Кубический цирконий

Кубический цирконий (также известный как фианит, джевалит, цирконит) — это синтетический кристаллический материал, диоксид циркония (ZrO₂), стабилизированный в кубической кристаллической решётке. В минералогии и ювелирном деле кубический цирконий является наиболее распространённой и доступной имитацией алмаза, превосходя его по некоторым оптическим характеристикам, но уступая по твёрдости и химической стойкости.

История

Открытие и разработка

Первые успешные попытки синтеза диоксида циркония в кубической модификации были предприняты в 1930-х годах, однако стабильные кристаллы удалось получить только в 1960-х годах. В 1970 году советские учёные из Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) под руководством В. В. Осико и В. Г. Линника разработали технологию выращивания крупных монокристаллов диоксида циркония, стабилизированных оксидом кальция или иттрия. В честь института материал получил название «фианит» (от аббревиатуры ФИАН).

Коммерциализация и распространение

В 1976 году технология была передана для промышленного производства на Смоленское производственное объединение «Кристалл». В 1980-х годах кубический цирконий начал активно экспортироваться в страны Запада, где получил коммерческое название «кубический цирконий» (Cubic Zirconia, CZ). В 1990-х годах, после распада СССР, производство фианита было налажено в Китае, Таиланде и других странах, что привело к значительному снижению стоимости материала.

Физические и химические свойства

Кристаллическая структура

При нормальных условиях диоксид циркония существует в моноклинной модификации. Для стабилизации кубической фазы (флюоритоподобная структура) в кристаллическую решётку добавляют стабилизаторы — оксиды иттрия (Y₂O₃), кальция (CaO) или магния (MgO). Концентрация стабилизатора обычно составляет 8–12 мольных процентов.

Основные характеристики

Оптические свойства

Кубический цирконий обладает высокой дисперсией (разложением белого света на спектральные цвета), которая значительно превышает дисперсию алмаза (0,044). Это придаёт камню яркую «игру» — радужные блики при движении. Показатель преломления (2,15–2,18) близок к алмазному (2,42), что делает визуальное различие между ними сложным для невооружённого глаза.

Химическая стойкость

Материал устойчив к воздействию большинства кислот и щелочей при комнатной температуре, однако при нагревании до 200–300 °C может реагировать с концентрированной серной и плавиковой кислотами. Кубический цирконий не подвержен коррозии и не тускнеет со временем.

Производство

Сырьё и стабилизаторы

Исходным сырьём служит диоксид циркония (ZrO₂), получаемый из циркониевых руд (например, циркона). Для стабилизации кубической фазы добавляют оксид иттрия (Y₂O₃) или оксид кальция (CaO) в количестве 8–12 мольных процентов. Для окрашивания кристаллов вводят примеси: оксид железа (жёлтый, коричневый), оксид хрома (зелёный), оксид кобальта (синий), оксид титана (розовый), оксид эрбия (розовый), оксид неодима (фиолетовый).

Метод выращивания

Основной промышленный метод — метод Вернейля (направленная кристаллизация из расплава). Порошок шихты подаётся в кислородно-водородное пламя (температура ~2800 °C), где плавится и осаждается на затравку. Кристалл растёт со скоростью 1–2 см в час. Полученные були (слитки) диаметром до 5 см и длиной до 20 см разрезают на заготовки для огранки.

Контроль качества

Кристаллы проверяют на наличие включений, трещин и зон напряжения. Бесцветные кристаллы высшего качества (тип «ААА») не имеют видимых дефектов при 10-кратном увеличении. Окрашенные кристаллы могут иметь неравномерное распределение цвета.

Применение

Ювелирное дело

Кубический цирконий является наиболее массовой имитацией алмаза. Из него изготавливают вставки в кольца, серьги, подвески, браслеты. Огранка обычно соответствует алмазной (круглая, изумрудная, принцесса, маркиз). Камни могут быть бесцветными или окрашенными в цвета драгоценных камней (изумруд, сапфир, рубин, аметист). Стоимость кубического циркония в 100–1000 раз ниже природного алмаза сопоставимого размера и качества.

