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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• 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


• 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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• 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.


•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.


• 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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• 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.


• 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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• 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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• 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 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;


� Lentes para equipamentos de radiação a laser;

� Suporte de disco na indústria de computador;

� Instrumentos cirúrgicos;

� Polimento de pedras;

� Corte de pedras;

� Gravura;

� Abrasivos.


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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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