Фианиты: синтетические кубические цирконии¶

Фианиты — торговое название синтетических кристаллов диоксида циркония (ZrO₂), стабилизированных оксидами иттрия или кальция, которые применяются в ювелирной промышленности как имитация драгоценных камней. Материал не является природным минералом: это продукт высокотемпературного синтеза, впервые полученный в Физическом институте Академии наук СССР (ФИАН), от аббревиатуры которого и произошло название. По химическому составу фианит представляет собой кубическую модификацию диоксида циркония, устойчивую при обычных условиях только благодаря введению стабилизирующих добавок.

¶История

Кубическая модификация диоксида циркония была известна материаловедам с середины XX века, однако получить её в виде крупных прозрачных монокристаллов долгое время не удавалось. В 1960-х годах в Физическом институте АН СССР под руководством физика В. И. Александрова были проведены работы по выращиванию таких кристаллов методом плавления в холодном тигле (индукционный нагрев в высокочастотном поле). В 1970-х годах технология была доведена до промышленного уровня, а сам материал получил название «фианит» — по сокращённому наименованию института.

На Западе аналогичный материал известен как «кубический цирконий» (англ. cubic zirconia, CZ) или «циркония». В ювелирной торговле также встречаются названия «цирконит», «даймон» и другие торговые марки, не являющиеся минералогическими терминами. Термин «фианит» закрепился преимущественно в русскоязычной традиции.

¶Состав и структура

Чистый диоксид циркония при комнатной температуре находится в моноклинной кристаллической модификации, которая при нагреве переходит в тетрагональную, а затем в кубическую. При охлаждении происходит обратный переход с изменением объёма, что разрушает кристалл. Чтобы сохранить кубическую структуру при обычных условиях, в расплав вводят стабилизаторы — оксид иттрия (Y₂O₃) или оксид кальция (CaO), которые фиксируют кубическую решётку.

Типичный состав ювелирного фианита — от 90 до 95 % диоксида циркония и 5–10 % стабилизирующего оксида. Именно кубическая сингония обеспечивает изотропность оптических свойств и высокий показатель преломления, близкий к алмазу.

¶Свойства

Фианит обладает рядом характеристик, делающих его удобной имитацией бриллианта:

По твёрдости фианит уступает алмазу (10) и корунду (9), но превосходит большинство природных имитаций. Показатель преломления у него ниже алмазного (2,42), однако выше, чем у стекла и кварца, что обеспечивает характерный блеск. Дисперсия — способность разлагать свет на спектральные составляющие — у фианита даже выше, чем у алмаза, поэтому огранённый камень даёт заметную «игру» цвета.

Кристаллы химически инертны, не растворяются в воде и большинстве кислот, устойчивы к нагреву. При длительном воздействии ультрафиолета или резких перепадов температур возможны помутнение и появление микротрещин.

¶Производство

Основной промышленный метод получения фианитов — выращивание монокристаллов из расплава в холодном тигле. Порошок диоксида циркония со стабилизатором загружают в водоохлаждаемый тигель, где под действием высокочастотного поля спекается в «гарнисаж», а внутри образуется ванна расплава. Кристалл наращивают на затравку, медленно опуская её и извлекая из расплава. Процесс позволяет получать заготовки массой в несколько килограммов.

Из выращенных кристаллов нарезают заготовки, которые затем подвергают огранке. Для имитации бриллиантов применяют стандартные бриллиантовые огранки — круглую с 57 гранями, «маркиз», «груша», «овал» и другие.

¶Применение

Основная сфера применения фианитов — ювелирная промышленность. Камни вставляют в изделия из золота, серебра и недрагоценных сплавов, используют в качестве центральных и декоративных элементов. Стоимость фианита в десятки и сотни раз ниже природных драгоценных камней, что делает его доступным материалом для массовых украшений.

Помимо ювелирного дела, кубический диоксид циркония применяется:

• в оптике — для изготовления линз, окон и элементов лазеров;
• в электронике — как твёрдый электролит и материал для датчиков кислорода;
• в медицине — в составе керамических имплантатов, в том числе зубных протезов;
• в технике — как огнеупорный и износостойкий материал.

¶Отличия от природных камней и имитаций

Фианит визуально близок к бриллианту, но отличается по ряду признаков. Плотность фианита выше: камень того же размера тяжелее алмаза примерно на 1,6 раза. Теплопроводность значительно ниже, поэтому стандартные алмазные тестеры, основанные на измерении теплопроводности, легко отличают фианит от алмаза. Под лупой у фианита часто заметны следы роста кристалла и включения, отсутствующие у природных камней.

Среди других имитаций фианит отличается от стекла (более высокая твёрдость и блеск), от муассанита (меньший показатель преломления и иная дисперсия) и от природного циркона, с которым его часто путают по названию. Циркон — природный минерал состава ZrSiO₄, не имеющий отношения к фианиту.

¶Критика и ограничения

Фианит не является драгоценным камнем и не имеет коллекционной ценности. В некоторых странах продажа украшений с фианитами под видом изделий с бриллиантами квалифицируется как обман потребителя, поэтому маркировка состава обязательна. Кроме того, камни со временем могут терять первоначальный блеск из-за загрязнения и микроцарапин, а при неаккуратном обращении — скалываться.

¶Источники

• Александров В. И. и др. Работы по синтезу кубического диоксида циркония. Физический институт АН СССР.
• Материаловедение: учебник для вузов. Разделы по керамике и монокристаллам.
• Справочные данные по геммологии: показатели преломления и дисперсии имитаций драгоценных камней.
• Отраслевые обзоры рынка синтетических ювелирных вставок.