stringtranslate.com

Корунд

Корунд — это кристаллическая форма оксида алюминия (Al2O3 ) , обычно содержащая следы железа , титана , ванадия и хрома . [3] [4] Это породообразующий минерал . Это естественно прозрачный материал, но может иметь разные цвета в зависимости от наличия примесей переходных металлов в его кристаллической структуре. [7] Корунд имеет две основные разновидности драгоценных камней: рубин и сапфир . Рубины красные из-за присутствия хрома, а сапфиры демонстрируют гамму цветов в зависимости от того, какой переходный металл присутствует. [7] Редкий тип сапфира, сапфир падпараджа , розово-оранжевый.

Название «корунд» происходит от тамильско - дравидийского слова kurundam (рубин-сапфир) (в санскрите встречается как kuruvinda ). [8] [9]

Из-за твёрдости корунда (чистый корунд определяется как имеющий твёрдость 9,0 по шкале Мооса ), он может царапать почти все другие минералы. Он обычно используется в качестве абразива на наждачной бумаге и на больших инструментах, используемых при обработке металлов, пластика и дерева. Наждак , разновидность корунда, не имеющая ценности как драгоценный камень, обычно используется в качестве абразива. Это чёрная гранулированная форма корунда, в которой минерал тесно перемешан с магнетитом , гематитом или герцинитом . [6]

В дополнение к своей твердости, корунд имеет плотность 4,02 г/см3 ( 251 фунт/куб. фут), что необычно высоко для прозрачного минерала, состоящего из элементов с низкой атомной массой: алюминия и кислорода . [10]

Геология и распространение

Корунд из Бразилии , размер около 2 см × 3 см (0,8 дюйма × 1 дюйм)

Корунд встречается как минерал в слюдяном сланце , гнейсе и некоторых мраморах в метаморфических террейнах . Он также встречается в интрузивных сиенитах и ​​нефелиновых сиенитах с низким содержанием кремния . Другие проявления — это массы, прилегающие к ультрамафическим интрузивам, связанные с дайками лампрофиров и в виде крупных кристаллов в пегматитах . [6] Он обычно встречается как обломочный минерал в речных и пляжных песках из-за своей твердости и устойчивости к выветриванию. [6] Самый большой задокументированный монокристалл корунда имел размеры около 65 см × 40 см × 40 см (26 дюймов × 16 дюймов × 16 дюймов) и весил 152 кг (335 фунтов). [11] С тех пор этот рекорд был превзойден некоторыми синтетическими булями . [ 12 ]

Корунд для абразивов добывают в Зимбабве, Пакистане, Афганистане, России, Шри-Ланке и Индии. Исторически он добывался из месторождений, связанных с дунитами в Северной Каролине , США, и из нефелинового сиенита в Крейгмонте, Онтарио . [6] Корунд класса наждак добывают на греческом острове Наксос и около Пикскилла, штат Нью-Йорк , США. Абразивный корунд синтетически изготавливают из бокситов . [ 6]

В Китае были обнаружены четыре корундовых топора, датируемые 2500 г. до н.э. из культур Лянчжу и Саньсинцунь (последняя из которых находится в районе Цзиньтань ). [13] [14]

Синтетический корунд

Процесс Вернейля позволяет производить безупречные монокристаллические сапфиры и рубины гораздо большего размера, чем обычно встречаются в природе. Также возможно выращивать синтетический корунд ювелирного качества методом флюсового роста и гидротермального синтеза . Благодаря простоте методов, используемых в синтезе корунда, большие количества этих кристаллов стали доступны на рынке по цене, составляющей лишь часть стоимости природных камней. [17]

Синтетический корунд оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем натуральный корунд, поскольку не требует разрушительной добычи и сохраняет ресурсы. [18] [19] Однако его производство является энергоемким, способствует выбросам углерода при использовании ископаемого топлива и включает химические вещества, которые могут представлять опасность. [20]

