Сапфиры на вырост
Сапфиры получили признание у людей в древние времена, когда ими украшали короны императоров. Сегодня сапфиры используют не только в ювелирной отрасли. Они идеальны для создания деталей высокоточных приборов и механизмов, супермодных электронных гаджетов и элементов космических аппаратов. Правда, речь идет не о натуральных, а о синтетических минералах, которые выращивают, словно цветы. Чтобы своими глазами увидеть этот чудесный процесс, автор материала отправился в один из таких сапфировых «цветников», разбитый в московском государственном научно-производственном центре монокристаллов и кристаллографических исследований (ГНЦ ЦНИИТМАШ).
Вслед за Москвой, Петербургом и Ставрополем выращивать драгоценные сапфиры начали и в Набережных Челнах (Татарстан). ФОТО Егора АЛЕЕВА/ТАСС
По заветам Степанова
В специально оборудованном цехе в ряд установлены герметичные камеры с пультами и глазками, через которые можно увидеть, как по 1 мм в минуту растут прозрачные монокристаллы. Здесь выращивают профилированные сапфиры усовершенствованным методом, разработанным профессором Степановым в Ленинграде еще в 1938 году в Институте химической физики под руководством Н. Н. Семенова (его преемником можно считать Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе). На данном сапфировом участке - круглосуточное производство, на 200 кг синтетических драгоценных камней ежемесячно. Выход годной продукции составляет свыше 80%, большинство которой уходит на экспорт.
«Уникальность и преимущество ленинградского метода в том, что сапфировые изделия растут в изначально заданном формате, - объяснил руководитель центра монокристаллов и кристаллографических исследований ЦНИИТМАШ Дмитрий Семенов. - То есть уже на стадии своего формирования кристалл принимает нужную форму стерженьков или трубочек круглой, овальной, треугольной форм сечения, лент и других более сложных форматов».
Это очень важный момент, ведь сапфиры не только сверхтвердый (тверже только алмазы), но одновременно и очень хрупкий материал. А это создает большие проблемы при его механической обработке. Во-первых, такая обработка обходится очень дорого, а во-вторых, велики потери в отходы дорогостоящего исходного монокристаллического материала. «Более того, некоторые сапфировые изделия, такие как трубки, вообще невозможно выполнить методами механической обработки», - уточнил Семенов.
Процесс выращивания сапфира происходит в тепловой зоне, где графитовый нагреватель расплавляет сырье до температуры 2050 оС. Туда помещается формообразователь, который и задает форму кристалла на стадии роста. А в основе этого сапфирового чуда лежит обыкновенная монокристаллическая окись алюминия. «Рассада» для получения конструкционных материалов - прессованные таблетки. Особенно чистое сырье, необходимое для получения кристаллов с оптической прозрачностью, поставляется из Китая. Россия похвастать такой продукцией пока не может.
Каменный урожай Приневья
Что касается площадок по производству синтетических сапфиров и оборудования для их роста, то нашей стране есть чем гордиться. Сейчас в России синтетическими сапфирами занимаются несколько предприятий. Самое известное из них не только в России, но и в мире - завод «Монокристалл» в Ставрополе. В отличие от московского сапфирового производства, которое специализируется на создании оптических и конструкционных материалов, ставропольский завод является лидером в производстве камней для светоизлучающих диодов и мобильной электроники. По последним данным, доля «Монокристалла» на мировом рынке синтетических сапфиров приближается к 50%. Сейчас едва ли не каждый второй в мире светодиод производится с использованием сапфировых компонентов этого предприятия.
Есть небольшой «сапфировый сад» и в Петербурге. Экспериментальный участок расположен на территории производителя электрических печей для выращивания монокристалла сапфира - компании «Апекс». Здесь обкатываются новые установки, совершенствуется технология выращивания монокристаллов по методу Киропулоса.
Этот метод в отличие от метода Степанова представляет собой выращивание сапфира из расплава на затравку. В результате получается монолитный брусок камня в виде так называемой були, которую потом раскраивают, нарезают на цилиндры и брикеты. Которые в свою очередь режут на пластины. Сейчас на петербургском предприятии выращивают кристаллы весом 60, 85 и 100 кг.
К слову, самый крупный в мире кристалл искусственного сапфира был выращен в конце 2016 года на ставропольском заводе «Монокристалл». Его вес составил 350 кг. Такой размер позволяет массово производить пластины сапфира большого диаметра. Чем больше кристалл, тем меньше расход электроэнергии, тем ниже себестоимость конечного продукта. Кроме того, есть прямая зависимость между размером кристалла и его качеством: чем он больше, тем четче кристаллическая решетка.
Лучший друг смартфона
Преимущества синтетического сапфира по достоинству оценили только тогда, когда на сцену прогресса вышла ее величество электроника. Эксперименты показали, что электронные устройства на сапфире работают лучше, чем на кремнии. Сапфир быстрее проводит тепло. Он идеален и для выпуска светодиодов, которые в 1990-х японцы запустили в промышленное производство.
Любопытно, что впервые искусственный сапфир прижился... в кнопочных сотовых телефонах. Затем светодиоды на основе сапфиров начали использовать для подсветки жидкокристаллических экранов. Сейчас синтетические сапфиры применяются во многих отраслях современной промышленности, включая автопром, авиацию и космос. Например, детали из сапфиров востребованы в современной светотехнике. В самых экономичных источниках массового освещения - натриевых лампах высокого давления - вместо керамических трубок теперь используют сапфировые, что повышает светоотдачу ламп на 10 - 30%.
Из рукотворного сапфира делают режущий инструмент: резцы для чистового и тонкого точения алюминиевых и медных сплавов, ножи для резки бумаги в промышленных плоттерах. Химическая стойкость позволяет использовать сапфировые тигли, мензурки и капилляры в «особо чистых» производствах.
В медицинской отрасли искусственные кристаллы не получили массового применения, но все еще впереди. Интерес врачей к синтетическим сапфирам вызван тем, что этот камень нейтрален по отношению к крови и тканям человеческого организма, что открывает огромные перспективы использования сапфиров в качестве имплантов в стоматологии, а также при изготовлении хирургического инструмента.
Комментарии