diamantes artificiais
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Diamantes ArtificiaisDiamantes Artificiais
Prof. Jean AlanisProf. Jean Alanis
DiamantesDiamantes
• Forma alotrópica do carbono;
• São apenas carbono em seu estado mais
concentrado;
• Diamantes se formam a, aproximadamente, 161 km
abaixo da superfície da Terra;
• Na rocha derretida do manto da Terra, que
proporciona a pressão e o calor adequados para
transformar carbono em diamante.
DiamantesDiamantes
• Para que um diamante seja criado, o carbono deve
estar embaixo de, pelo menos, 435.113 lb.in-2 de
pressão a temperatura de, pelo menos, 400ºC;
• Se as condições estiverem abaixo destes 2 pontos,
será formado o grafite;
• Em profundidades de 150 km ou mais, a pressão vai
para 725.189 psi e o calor pode exceder 1.200ºC.
DiamantesDiamantes
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DiamantesDiamantes DiamantesDiamantes
• Kimberlito é um nome escolhido em homenagem a
Kimberly, África do Sul;
• Foram criadas conforme o magma passava por profundas fraturas na Terra;
• O magma funciona como elevador, empurrando os diamantes e outras rochas pelo manto e crosta em
poucas horas;
• Kimberlito é uma rocha azulada que os mineradores
procuram quando estão atrás de depósitos de diamantes.
KimberlitoKimberlito
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KimberlitoKimberlito DiamantesDiamantes
• Diamantes também podem ser encontrados em
leitos de rios;
• Estes são chamados de reserva aluvial de
diamantes;
• São originados em chaminés de kimberlito, mas se
movimentam por atividade geológica;
• Geleiras e águas podem movimentar os diamantes
para milhas de distância de seu local de origem.
Breve histBreve históóricorico
• A palavra "diamante" é derivada do grego e significa "inconquistável“; “indestrutível”;
• O homem conhece o diamante há milhares de anos;
• Há cerca de 130 anos, o diamante era bastante raro;
• Em 1866, os filhos de um fazendeiro na África do Sul encontraram uma pedra guardando-a entre seus brinquedos;
• Era um diamante que depois foi classificado com mais de 21 quilates.
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Breve histBreve históóricorico
• Na Índia, diamantes eram conhecidos há mais de
2000 anos;
• O maior diamante do mundo foi encontrado na Mina
Premier em Transvaal, na África do Sul (1902);
• Em 1957, 13 milhões de quilates foram extraídos;
• Destes, 95% eram de qualidade industrial (mais
barato).
PropriedadesPropriedades
• A escala de Mohs é usada para determinar a rigidez de sólidos, especialmente minerais;
• É a estrutura molecular dos diamantes que os torna tão duros
• São feitos de átomos de carbono conectados em uma estrutura treliçada.
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PropriedadesPropriedades
• Cada átomo compartilha elétrons com outros 4 átomos, formando uma unidade tetraédrica;
• Esta união tetraédrica de cinco carbonos forma uma molécula incrivelmente forte;
• Possui densidade de 3,1 a 3,5g.mL-1;
• Elevado índice de refração;
• Não conduz eletricidade;
• Tenacidade: friável;
• Ponto de fusão: 3.546, 84 oC;
• Traço: incolor;
• É fluorescente
PropriedadesPropriedades
• Substância mais dura já conhecida;
• É quimicamente inerte;
• Otimo isolante elétrico;
• Pode ser transformado em semicondutor;
• Possui pequeno coeficiente de atrito;
• Alta condutividade térmica
Os quatros princOs quatros princíípiospios
• Diamantes são julgados em diferentes fatores que
determinam sua beleza;
• Para classificá-los são utilizados 4 princípios:
� Corte (cut);
� Claridade (clarity);
� Quilate (carat);
� Cor (color).
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Os quatros princOs quatros princíípiospios
• Corte (cut): se refere a como o diamante foi
cortado e às suas proporções geométricas. Quando
um diamante é cortado, facetas são criadas e seu formato final é determinado;
• Claridade (clarity): é a medida dos defeitos ou inclusões observadas no diamante. Os níveis de
claridade começam por Sem Defeitos e vão decrescendo, passando por Muito Muito Leve, Muito
Leve e Levemente Presente.
