Алмазный бизнес в МИСиС

Пока интернет гудел о якобы рассекреченном месторождении импактных алмазов в Сибири, корреспонденты STRF.ru обнаружили россыпи кристаллов в самом центре Москвы, вблизи ЦПКиО им. Горького – в НИТУ «МИСиС». Конечно, речь идёт об искусственных алмазах, но прибыль они могут приносить столь же ощутимую, как диаманты из недр Земли. Сотрудники вузовской лаборатории сверхтвёрдых материалов создали успешный бизнес – в России никто, кроме них, не выпускает алмазные сопла для газо- и гидроструйной техники. А стойкость к абразивному износу у алмазных материалов из МИСиС высочайшая в мире.

Как укрепить алмаз?

Синтетические алмазы в лаборатории сверхтвёрдых материалов получают при давлении 90–100 тысяч атмосфер и температуре 1,5 тысячи градусов Цельсия. Сырьём служит искусственный графит отечественного производства. Превращению графита в алмаз способствует металл-катализатор: никель либо сплавы на его основе. При плавлении он способствует фазовому переходу графит–алмаз и скрепляет алмазные зёрна, образуя искусственный поликристалл. Его получение занимает около минуты, а сам процесс фазового перехода, перестройки кристаллической решётки, идёт всего несколько секунд.

• 
• Россыпь синтетических алмазных поликристаллов

За рубежом алмазные поликристаллические материалы получают в США, Ирландии, Японии, Южной Корее и Китае, но лишь российская продукция обладает экстремально высокой стойкостью к износу (абразивная способность может превышать 20 см³/мг). Секрет – в технологии нанодисперсного модифицирования. Её в лаборатории начали разрабатывать ещё в 80-е годы. Суть в том, чтобы упрочнить металл-катализатор нанодисперсными добавками, например нитридом титана или оксидом алюминия, а также измельчить алмазное зерно. Одно из ключевых условий для добавок – высокая термостойкость, позволяющая не растворяться в расплавленном катализаторе, а равномерно распределяться в нём.

Строго говоря, алмазный поликристалл – это композиционный материал. Каркас из алмазных зёрен скрепляется металлической или керамической связкой. И дисперсное упрочнение связки позволяет увеличить абразивную способность композита в целом.

Продукция лаборатории

Разработкой и производством поликристаллов лаборатория не ограничивается.

• 
• Поликристалл и монокристалл

– Мы продаём поликристаллические алмазы в качестве сырья Томилинскому и Рославльскому заводам алмазных инструментов. Но это лишь 1–3% наших хоздоговоров в денежном выражении. Многие виды алмазного инструмента мы изготавливаем на вузовском оборудовании сами. Это правящие резцы, резцовые вставки, выглаживатели, опоры, расточные резцы, различные виды алмазных свёрл. Области применения алмазного инструмента очень широки. Наши заказчики – машиностроители, строители, производители спецтехники. Например, ЗАО «Карбонадо» покупает опоры и выглаживатели, Уралмаш и Уфимский авиационный завод – резцы для правки абразивных кругов, – рассказывает завлаб Николай Полушин. – У нас несколько крупных региональных дилеров. Они распространяют наши инструменты в своём регионе. Для нас такая форма работы очень удобна: посредники лучше знают потребности предприятий и самостоятельно решают проблемы с эксплуатацией на местах.

• 
• Николай Полушин выращивает алмазы, кроит их и раскрашивает

Справка STRF.ru: 
Николай Иванович Полушин – заведующей лабораторией сверхтвёрдых материалов НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук, выпускник аспирантуры химического факультета МГУ, подготовил диссертацию на кафедре физики высоких давлений у академика Леонида Верещагина, основателя отрасли сверхтвёрдых материалов в России

Кроме того, лаборатория выпускает алмазные струеформирующие сопла – около пяти тысяч штук в год. Они представляют собой цилиндры размером всего несколько миллиметров с отверстием в доли миллиметра, однако способны выдерживать давление воды и газа, вылетающих с гигантской скоростью.

• 
• Алмазный бур

– В газоструйных установках скорости подачи газа-носителя изначально были сверхзвуковыми. Традиционно для изготовления сопел применялись твёрдые сплавы, сапфир, корунд. Их износ был очень высоким. Наши алмазные сопла имеют стойкость на порядок выше. Поэтому мы сразу заняли на рынке доминирующее положение, – комментирует Николай Полушин. – В гидроструйной технике ситуация иная. Там давления, а значит и скорости, значительно ниже. Пока рабочее давление воды – от десятка до тысячи атмосфер. Однако верхняя планка постоянно растёт. Как только основные производители оборудования перейдут на давления свыше двух тысяч атмосфер, использовать алмазные сопла станет экономически выгодно.

Справка STRF.ru: 
Где используют алмазные сопла?

Демонтаж атомных реакторов. Срок эксплуатации атомных реакторов ограничен (30–35 лет). Вывод АЭС из эксплуатации сопряжён с демонтажем реактора. В ближайшее время планируется вывод из эксплуатации 1-го блока Смоленской АЭС. В качестве одного из вариантов рассматривается использование гидроструйной техники. Демонтаж могут осуществить роботизированные гидроструйные установки с рабочим давлением в 2000 атмосфер. Их разработал отраслевой институт Росатома ОАО «НИКИМТ», сейчас они проходят испытания и опытную эксплуатацию. Алмазные сопла для установок ОАО «НИКИМТ» разработало совместно с НИТУ «МИСиС». Проект финансировался Международным научно-техническим центром.