Помимо декоративных целей, синтетический корунд также используется для производства механических деталей (трубок, стержней, подшипников и других обработанных деталей), устойчивой к царапинам оптики, устойчивых к царапинам часовых кристаллов, инструментальных окон для спутников и космических аппаратов (из-за своей прозрачности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне) и лазерных компонентов. Например, главные зеркала детектора гравитационных волн KAGRA сделаны из сапфиров весом 23 кг (50 фунтов), [21] а Advanced LIGO рассматривал сапфировые зеркала весом 40 кг (88 фунтов). [22] Корунд также нашел применение в разработке керамической брони благодаря своей высокой прочности. [23]

Структура и физические свойства

Кристаллическая структура корунда
Молярный объем в зависимости от давления при комнатной температуре

Корунд кристаллизуется с тригональной симметрией в пространственной группе R 3 c и имеет параметры решетки a = 4,75 Å и c = 12,982 Å при стандартных условиях. Элементарная ячейка содержит шесть формульных единиц. [4] [24]

Прочность корунда чувствительна к шероховатости поверхности [25] [26] и кристаллографической ориентации. [27] Она может составлять 6–7 МПа·м 1/2 для синтетических кристаллов [27] и около 4 МПа·м 1/2 для природных. [28]

В решетке корунда атомы кислорода образуют слегка искаженную гексагональную плотную упаковку , в которой две трети октаэдрических мест между ионами кислорода заняты ионами алюминия. [29] Отсутствие ионов алюминия в одном из трех мест нарушает симметрию гексагональной плотной упаковки, снижая симметрию пространственной группы до R 3 c , а кристаллический класс — до тригонального. [30] Структуру корунда иногда описывают как псевдогексагональную структуру. [31]

Модуль Юнга корунда (сапфира) был зарегистрирован во многих различных источниках со значениями, варьирующимися от 300 до 500 ГПа, но обычно цитируемое значение, используемое для расчетов, составляет 345 ГПа. [32] Модуль Юнга зависит от температуры и был зарегистрирован в направлении [0001] как 435 ГПа при 323 К и 386 ГПа при 1273 К. [32] Модуль сдвига корунда составляет 145 ГПа, [33] а объемный модуль упругости составляет 240 ГПа. [33]

Волокна монокристаллического корунда имеют потенциальное применение в высокотемпературных композитах, а модуль Юнга сильно зависит от кристаллографической ориентации вдоль оси волокна. Волокно демонстрирует максимальный модуль 461 ГПа, когда кристаллографическая ось c [0001] совпадает с осью волокна, и минимальный модуль ~373 ГПа, когда направление 45° от оси c совпадает с осью волокна. [34]

Твердость корунда, измеренная путем индентирования при низких нагрузках 1-2 Н, была зарегистрирована как 22-23 ГПа [35] в основных кристаллографических плоскостях: (0001) (базальная плоскость), (10 1 0) (ромбоэдрическая плоскость), (11 2 0) (призматическая плоскость) и (10 1 2). Твердость может значительно упасть при высоких нагрузках индентирования. Падение относительно нагрузки варьируется в зависимости от кристаллографической плоскости из-за разницы в стойкости к трещинам и распространении между направлениями. Один экстремальный случай наблюдается в плоскости (0001), где твердость при высокой нагрузке (~1 кН) составляет почти половину значения при низкой нагрузке (1-2 Н). [35]

Поликристаллический корунд, полученный путем спекания и обработанный методом горячего изостатического прессования, может достигать размеров зерна в диапазоне 0,55–0,7 мкм и, как было измерено, имеет прочность на четырехточечный изгиб от 600 до 700 МПа и прочность на трехточечный изгиб от 750 до 900 МПа. [36]

Тип конструкции

Из-за своей распространенности корунд также стал названием основного структурного типа ( типа корунда ), встречающегося в различных бинарных и тройных соединениях . [37]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Корунд» .

