Искусственный и природный корунд — рубин, сапфир

Рубин — и природный и искусственный — лишь один из минералов семейства корунда. Формула Al2O3 отражает состав рубина не совсем точно — в ней не учтена красящая добавка. Кристаллическая двуокись алюминия без добавок носит название корунда. Слово «корунд» пришло в русский язык из санскрита. В этом древнеиндийском языке было слово, звучащее примерно как «курувинда», и этим словом обозначали рубин...
Чистый природный корунд бесцветен и прозрачен, но встречается он редко. Как правило, скопления этого минерала попадаются в бедных кремнеземом изверженных породах. Образовывался он и по границе изверженных пород — там, где магма взаимодействовала с более древними осадочными породами. Чаще всего природный корунд на вид невзрачен — серо-черного цвета мелкие грязноватые кристаллы. Цвет их, впрочем, может быть и иным — все зависит от вида и количества примесей. Не будем забывать, что драгоценный рубин — лишь один из камней семейства корунда.

Не только рубином знаменито это семейство: в него входят также драгоценные сапфир и лейкосапфир. Да и сам родоначальник его — обыкновенный корунд — вещество достаточно привлекательное. Природный корунд тверд, поэтому его издавна используют в качестве абразивного материала. Шкурка, наждачная бумага—это просто плотная бумага (или ткань), на которую с помощью клея нанесен слой мелких корундовых кристаллов. А точильный камень наждак, из которого также делают мельничные жернова, это своего рода природный сплав: мелкие кристаллы корунда, распределенные в других минералах, например в магнетите. Природный корунд для нас достаточно важен, но если бы в мире существовал только природный корунд, то вряд ли этому веществу удалось стать главным и самым распространенным абразивным материалом. Этому помешала бы, во-первых, недостаточная однородность его свойств, а во-вторых, — сравнительно небольшая распространенность. Нынешний корунд — это в основном корунд, полученный искусственным путем; обычно его называют электрокорундом, тем самым подчеркивая способ его получения.
Смесь боксита, каменного угля и железных опилок помещают в электрическую дуговую печь и плавят при температуре 1600—1700°С. Двуокись кремния, которая тоже есть в боксите, взаимодействует с углем раньше окиси алюминия. Восстановленный кремний тут же сплавляется с железом, образуя ценный сплав — ферросилиций, а оставшаяся окись алюминия как шлак всплывает наверх. Это одно из немногих производств, где шлак — основной продукт, а металл (сплав)— побочный. Чтобы кристаллизация ценнейшего шлака шла медленно и вырастали более крупные кристаллы, расплавленную массу охлаждают постепенно. Затем ее извлекают из печи, дробят, очищают, сортируют. Чем выше содержание А1203 в полученных кристаллах, тем выше качество и ценность электрокорунда. Но даже худший черный электрокорунд (75—85% А1203) по своим техническим качествам превосходит природный.
Электрокорунд идет на производство резцов и шлифовальных порошков. В отличие от другого важного абразива карборунда (о нем рассказано выше) корунд не хрупок. Резцы, в состав которых входит корунд, делают методами порошковой металлургии. Достоинство таких резцов — неизменность свойств при температурах резания. Хорош для этих целей и искусственный камень микролит, впервые полученный в нашей стране. Основа микролита— очень мелкие, микронных размеров, корундовые кристаллы, связанные стеклоподобной связкой. Микролит сохраняет твердость до 1200°С.

Широко используют корунд как огнеупорный материал, это естественно. Он выдерживает, не плавясь, температуры до 2050 °С и к тому же отличается устойчивостью к действию жидких шлаков и кислот. Огнеупорными кирпичами из электрокорунда выкладывают изнутри печи стекольных и цементных заводов, агрегаты металлургических и некоторых химических производств.

Вернемся, однако, к благородному корунду — прозрачным, красиво и равномерно окрашенным, редким камням. Уже упоминалось, что чистый корунд бесцветен. Знает читатель и о рубиновом его цвете. Менее известно, что драгоценные кристаллы корунда бывают самых разных цветов: желтые, фиолетовые, зеленые, оливковые.
В древнем Риме многие драгоценные камни считались священными. Но священнейшим из священных был синий камень сапфир, его носили в перстнях жрецы верховного бога Юпитера. Самый большой из известных ювелирных сапфиров весит всего 133 карата — более тяжелых алмазов много. По свидетельству английского посла Горсея, Иван Грозный выделял сапфир среди прочих драгоценных камней, считая, что сапфир «хранит и увеличивает мужество, веселит сердце...»

Сапфир — еще одна разновидность благородного корунда. Оттенки сапфиров довольно разнообразны — от бледно-голубого до темно-синего. Окраску сапфиру придают минимальные примеси окислов железа и титана, а оттенок зависит от соотношения двух этих добавок. Самые ценные сапфиры василькового цвета.

Сапфир, как и рубин, можно получать искусственным путем (тем же методом Вернейля—Попова). Как и рубин, искусственный сапфир идет и в ювелирные изделия, и на технические нужды. В частности, через сапфировые окна наблюдают за поведением плазмы в установках типа «Токамак». Первую такую установку создали, как известно, наши соотечественники, ученые Института атомной энергии имени И. В. Курчатова.

В конце пятидесятых годов нашего века в научной литературе все чаще стало появляться слово «вискерс». По-английски оно означает кошачьи усы. Тем не менее «вискерс» — понятие не биологическое, а кристаллографическое. Вискерсами назвали практически бездефектные нитевидные кристаллы, выращиваемые по особой технологии. Прочность материалов в виде «усов» приближается к теоретической, а разница между теоретической и реальной прочностью обычных материалов пока очень велика. Создание сверхпрочных бездефектных структур — одно из самых важных направлений современного материаловедения. В начале шестидесятых годов были впервые выращены «усы» из сапфира.

Сапфировые «усы» нашли применение в конструкциях чувствительнейших приборов. А обычный синтетический сапфир в наши дни нашел широчайшее применение в микроэлектронике и квантовой электронике, оптике и звукооптике. Серверное и телекоммуникационное оборудование подобное этому http://silverlan-msk.ru/19-rm-cabinets-42U.html в большинстве своем работает с использованием синтетического сапфира в схемах. Так же широко эти современные отрасли используют и лейкосапфир — бесцветную (и тоже синтетическую) разновидность благородного корунда. Благодаря минеральному синтезу эти драгоценные камни стали обыкновенными веществами.

Классические способы получения кристаллов, в том числе и метод Вернейля — Попова, для выращивания «усов» непригодны. Поэтому был разработан другой метод. К образованию сапфировых «усов» приводило высокотемпературное окисление тончайшего алюминиевого порошка в атмосфере влажного водорода. Их выращивали в корундовой лодочке, которую загружали сырьем — алюминиевым порошком с 3 — 6% Al2O3 и микропримесями Fe2O3 и TiO2. В печи происходило высокотемпературное окисление алюминия. Затем в токе влажного водорода лодочку охлаждали до 500°С, при этом на ее дне и стенках росли сапфировые «усы» длиной по полутора сантиметров. Диаметр «усов»—тысячные доли миллиметра (чем он меньше, тем меньше структурных дефектов).