Os quatros princOs quatros princíípiospios
•Quilate (carat): é o peso do diamante. Um quilate
equivale a, aproximadamente, 200 mg;
• Cor (color): com relação a diamantes
transparentes, a escala de cor vai de D a Z,
começando com Branco Gelo, a cor da maioria dos
diamantes caros, e terminando com amarelo claro.
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O mapa da minaO mapa da mina
Azul - Maiores Produtores (% da produção mundial)Amarelo - Maiores ConsumidoresVermelho - Países com reservas de diamantes
Curiosidades
• Os diamantes usados em jóias geram US$ 57 bilhões/ ano;
• O continente africano é responsável por 61% da produção
mundial de diamantes;
• Os diamantes são usados como jóias desde o século XVII;
• Os diamantes podem ser classificados em 14 mil categorias;
• A vida útil de uma mina de diamantes é de 16 a 22 anos;
• Cinco empresas de exploração são responsáveis por 90% da
produção mundial de diamantes.
Curiosidades
• Do diamante, costuma-se dizer que é para sempre,
mas na verdade não deveria ser nem por 30 s;
• Na temperatura e pressão da superfície da Terra, a
forma estável do carbono é a grafita;
• O diamante é a forma metaestável, ou seja, só
continua existindo porque não há energia suficiente
(alta temperatura) que sacuda seus átomos e o faça
retornar à forma estável, a grafita.
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Diamante artificialDiamante artificial
• Por muitos anos, a única opção sintética disponível
era o zircônio cúbico (usado como joia);
• O zircônio cúbico (CZ), é uma gema de laboratório
que está no mercado desde 1976;
• A Moissanite se tornou o maior rival sintético do CZ;
• Se tornou disponível em 1998;
• Sua semelhança com o diamante é maior em termos
de composição e aparência.
Diamante artificialDiamante artificial
• A moissanite é mais dura que o CZ (9,5 na escala
Mohs);
• Mas continua a ser menos dura que o diamante
natural;
• O material sintético mais próximo ao diamante são os diamantes artificiais;
• Os diamantes artificiais são carbono puro;
• É produzido submetendo-se a grafita a temperaturas e pressões muito elevadas.
Diamantes artificiaisDiamantes artificiais
• São conhecidos como diamantes HPHT ou diamantes CVD;
• HPHT - síntese de alta pressão e alta temperatura;
• CVD - deposição química de vapor.
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Diamante artificialDiamante artificial
• Pode-se fazer crescer cristais de diamante em
vários materiais;
• Submetendo gases contendo carbono a
temperaturas extremas, através do processo CVD
(chemical vapor deposition);
• Aceleração do processo natural de crescimento por
meio da injeção de gases que contém carbono e
hidrogênio num reator com atmosfera rarefeita.
Diamante artificialDiamante artificial
• Os métodos para a fabricação do diamante
começaram a ser desenvolvidos na década de 50, por
pesquisadores ucranianos e japoneses;
• Os cristais eram de pequeno tamanho e de baixa
qualidade devido às contaminações e às limitações
do processo.
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Diamante sintDiamante sintéético HPHTtico HPHT
• Sintetizado pela primeira vez na década de 50, a partir da
grafite, reproduzindo-se em laboratório as condições de
pressão e temperatura do diamante natural;
• Patenteado pela GE;
• São produzidos diamantes muito pequenos, na forma e
monocristais;
• São atingidos pressões da ordem de 7 a 10 Gpa e T
superiores a 2000K;
• Aplicações limitadas devido ao alto custo de produção e
dificuldade tecnológica.
MMéétodo CVDtodo CVD
• Consiste na aceleração do processo natural de
crescimento;
• Através da injeção de gases que contém C e H em
reator com atmosfera rarefeita;
• A MP utilizada, álcool de cana-de-açúcar ou o CH4,
entra em reação com a ajuda de um filamento quente,
que funciona como uma espécie de catalisador.
