Ứng dụng của kim cương

Máy và dụng cụ cắt

Các hạt Kim cương trên một đĩa mài

Các hạt Kim cương trên một đĩa mài

Hầu hết các ứng dụng của kim cương đều có liên quan tới độ cứng của chúng; tính chất này làm cho kim cương trở thành vật liệu lý tưởng cho máy công cụ và dụng cụ cắt. Được biết đến như là một loại vật liệu cứng nhất trong tự nhiên, kim cương có thể dùng để đánh bóng, cắt, mài mòn các loại vật liệu khác kể cả kim cương khác. Các ứng dụng thông thường trong công nghiệp về mặt này bao gồm gắn kim cương vào đầu mũi khoan và lưỡi cưa, và dùng bột kim cương làm bột mài. Đó là những ứng dụng rộng rãi nhất của kim cương tổng hợp. Trong khi kim cương tự nhiên cũng được dùng cho những mục đích như vậy, kim cương tổng hợp HPHT được dùng phổ biến hơn đa phần do khả năng tái lập các tính chất cơ học của chúng tốt hơn. Kim cương không phù hợp gia công các hợp kim ferrous ở tốc độ cắt cao, do carbon bị hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao khi tốc độ cắt cao dẫn đến việc tăng nhiệt độ rất nhanh ở dụng cụ bằng kim cương so với các dụng cụ khác.

Dạng thông thường của kim cương trong các dụng cụ cắt là dạng hạt kích thước micromet phân tán trong mạng kim loại được thiêu kết trên dụng cụ. Điển hình của loại này sử dụng trong công nghiệp như polycrystalline diamond (PCD). Các dụng cụ PCD có thể thấy ở trong các ứng dụng gia công cắt gọt và khai thác mỏ. Trong khoảng 15 năm trở lại đây, việc phủ lên dụng cụ kim loại một lớp kim cương CVD dù có cho thấy có hứa hẹn nhưng cũng không đáng kể để thay thế cho dụng cụ truyền thống PCD.

Chất dẫn nhiệt

Đa số các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao thì đồng thời cũng dẫn điện, ví dụ như các kim loại. Nhưng ngược lại, kim cương nguyên chất có độ dẫn nhiệt rất cao nhưng lại không dẫn điện. Sự kết hợp này có giá trị trong lĩnh vực điện tử mà ở đó kim cương được dùng như tấm tản nhiệt cho các diot laser, transistors công suất lớn. Tản nhiệt có hiệu quả sẽ kéo dài tuổi thọ của các thiết bị, và giá thành cao lý giải cho việc sử dụng có hiệu quả, dù tương đối đắt. Trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn, bộ tản nhiệt kim cương tránh cho các vật liệu bán dẫn khỏi bị quá nóng.

Vật liệu quang học

Kim cương cứng, trơ hoá học, và có độ dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp. Các tính chất này làm cho kim cương tốt hơn bất cứ vật liệu cửa sổ nào được sử dụng để truyền bức xạ hồng ngoại và bức xạ sóng ngắn. Vì vậy, kim cương tổng hợp đang bắt đầu thay thế selenua kẽm làm cửa sổ đầu ra của laser CO2 công suất lớn và gyrotrons. Những cửa sổ kim cương tổng hợp được định hình như là các đĩa có đường kính lớn (khoảng 10 cm cho gyrotrons) và độ dày nhỏ (làm giảm hấp thu) và chỉ có thể được sản xuất với kỹ thuật bốc hơi ngưng tụ hóa học (CVD).

Tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tổng hợp kim cương theo phương pháp HPHT và CVD đã cải thiện độ tinh khiết và hoàn thiện cấu trúc tinh thể của kim cương đơn tinh thể đủ để thay thế silicon làm một cách tử nhiễu xạ và vật liệu cửa sổ trong các nguồn bức xạ năng lượng cao, chẳng hạn như synchrotron. Cả hai phương pháp HPHT và CVD đều được sử dụng để tạo ra thiết kế phần tử kim cương quang học trong suốt như một công cụ để đo lường tính chất điện và từ của vật liệu ở áp suất siêu cao bằng cách sử dụng một miếng đe kim cương.