Ремонт нефтяных скважин. На нефтяных месторождениях под землёй расположено не нефтяное озеро, а песчаный пласт, пропитанный нефтью. Постепенно вокруг скважины образуется так называемая луковица, которая заполнена тяжёлыми фракциями нефти, парафином. Он забивает поры в песчанике и не даёт нефти затекать внутрь скважины через перфорацию. До последнего времени реанимацию скважин проводили, опуская вниз заряд взрывчатки. А теперь пробивают «запарафиненный» слой струёй воды. Пробивание идёт через перфорацию в трубе, при этом не нарушается сплошность трубы, она не забивается песком.

Очистка газопроводов. На трубы магистральных газопроводов наносится защитная антикоррозионная изоляция. Через 20–30 лет она приходит в негодность, хотя труба практически не изнашивается. Поэтому трубы вырезают, очищают гидроструйными установками, затем наносят новую гидроизоляцию, везут снова на магистраль и сваривают. Бывают и передвижные установки – они идут вдоль трубопровода, одна счищает повреждённую изоляцию, вторая наносит новую.

Пёстрые камушки

Ещё один профиль деятельности лаборатории – окраска природных алмазов с лёгким коричневатым оттенком, позволяющая увеличить их стоимость примерно на 30%.

В природе цветные алмазы встречаются редко: розовые кристаллы находят в соотношении 1 на 10 тысяч, голубые – 1 на 100 тысяч. Неудивительно, что цены на них достигают заоблачных высот. Несколько лет назад природный голубой бриллиант в 2 карата на аукционе в Юго-Восточной Азии был продан за 10 миллионов долларов.

Изменить цвет кристалла можно, повлияв на расположение примесных атомов и дефектов в его структуре. Оттенки голубого цвета получаются за счёт внедрения в кристаллическую решётку алмаза атомов водорода. Кристаллы алмаза нагреваются в камере высокого давления в окружении гидрида металла. Гидрид разлагается, образуется атомарный водород, который проникает в структуру алмаза. Чем больше концентрация водорода, тем выше интенсивность голубого цвета.

Красные или розовые кристаллы можно получить, если воздействовать на примесные атомы азота. Азот – нередкая примесь природных алмазов. За счёт изменения конфигурации атомов азота в решётке алмаза и создания определённой концентрации вакансий («дырок» в решётке алмаза) можно получить «парный дефект» – примесный атом азота и вакансия, который и даёт различные оттенки красного цвета.

Камни для окрашивания лаборатория получает из Бельгии.

• 
• Окрашенные алмазы ценятся намного выше бесцветных

– Я нашёл компанию в Антверпене, заинтересованную в изменении цвета природных алмазов. Они поставили нам примерно триста недорогих светло-коричневых кристалликов по 0,1 карата – такой размер называется «пойнт». На этой партии мы отработали режимы и продемонстрировали доступный нам диапазон цветов. Для коммерческих целей будем использовать алмазы покрупнее, от полукарата и выше, – говорит Николай Полушин. – Сейчас наши бельгийские партнёры проводят маркетинговое исследование, чтобы определиться с наиболее «товарными» цветами. Больше всего ценится голубой. Однако получить его можно не из каждого алмаза. Нужно, чтобы в природном кристалле атомов азота было не больше 10 штук на миллион атомов углерода. Такого сырья очень мало. С розовым полегче, требования – до 100 штук атомов азота на миллион атомов углерода. Такие алмазы составляют примерно 3–5% добычи.

От науки к практике

Могли бы сотрудники лаборатории наладить бизнес независимо от вуза? Николай Полушин даёт отрицательный ответ:

– Мы кровь от крови, плоть от плоти университетские люди. Ни на одном предприятии алмазной отрасли у нас в стране не найдёшь исследовательского оборудования такого качества, как в нашей лаборатории. Конечно, в этом есть огромная заслуга нашего бывшего ректора Дмитрия Ливанова, ныне министра образования и науки. Он просто настаивал, чтобы старьё выбрасывали вон и покупали всё самое передовое. А самое главное – в рамках программы развития НИТУ «МИСиС» он обеспечил это требование финансовыми ресурсами.

Раньше установкам в лаборатории было лет по тридцать. Теперь тут современное оборудование, отечественное и зарубежное. Есть все возможности для высокотемпературной рентгенографии и инфракрасной Фурье-спектроскопии. Лазерные и электроэрозионные установки с компьютерным управлением позволяют «кроить» алмазы и делать из них заготовки практически любой конфигурации.

Путь от фундаментальных исследований к предпринимательству соответствовал общей логике развития страны. После распада СССР господдержка науки свелась к величине, близкой к нулю. Но костяк лаборатории решил не покидать вуза, полагая, что квалифицированные специалисты в силах прожить за счёт собственных знаний и талантов.

От чисто исследовательских вопросов синтеза алмазов и кубического нитрида бора лаборатория перешла к разработке и изготовлению новых видов инструментов, поиску партнёров и конкретных потребителей, самостоятельно занялась рекламой и маркетингом. Пришлось радикально менять структуру лаборатории. При этом от фундаментальных и прикладных разработок не отказалась. Просто ставится задача, чтобы их результатом была продукция, за которую готовы платить. Это может быть технология, патент, ноу-хау, готовый материал или инструмент.

Сотрудники лаборатории сверхтвёрдых материалов НИТУ «МИСиС» построили успешный алмазный бизнес. Они не добывают кристаллы из недр земли, а синтезируют их при высоких давлениях и температурах, причём технология нанодисперсного модифицирования позволяет достигать высочайшей в мире стойкости продукции к износу. Затем из синтетических алмазов прямо в лаборатории «кроят» режущие и буровые инструменты, а также сопла для газо- и гидроструйной техники.

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