Propriétés thermiques du diamant

Propriétés thermiques

Le diamant est un très bon conducteur thermique. Au toucher, il donne une impression de froid du fait que la chaleur qui lui est transmise est rapidement absorbée par la pierre.

Cette excellente conductibilité thermique a permis de réaliser un appareil fort simple qui, en mesurant la vitesse d’absorption de la chaleur par une pierre à laquelle il est relié, permet par simple lecture sur un cadran, de confirmer, en dehors des autres moyens d’investigation, s’il peut s’agir d’un diamant, qu’il soit brut ou taillé, serti ou non, ou d’une imitation (à l’exception de la moissanite pour les plus anciens appareils).

Le facteur de conductibilité est la quantité thermique absorbée par le témoin à mesurer. Voici quelques chiffres de comparaison dans le tableau ci-joint :

Les propriétés thermiques des cristaux se limitent principalement à la conductibilité thermique et à la dilatation thermique.

Ces caractéristiques sont analogues aux caractéristiques optiques des cristaux. Les surfaces égales de conductibilité et de dilatation thermique forment, pour les cristaux du système régulaire ou cubique, une complète distribution isotrope : une sphère. Celles des systèmes hexagonaux et tétragonaux forment, quant à elles, une ellipsoïde de rotation. Celles des systèmes orthorhombiques, monoclines et triclines forment une ellipsoïde tri-axiale. 

La définition expérimentale du pouvoir de conduction thermique absolu est généralement une tâche très ardue pour les cristaux non-isométriques ou cubiques. La conductibilité thermique est relativement grande dans les cristaux aux combinaisons métalliques, alors qu’elle l’est nettement moins dans les combinaisons ioniques et covalentes. Le diamant forme dans ce domaine une exception surprenante et importante, car il possède une conductibilité thermique bien plus importante que le cuivre. Il n’est donc pas surprenant que cet aspect soit utilisé lorsque l’on distingue le diamant de ses copies. Par exemple, le soufre se caractérise par une si petite moyenne de conductibilité thermique, combinée à une si grande dilatation thermique, que le cristal se désintègre lorsqu’il entre en contact avec des mains chaudes ; la fluorite se brise sous la chaleur d’une simple lampe.

→ Si les diamants peuvent parfois contenir des éléments étrangers comme de l’azote ou du bore, l’élément principal qui les constituent est bien différent. Découvrez duquel il s’agit dans cette page du grand guide.

En général, on peut également constater que la conductibilité thermique des matières cristallines diminue lors de l’augmentation de la température. Sur une base structurelle, la conductibilité thermique est plus grande pour les directions à entassement compact que pour les non-compacts, ce qui donne par exemple au graphite sa grande conductibilité thermique dans ses faces de glissement. Comme nous l’avons mentionné ci-dessus, la conductibilité est utilisée pour distinguer les diamants des copies. Non seulement la non-homogénéité structurelle, mais aussi les inclusions diminuent considérablement la conductibilité thermique. C’est ainsi que l’on constatera une diminution de conductibilité thermique dans un diamant, présentant un haut degré d’azote.

Le conductimètre thermique permet de mesurer exactement la conductibilité thermique d’un diamant brut ou taillé. La mesure repose sur une propriété importante du conductimètre thermique : lors du réchauffement de l’appareil, sa conductibilité thermique augmente.

Lors de l’application du thermisteur contre une face d’une pierre précieuse, taillée ou non, la chaleur sera vite évacuée quand il s’agit d’une pierre à haute conductibilité thermique. Par contre, en cas de basse conductibilité thermique, la chaleur s’accumulera localement, ce qui occasionnera un changement de la résistance électrique du thermisteur. 

Cette propriété est appliquée dans la sonde thermique du diamant de fabrication Ceres ou Presidium, où les pierres pesant jusqu’à 0,03 carat peuvent être examinées. Il n’est même pas nécessaire de dessertir la pierre lors de l’examen. On peut facilement identifier des doublets avec une face supérieure en diamant, en mesurant les faces supérieure et inférieure de la pierre. Il est donc conseillé d’acheter un des nouveaux types d’appareil.

Dilatation

Le coefficient de dilatation du diamant est parmi les plus petits entre tous les coefficients des matières naturelles, c’est-à-dire 0,8.10^-6 à 20 °C. Cet avantage est apprécié dans son emploi par l’industrie. Toutefois, la présence d’inclusions étrangères possédant un coefficient de dilatation supérieur peut entraîner l’éclatement du diamant à l’occasion d’échauffements importants. De tels accidents arrivent parfois pendant le sciage ou pendant la taille du diamant. Pour mesurer la dilatation thermique, on se base sur le coefficient linéaire de dilatation thermique ß lié à la longueur d’origine l₀ et à la température t comme suit :

l _t = l ₀ (l + ßt)

En analogie avec la conductibilité thermique, ß est défini par la direction cristallographique observée : pour les cristaux isométriques, ß ne dépend pas de la direction. Pour les cristaux tétragonaux et hexagonaux, deux coefficients de dilatation linéaire sont connus: ß_a et ß_c. On en connaît trois pour les cristaux orthorhombiques, monoclines et triclines: ß_a, ß_b et ß_c.

Il n’y a pas de règle générale décrivant la dépendance de ß avec le système de liaison. Lors de structures en chaînes ou en couches, la liaison est plus forte dans la chaîne ou dans la couche, que quand elle est perpendiculaire par rapport à la direction, ce qui permet une plus grande dilatation thermique dans cette direction.