Фианит

Фианит - искусственный материал, диоксид циркония ZrO₂, стабилизированная кубическая окись циркония (СКЦ или КЦ), кристаллизующийся в кубической сингонии. Условно может рассматриваться как синтетический аналог минерала тажеранит. Широко используется в ювелирном деле в качестве синтетической имитации драгоценных камней, главным образом бриллиантов. Существует две основные кристаллические модификации фианита, - стабилизированный оксид циркония (СКЦ, "кубический цирконий") и частично-стабилизированный оксид циркония (ЧСЦ). Модификации отличаются по физическим и химическим свойствам.

Свойства

Кристаллическую решётка фианита кубическая. Будучи сам по себе нестабильной в обычных условиях высокотемпературной кубической модификацией диоксида циркония, кубический фианит стабилизирован добавками оксида марганца, кальция и иттрия. Фианит бесцветен, но для окрашивания его в различные цвета добавляются переходные и редкоземельные элементы. Твёрдость 7,5 - 8,5. Плотность 6,5 - 10. Спайности нет, излом неровный. Блеск алмазный. Показатель преломления фианита (2,15 - 2,25) близок к алмазу (2,417 - 2,419), поэтому на глаз их трудно различить. Дисперсия, равная 0,06, также близка к дисперсии алмаза. В ультра-фиолетовых лучах фианит в зависимости от примесей может люминесцировать голубым, жёлтым, фиолетовым и другим цветом. Фианит химически стоек в агрессивных средах, тугоплавок, не окисляется и не испаряется при температурах более 2500°С. Изолятор, но при нагревании до температуры более 300°С становится проводником.

Высокий, близкий к алмазу, показатель преломления фианитов, и большая дисперсия создают богатую игру света при разных условиях освещения. Эти свойства в сочетании с возможностью придания фианитам разнообразной окраски позволяют имитировать многие природные драгоценные камни оригинальной окраски. Фианит довольно сложен в обработке, гранить его можно только в определённых направлениях кристалла; выход сырья при огранке обычно не превышает 15%. При огранке высота нижней части камня должна быть более глубокой, что улучшает цветовую игру, а площадка - более плоской; грани обработанных фианитов делаются слегка закруглёнными, что служит дополнительным отличием этих камней от бриллиантов.

Синтез

Высокочистые кристаллы фианита выращивают методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева. Процесс кристаллизации фианита осуществляется в лабораторных условиях на специальных затравках при охлаждении расплава, скорость роста кристаллов составляет до 8-10 мм/ч. Изготовление фианитов усложняется полиморфизмом окиси циркония - возможностью образования различных кристаллических структур. Чистая окись циркония (ZrO₂) при комнатной температуре имеет моноклинную структуру, при нагревании выше 1250°С изменяет ее на тетрагональную, при температуре около 1900°С - на гексагональную, и только выше 2300°С структура ZrO₂ становится кубической. Однако при охлаждении кубическая окись циркония снова приобретает моноклинную структуру. Для того чтобы получить кубическую окись циркония, стабильную при комнатной температуре, необходимо ввести стабилизирующие компоненты, такие, как окиси магния, иттрия или кальция. Дефицит кислорода в сравнении с ZrO₂ делает СКЦ при высоких температурах достаточно хорошим проводником электричества.

Ранее была известна так называемая стабилизированная циркониевая керамика, которая использовалась в различных высокотемпературных конструкциях, - белый и непрозрачный керамический материал. Для использования кубического диоксида циркония в качестве драгоценного камня требовалось выращивать монокристаллы, что несравненно труднее, чем изготавливать керамический материал. Выращивание крупных кристаллов кубической окиси циркония стало возможным только с введением новой методики, называемой прямым высокочастотным плавлением в холодном контейнере. Этот метод выращивания кристаллов из расплава был разработан в 1970-1973 г. В.В. Осико, В.И. Александровым и их сотрудниками в Лаборатории лазерной техники Физического института им. Лебедева Академии наук СССР в Москве.

Уменьшить стоимость фианитов и увеличить производство таких кристаллов, отвечающих по качествам требованиям геммологов, пытаются путем применения других методов синтеза. Возможно получение кубических ZrO₂ из раствора-расплава и уже испытано несколько солевых растворителей, пригодных для выращивания кристаллов, однако медленные скорости роста - существенная помеха для экономически выгодного способа, конкурирующего с технологией выращивания из расплава. Делаются попытки использовать альтернативные способы достижения высоких температур, например, с помощью мощных ламп и лазеров или ионизированной плазмы. Однако лучшей до сих пор является советская технология, и любые отклонение от первоначальной технологии ухудшает качество продукта.

Применение
Фианит широко применяется в технике и ювелирной промышленности. Технические области применения фианита:

Оптика - изготовление высокотемпературных, химически инертных, радиационно-стойких оптических элементов с высоким показателем преломления и широкой спектральной полосой пропускания.
Медицина, включая офтальмологию - инертные импланты и малотравматичные скальпели.
Металлообработка - режущий инструмент.
Микроэлектроника - подложки для получения структур "проводник на диэлектрике".
Фильеры для кабельной промышленности, твёрдые электролиты для датчиков содержания кислорода в жидких и газообразных средах.