Техническое применение

Благодаря высокой твёрдости, термостойкости и химической инертности кубический цирконий используется:

• В оптике — для изготовления линз, призм, окон для лазеров и инфракрасных приборов.
• В электронике — как подложка для тонкоплёночных устройств и датчиков.
• В медицине — для изготовления хирургических инструментов и имплантатов (в виде керамики).
• В абразивной промышленности — для шлифовки и полировки твёрдых материалов.

Научные исследования

Кубический цирконий служит модельным материалом для изучения процессов кристаллизации, фазовых переходов и дефектообразования в тугоплавких оксидах. Он также используется в геофизике как аналог минералов мантии Земли.

Отличия от алмаза

Физические различия

Диагностические признаки

• Теплопроводность: кубический цирконий быстро нагревается в руке, алмаз остаётся холодным.
• Плотность: кубический цирконий тяжелее алмаза (5,5–6,0 против 3,5 г/см³).
• Дисперсия: у кубического циркония более яркая «игра» (радужные блики).
• УФ-флуоресценция: большинство алмазов светятся синим под ультрафиолетом, кубический цирконий — слабо жёлтым.
• Царапина: кубический цирконий царапается корундом (сапфиром), алмаз — нет.

Разновидности и коммерческие названия

По окраске

• Бесцветный — наиболее распространённый вариант, имитация алмаза.
• Окрашенный — получают добавлением примесей: зелёный (Cr), синий (Co), розовый (Ti, Er), жёлтый (Fe), фиолетовый (Nd), чёрный (Co, Ni, Fe).

По качеству

• ААА — высшее качество, без видимых дефектов.
• АА — среднее качество, мелкие включения.
• А — низкое качество, заметные дефекты.

Коммерческие названия

• Фианит — традиционное название в России и странах СНГ.
• Джевалит — торговое название для высококачественного кубического циркония.
• Цирконит — устаревшее название, не путать с минералом цирконом (ZrSiO₄).
• Сваровски — австрийская компания Swarovski AG производит кубический цирконий под брендом «Swarovski Zirconia» (не путать с хрусталём).

Рынок и экономика

Производство

Крупнейшие производители кубического циркония — Китай (около 60% мирового рынка), Таиланд, Россия (Смоленское ПО «Кристалл»), США. Годовой объём производства оценивается в 100–200 тонн.

Ценообразование

Стоимость кубического циркония зависит от размера, качества, цвета и огранки. Средняя цена за карат (0,2 г) бесцветного камня качества ААА составляет 1–5 долларов США. Окрашенные камни могут стоить на 20–50% дороже.

Конкуренция с другими имитациями

Кубический цирконий конкурирует с синтетическим муассанитом (карбид кремния, SiC), который имеет более высокую твёрдость (9,5) и теплопроводность, но значительно дороже. Также существуют имитации из стекла (стразы) и синтетического корунда.

Уход и хранение

Чистка

Кубический цирконий рекомендуется чистить мягкой щёткой с мыльным раствором или в ультразвуковой ванне. Избегать использования абразивных паст и жёстких щёток, которые могут поцарапать поверхность.

Хранение

Хранить отдельно от других украшений, особенно от алмазов и корунда, которые могут поцарапать кубический цирконий. Желательно использовать мягкие футляры или мешочки.

Интересные факты

• Кубический цирконий не является природным минералом. В природе диоксид циркония встречается только в моноклинной модификации (минерал бадделеит).
• В 1980-х годах кубический цирконий использовался в советской космической программе для изготовления иллюминаторов космических аппаратов.
• Крупнейший выращенный кристалл кубического циркония весил около 200 карат (40 г) и был выставлен на выставке в Москве в 1990 году.
• Кубический цирконий не радиоактивен, в отличие от некоторых природных цирконов, которые могут содержать примеси урана и тория.

Источники

• Осико В. В., Линник В. Г. «Синтез и свойства монокристаллов диоксида циркония» // Труды ФИАН, 1972.
• Назаренко В. А. «Фианит — синтетический аналог алмаза» // Журнал «Ювелирное искусство», 2005.
• Nassau K. «Gems Made by Man» // Chilton Book Company, 1980.
• Hurlbut C. S., Kammerling R. C. «Gemology» // John Wiley & Sons, 1991.
• «Cubic Zirconia: A Review of Properties and Applications» // Journal of Materials Science, 2003.