Ссылки

  1. ^ Warr, LN (2021). «Утвержденные символы минералов IMA–CNMNC». Mineralogic Magazine . 85 (3): 291–320. Bibcode : 2021MinM...85..291W. doi : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID  235729616.
  2. ^ "Шкала твёрдости Мооса". Уголок коллекционера . Минералогическое общество Америки . Получено 10 января 2014 г.
  3. ^ ab Anthony, John W.; Bideaux, Richard A.; Bladh, Kenneth W.; Nichols, Monte C., ред. (1997). "Корунд". Справочник по минералогии (PDF) . Том III Галогениды, гидроксиды, оксиды. Chantilly, VA, США: Минералогическое общество Америки. ISBN 0962209724. Архивировано (PDF) из оригинала 5 сентября 2006 г.
  4. ^ abc "Корунд". Mindat.org .
  5. ^ "Корунд". Webmineral.com . Архивировано из оригинала 25 ноября 2006 г.
  6. ^ abcdef Hurlbut, Cornelius S.; Klein, Cornelis (1985). Manual of Mineralogy (20-е изд.). Wiley. С. 300–302. ISBN 0-471-80580-7.
  7. ^ ab Giuliani, Gaston; Ohnenstetter, Daniel; Fallick, Anthony E.; Groat, Lee; Fagan; Andrew J. (2014). «Геология и генезис месторождений драгоценных корундов». Gem Corundum . Research Gate: Mineralologic Association of Canada. стр. 37–38. ISBN 978-0-921294-54-2.
  8. ^ Харпер, Дуглас. "корунд". Онлайн-словарь этимологии .
  9. ^ Ершек, Миха; Йовановский, Глигор; Боев, Блажо; Макрески, Петре (2021). «Интригующие минералы: корунд в мире рубинов и сапфиров с особым вниманием к македонским рубинам». Химтексты . 7 (3): 19. дои :10.1007/s40828-021-00143-0. ISSN  2199-3793. S2CID  233435945.
  10. ^ "Минерал Корунд". gallery.com .
  11. ^ Риквуд, ПК (1981). «Крупнейшие кристаллы» (PDF) . Американский минералог . 66 : 885–907. Архивировано (PDF) из оригинала 20 июня 2009 г.
  12. ^ "Компания Rubicon Technology выращивает 200-килограммовую "супербулю"". LED Inside . 21 апреля 2009 г.
  13. ^ "Китайцы первыми использовали алмаз". BBC News . BBC. Май 2005.
  14. ^ Александра, Гохо (16 февраля 2005 г.). «В темноте: инструменты каменного века могли получить блеск от алмаза». Science News .
  15. ^ Дюрок-Даннер, Дж. М. (2011). «Необработанный желтовато-оранжевый сапфир, демонстрирующий свой естественный цвет» (PDF) . Журнал геммологии . 32 (5): 175–178. doi :10.15506/jog.2011.32.5.174. Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2013 г.
  16. ^ Бахадур (1943). "Справочник по драгоценным камням" . Получено 19 августа 2007 г.
  17. ^ Уолш, Эндрю (февраль 2010 г.). «Коммодификация фетишей: как отличить натуральные сапфиры от синтетических». American Ethnologist . 37 (1): 98–114. doi :10.1111/j.1548-1425.2010.01244.x.
  18. ^ "Сравнение оксида алюминия и корунда: от сырой формы до кристаллической чистоты". Advanced Ceramic Materials . 1 марта 2024 г. Получено 7 октября 2024 г.
  19. ^ Уолш, Эндрю (2010). «Коммерциализация фетишей: как отличить натуральные сапфиры от синтетических». Американский этнолог . 37 (1): 98–114. doi :10.1111/j.1548-1425.2010.01244.x.
  20. ^ Судиро, Мария; Бертукко, Альберто (2007). «Синтетическое топливо с помощью процесса с ограниченным выбросом CO2, использующего как ископаемое топливо, так и солнечную энергию». Energy Fuels . 21 (6): 3668–3675. doi :10.1021/ef7003255.
  21. ^ Хиросе, Эйити и др. (2014). «Сапфировое зеркало для детектора гравитационных волн KAGRA» (PDF) . Physical Review D. 89 ( 6): 062003. Bibcode : 2014PhRvD..89f2003H. doi : 10.1103/PhysRevD.89.062003. Архивировано (PDF) из оригинала 24 июля 2018 г.