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MMéétodo CVDtodo CVD
• Vão se formando camadas microscópicas de
diamante;
• Sobrepostas à superfície de lâminas de silício que
dão origem ao diamante;
• Utiliza-se pressão inferior a uma atmosfera e
temperatura inferior a 1200 K;
• O sucesso com as técnicas CVD vieram somente no
final da década de 70.
SubstratosSubstratos
� Ponto de fusão maior que 1200ºC;
� Coeficiente de dilatação térmica próximo do diamante;
� Baixa solubilidade do carbono no substrato;
� Se fosse possível o crescimento em substratos ferrosos, aumentaria o número de aplicações do diamante CVD em ferramentas de corte;
� O silício e o molibdênio são conhecidos na literatura como bons materiais para o crescimento de diamante CVD, e são largamente utilizados
MMéétodo CVDtodo CVDMMéétodo CVDtodo CVD
• Os gases são injetados no reator, na etapa
representada pela região 1;
• Em seguida, passam pela região de ativação, região 2, onde são formados, inicialmente, H
atômico;
• E logo em seguida, o radical metila (principal
precursor do crescimento de diamante CVD);
• Por difusão, passando à região 3, o H atômico e o radical metila chegam ao substrato na região de
ativação.
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MMéétodo CVDtodo CVD
• Na região de nucleação terá início o processo com posterior coalescência e crescimento dos grãos do filme de diamante policristalino no substrato empregado;
• Os grãos de diamante crescem a partir de camada intermediária de carbeto da reação entre o substrato e radical metila;
• Ou a partir de outros grãos de diamante previamente depositados sobre o substrato, pelo método da semeadura.
MMéétodo CVDtodo CVD
MMéétodo CVDtodo CVDCrescimento de diamante CVDCrescimento de diamante CVD
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Crescimento de diamante CVDCrescimento de diamante CVD Crescimento de diamante CVDCrescimento de diamante CVD
MMéétodo CVDtodo CVD Reator de plasma MWCVDReator de plasma MWCVD
- No reator MWCVD (micro wavechemical vapor deposition)e em outros de plasma a energia de ativação éa elétrica;
- O diamante crescido apresenta alta pureza e maior número de aplicações;
- Alto custo de produção.
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Reator de filamento quenteReator de filamento quente
- No reator HFCVD (Hot filamentchemical vapor deposition) a energia de ativação é térmica;
- Método mais utilizado no crescimento de diamante CVD na pesquisa e indústria;
- Melhor método para crescimento em grandes áreas;
- É relativamente barato e fácil de ser operado;
- A contaminação devido a presença de tungstênio no filme crescido é a principal limitação
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AplicaAplicaççõesões
� Cortador de vidro;
� Serras diamantadas;
� Coroas diamantadas para sondagem na pesquisa mineral;
� Corte de rochas ornamentais;
� Brocas de perfuração de poços de petróleo;
� Inspeção de concreto em diferentes estruturas;
� Manufatura de máquinas;
� Manufatura de peças de refratário para revestimento de forno;
� Fabricação de esmeril;
� Indústria automobilística;
� Indústria aeroespacial;
� Circuitos eletrônicos;
AplicaAplicaççõesões
� Lentes para equipamentos de radiação a laser;
� Suporte de disco na indústria de computador;
� Instrumentos cirúrgicos;
� Polimento de pedras;
� Corte de pedras;
� Gravura;
� Abrasivos.
AplicaAplicaççõesões
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AplicaAplicaççõesões AplicaAplicaççõesões
Referencias BibliogrReferencias Bibliográáficasficas
• AMORIM, Amauri. Crescimento de filmes de diamante CVD em grandes áreas. 2004. Dissertação de Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais da Universidade São Francisco;
• Eichenberger Neto, J. Estudos para crescimento de diamante CVD em substratos planos de grande área. Folder apresentado no IV Encontro de Pós-Graduação Stricto Sensu da Universidade São Francisco, Itatiba – SP, 2005.
• GU C. et al. The preparation of (001) textured diamond films withlarge areas. Surface and Coatings Technology 142-144, p. 698-701, 2001.
• YU, J. Large area diamond films growth in multi-filament chemicalvapor deposition. Diamond and Related Materials B57, p. 255-258, 1999.
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