0,2 g A bányászott gyémánt 20-25%-a ékszerkészítésre alkalmas (értékben 70%)
Mesterséges előállítás: elve az 1890-es években a francia Henry Moisson (vastartalmú meteoritban gyémántot találtak-nagy hőmérsékleten a grafit oldódottföldre ütközve nagy nyomás, majd a gyors hűtés hatására a szén gyémánt formában kivált) General Electrics 1954-ban 75000atm nyomáson 3000 o C-on állítottak elő ASEA 1953-ban, de nem publikálták Elvük hasonló, keményfém szegmensszerszámban (Kijevi Nagykeménységű Anyagok Kutatóintézetével MTAT évekig állított elő mesterséges gyémántot (mm-es nagyságig) 1961-ben a Chicagói Egyetem és a Du Pont robbantásos szintézissel. Lehetőség van műgyémánt előállítására 2000 fokon 50-100 GPa nyomáson átmeneti fém magképződési centrummal és katalizátorral. Évi kb. 30-40 tonna mesterséges gyémántport állítanak elő. (GE, Sumitomo Electrics, Dél afrikai De Beers
Mesterséges ASEA (1953) GE 1954
Lehetséges-e a metastabil gyémántkristály előállítása normál körülmények között, hiszen a grafit és a gyémántkristály közti szabadentalpia kicsi 2,9 kj/mol, atomonként 0,03 ev. Különbség köztük alapvetően a szénatomok elektronjainak elrendeződésében van. (A grafitban az elektronok három sp 2 -nek nevezett hidridnek és egy p z -nek nevezett pályán rendeződnek, a gyémántban négy sp 3 hidrid alakul ki. A grafitban tehát a szénatomok három, síkban elhelyezkedő másik szénatomhoz kötődnek (pz elektronok biztosítják a fémes vezetést), a gyémánt viszont minden szénatomnak négy szomszédja van tetraéderes elrendeződésben.
A szén grafit vagy gyémánt alakban kristályosodásának alapvetően nem energetikai, hanem kinetikai oka van. (energetikai alapon gáz állapotból csaknem ugyanúgy keletkezne gyémánt, mint grafit csak a gyémánt grafittá alakul. Ismert, hogy a kristályos gyémánt atomi méretben tiszta felületén a negyedik szomszéd hiányában a gyémántréteg grafittá alakul. Ha hidrogénatomot kapcsolunk erre a helyre, a felületi atomok megtartják gyémántbeli elrendeződésüket. Így a gyémántban a hidrogénezett felület energiája már a gyémántban kisebb, mint a grafitban. A különbség 1,4 ev atomonként. Tehát a metastabil gyémántszintézis hidrogén jelenlétében a szén gázfázisból felületi rétegként való leválasztása során remélhető. CVD, vagy PVD gőzleválasztás (vapour deposition) módszerek jöhetnek szóba.
A mai szokásos eljárás gyakorlati kivitelét az USA-ban, elméletét a SZu-ban, mai sikeres alkalmazását Japánban fejlesztették ki. Az eljárás CVD eljáráson és a grafit sp2 résznek atomos hidrogénben történő elmaratásának egyesítéséből alakult ki. Recept: 1 rész szénhidrogén (többnyire metán, de lehet más is pl. acetilén) és 99 rész hidrogén, de lehet a szént és a gyémántot szelektíven maró más anyag is pl. atomos oxigén. Kell hőforrás is a disszociációhoz. A rétegnövekedési sebességet például mikrohullámú plazmával segítik (MW-PECVD) eljárás. Ezek a rétegek hővezetésben messze elmaradnak a tökéletes rácsok értékeitől, szigetelési tulajdonságai kiválóak
CVD bevonatkészítő berendezés
BME Atomfizika Tsz. Gyémántréteg készítése
Ipari felhasználás Esztergakések Üvegvágók Korongegyengető gyémántszerszámok Diaform szabályzók Keménységmérő csúcsok Tűreszelők Reszelők Vágókorongok Fúrók Gyémánt paszták