Điện tử

Kim cương tổng hợp có tiềm năng sử dụng như một chất bán dẫn, bởi vì nó có thể được pha trộn tạp chất như boron và phốt pho. Khi những phân tử kim cương pha tạp chất này chứa nhiều hơn hoặc ít hơn một electron hóa trị so với carbon, nó chuyển biến kim cương tổng hợp thành bán dẫn loại p hoặc bán dẫn loại n. Việc tạo một tiếp giáp p-n bằng kích thích tuần tự kim cương tổng hợp với boron và phốt pho để sản xuất ra đi ốt phát quang (LEDs) tạo ra ánh sáng UV với bước sóng 235nm. Tính chất tiện dụng khác của kim cương tổng hợp với điện tử là tính tải động cao, đạt đến 4500 cm2/(V•s) đối với các điện tử trong tinh thể kim cương đơn tinh thể. Tính động cao có thuận lợi cho các transistor trường tần số cao. Khoảng băng rộng của kim cương (5,5 eV) tạo ra cho nó các tính chất điện môi tuyệt vời. Kết hợp với sự ổn định cơ học cao của kim cương, những tính chất đó được sử dụng trong các mẫu thử nghiệm các thiết bị chuyển mạch công suất cao cho các nhà máy điện.
Các transistor kim cương tổng hợp đã được sản xuất ở trong phòng thí nghiệm. Chúng có tính năng chịu nhiệt độ cao hơn nhiều so với loại bằng silicon và rất bền đối với các bức xạ và hóa chất. Trong khi không có các transistor kim cương nào được tích hợp vào các thiết bị điện tử thương mại, chúng hứa hẹn sẽ được dùng trong những trường hợp công suất cao và môi trường chống ô xi hóa đặc biệt.

Kim cương tổng hợp đã được dùng trong các thiết bị dò phóng xạ. Đó là các phóng xạ chất rắn và có dải rộng 5.5 eV (ở nhiệt độ trong phòng). Kim cương cũng được phân biệt với hầu hết các chất bán dẫn khác do thiếu một oxit âm ổn định. Điều này gây khó khăn để chế tạo thiết bị bề mặt MOS, nhưng không tạo ra thế năng đối với bức xạ UV để có được chất bán dẫn kích hoạt mà không có sự hấp thụ trong một lớp bề mặt. Do những tính chất đó, chúng được dùng cho những ứng dụng như đầu dò BaBar trong Stanford Linear Accelerator và BOLD (Blind to the Optical Light Detectors for VUV solar observations). Một đầu dò kim cương VUV gần đây cũng đã được sử dụng trong chương trình European LYRA.

Vật dẫn CVD kim cương là một điện cực hữu ích trong nhiều trường hợp. Phương pháp quang hóa đã được phát triển cho liên kết cộng hóa trị kết nối DNA với bề mặt của màng kim cương đa tinh thể được sản xuất bằng phương pháp CVD. Các màng biến thể DNA như vậy có thể được sử dụng dể dò tìm một loạt các phân tử sinh học mà chúng sẽ liên kết với DNA bằng cách thay đổi độ dẫn điện của màng kim cương. Thêm vào đó, kim cương có thể được dùng để dò tìm phản ứng redox, khi không thể thường xuyên nghiên cứu và trong một số trường hợp làm suy giảm các chất gây ô nhiễm hữu cơ phản ứng oxi hóa khử trong nguồn cung cấp nước. Bởi vì kim cương ổn định về cơ học và hóa học, nó có thể được sử dụng như một điện cực trong điều kiện có thể phá hủy các vật liệu truyền thống. Như một điện cực, kim cương tổng hợp có thể được sử dụng trong xử lý nước thải với nước thải hữu cơ và sản xuất các chất oxy hóa mạnh.

Đá quý

Đồ trang sức được chế tác từ kim cương tổng hợp theo phương pháp HPHT của Công ty Man-Made Diamonds USA

Đồ trang sức được chế tác từ kim cương tổng hợp theo phương pháp HPHT của Công ty Man-Made Diamonds USA

Kim cương tổng hợp dùng để làm đá quý được tạo ra theo phương pháp HPHT hoặc CVD. Chúng có các màu vàng, xanh, và đến gần như không màu (hoặc màu trắng). Màu vàng có được do có các tạp chất ni-tơ trong quá trình sản xuất, trong khi màu xanh là do có các tạp chất bo. Các màu khác như màu hồng hoặc màu xanh lá cây đạt được sau quá trình tổng hợp có sử dụng chiếu xạ. Một số công ty cũng cung cấp kim cương tưởng niệm tạo ra bằng cách sử dụng hài cốt hỏa táng.

Viên kim cương chất lượng đá quý được tạo ra trong phòng thí nghiệm có thể giống hệt kim cương tự nhiên về hóa học, vật lý và quang học, mặc dù chúng có thể được phân biệt bằng quang phổ trong vùng bước sóng tử ngoại, hồng ngoại, hoặc tia X. Xem các thử nghiệm kim cương De Beers sử dụng huỳnh quang tia cực tím để phát hiện các dấu vết tạp chất của nitơ, niken hoặc các kim loại khác ở kim cương HPHT hoặc CVD.

Các ngành công nghiệp kim cương khai thác tự nhiên đang phải đối phó về giá thị trường và phân phối với sự xuất hiện của kim cương nhân tạo trên thị trường đá quý. Ba nhà phân phối lớn nhất của kim cương được khai thác tự nhiên đã thực hiện báo cáo công khai về việc bán kim cương của họ kèm theo đầy đủ về lịch sử kim cương cá nhân, và đã thực hiện các biện pháp khắc bằng laser số serial trên đá quý của họ.

Tìm kiếm

Mới Cập Nhật