  22. ^ Биллингсли, ГариЛинн (2004). «Advanced Ligo Core Optics Components – Downselect». Лаборатория LIGO . Получено 6 февраля 2020 г.
  23. ^ Defense World.Net, Российская бронированная сталь-сравнимая керамическая пластина прошла испытания, 5 сентября 2020 г., получено 29 декабря 2020 г.
  24. ^ Ньюнхэм, RE; де Хаан, Ю.М. (август 1962 г.). «Уточнение структур α Al 2 O 3 , Ti 2 O 3 , V 2 O 3 и Cr 2 O 3 *». Zeitschrift für Kristallographie . 117 (2–3): 235–237. Бибкод : 1962ZK....117..235N. дои :10.1524/zkri.1962.117.2-3.235.
  25. ^ Farzin-Nia, Farrokh; Sterrett, Terry; Sirney, Ron (1990). «Влияние обработки на вязкость разрушения корунда». Journal of Materials Science . 25 (5): 2527–2531. Bibcode : 1990JMatS..25.2527F. doi : 10.1007/bf00638054. S2CID  137548763.
  26. ^ Беккер, Пол Ф. (1976). «Анизотропия прочности на излом сапфира». Журнал Американского керамического общества . 59 (1–2): 59–61. doi :10.1111/j.1151-2916.1976.tb09390.x.
  27. ^ ab Wiederhorn, SM (1969). «Раскол сапфира». Журнал Американского керамического общества . 52 (9): 485–491. doi :10.1111/j.1151-2916.1969.tb09199.x.
  28. ^ "Корунд, оксид алюминия, глинозем, 99,9%, Al2O3". www.matweb.com .
  29. ^ Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Oxford University Press. С. 363–364. ISBN 9780195106916.
  30. ^ Борхардт-Отт, Уолтер; Кайзер, ET (1995). Кристаллография (2-е изд.). Берлин: Шпрингер. п. 230. ИСБН 3540594787.
  31. ^ Gea, Laurence A.; Boatner, LA; Rankin, Janet; Budai, JD (1995). «Формирование многослойных структур Al 2 O 3 /V 2 O 3 с помощью высокодозной ионной имплантации». Труды MRS . 382 : 107. doi :10.1557/PROC-382-107.
  32. ^ аб Добровинская, Елена Р.; Литвинов Леонид А.; Пищик, Валериан (2009), Пищик, Валериан; Литвинов Леонид А.; Добровинская, Елена Р. (ред.), «Свойства сапфира», Сапфир: материал, производство, применение , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 55–176, doi : 10.1007/978-0-387-85695-7_2 , ISBN 978-0-387-85695-7, получено 12 мая 2024 г.
  33. ^ ab Ramdas, Roshan L. Aggarwal, Anant K. (3 мая 2019 г.). Физические свойства алмаза и сапфира. Boca Raton: CRC Press. doi : 10.1201/9780429283260. ISBN 978-0-429-28326-0.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  34. ^ Wadley, Haydn NG; Lu, Yichi; Goldman, Jeffrey A. (1 марта 1995 г.). «Ультразвуковое определение модуля волокна монокристалла сапфира». Журнал неразрушающей оценки . 14 (1): 31–38. doi :10.1007/BF00735669. ISSN  1573-4862.
  35. ^ ab Синани, AB; Дынкин, NK; Литвинов, LA; Коневский, PV; Андреев, EP (1 октября 2009 г.). "Твёрдость сапфира в различных кристаллографических направлениях". Известия Российской академии наук: Физика . 73 (10): 1380–1382. doi :10.3103/S1062873809100177. ISSN  1934-9432.
  36. ^ Крелл, Андреас; Бланк, Пол; Ма, Хунвэй; Хутцлер, Томас; ван Брюгген, Мишель ПБ; Апец, Рольф (2003). «Прозрачный спеченный корунд с высокой твердостью и прочностью». Журнал Американского керамического общества . 86 (1): 12–18. doi :10.1111/j.1151-2916.2003.tb03270.x. ISSN  0002-7820.
  37. ^ Мюллер, Олаф; Рой, Рустум (1974). Основные тернарные структурные семейства. Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 0-387-06430-3. OCLC  1056558.