СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗА Российский патент 1995 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к химии углерода, а именно к технологии получения синтетического углеродного материала, содержащего углерод алмазной (кубической) модификации, и может быть использовано в качестве абразивного материала, в упрочняющих покрытиях, в композиционных материалах.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ, где алмазную модификацию углерода получают детонацией взрывчатого вещества. Способ заключается в том, что приготавливают смесь углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом тротила (40 мас. ), при детонационном разложении которого выделяется свободный углерод, и мощного взрывчатого вещества гексогена (60 мас.), которое обеспечивает условия, необходимые для синтеза алмаза. Приготовленный из такой взрывчатой смеси заряд, как и в предыдущем способе, детонируют в инертной атмосфере в толстостенной взрывной камере. Получаемые продукты взрыва содержат алмазную модификацию углерода, углерод в неалмазной фазе (графит, сажа) и до нескольких процентов металла, отколовшегося от взрывной камеры. Алмаз получается в виде ультрадисперсных частиц округлой и неправильной формы диаметром до 0,007 мк, образующих непрочные фрактальные структуры, средний размер которых не превышает 0,1 мк. В этом способе процесс синтеза ведут в области стабильности твердой углеродной (алмазной) фазы, так как температура детонации сплава тротил-гексоген не превышает 4500 К. Рост образовавшихся частиц за счет их слияния невозможен, так как они находятся в твердом состоянии, а может происходить только за счет присоединения отдельных атомов углерода. Поэтому в условиях быстро протекающего процесса детонации размер отдельных частиц алмаза не превышает 0,007 мкм. Получаемый этим методом ультрадисперсный алмаз широко применяется как композиционный материал в смазках, полирующих составах, однако малый размер частиц не позволяет использовать его в качестве высокоэффективного абразивного материала. Таким образом, из предшествующего уровня техники следует, что синтез алмаза дешевым и производительным детонационным способом не позволяет получать алмаз с размером частиц более 0,01 мкм непосредственно из углерода, входящего в состав взрывчатой смеси.

В основу изобретения положена техническая задача разработать достаточно простой и производительный способ синтеза алмаза из углерода, входящего в состав взрывчатых смесей, который позволил бы получать алмазные частицы размером более 0,01 мк.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения алмаза, включающем приготовление заряда из взрывчатой смеси с отрицательным кислородным балансом, состоящей из углеродсодержащих веществ и веществ, повышающих температуру детонации, детонацию полученного заряда в замкнутом объеме в среде, инертной по отношению к углероду, детонацию заряда осуществляют в условиях, обеспечивающих жидкое состояние углерода в детонационной волне. Детонацию заряда проводят одновременно с пропусканием электрического тока через детонационную волну.

В качестве веществ, повышающих температуру детонации, используют смесь 40-90 мас. октогена или гексогена с 10-60 мас. вещества, выбранного из ряда: алюминий, нитрид алюминия, магний. В качестве веществ, повышающих температуру детонации, используют бензотрифуроксан.

В качестве углеродсодержащих веществ используют вещества из ряда: бензол, этанол, ацетон, причем перед детонацией заряд нагревают до температуру 440-470 К при давлении 10-15 кг/см².

Предлагаемые операции способа синтеза обусловлены необходимостью смещения параметров детонации в область существования жидкой фазы углерода.

На чертеже приведена диаграмма фазовых состояний углерода. Область А соответствует твердой кристаллической фазе углерода, область Б жидкой фазе; ТГ 60/40 60 мас. тротила и 40 мас. гексогена; БТФ бензотрифуроксан.

Таким образом, при детонации приготовленного описанным способом заряда взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом в результате химических реакций в детонационной волне выделяется свободный углерод в жидком состоянии, так как в момент его образования в детонационной волне созданы условия, соответствующие параметрам области Б на чертеже. Образовавшиеся капли углерода, находясь в движении и сталкиваясь, образовывают более крупные капли, обусловливая быстрый рост углеродных частиц. При расширении и охлаждении продуктов взрыва происходит кристаллизация углеродных капель в алмазной фазе. Так как процесс охлаждения быстрый, кристаллизация начинается во многих точках поверхности жидких углеродных частиц, поэтому получаются поликристаллические алмазные частицы неправильной формы размером до 1 мкм. В способе-прототипе процесс ведут в области стабильности твердой алмазной фазы углерода (область А на чертеже), где объединение частиц затруднено и рост частиц происходит в основном за счет более медленного процесса присоединения отдельных атомов углерода.

Таким образом, основными параметрами, определяющими размер частиц в предлагаемом способе синтеза, являются температура и давление в детонационной волне. Они должны быть такими, чтобы обеспечить жидкое состояние выделяющегося углерода.

Условия существования в детонационной волне углерода в жидкой фазе могут быть достигнуты или за счет соответствующего подбора компонентов заряда, определяющих его энергетику, или за счет подвода дополнительной энергии из внешних источников.

Температуру, соответствующую температуре плавления углерода в детонационной волне, достигают, пропуская через нее электрический ток. Для этого приготавливают заряд из углеродсодержащей взрывчатой смеси, непроводящей электрический ток, помещают его между двумя проводящими электродами, соединенными с конденсаторной батареей (или другим источником тока), заряжают конденсатор. Проводят детонацию заряда так, чтобы детонационный фронт объединял оба электрода. Так как детонационный фронт является проводником электрического тока, то конденсаторная батарея, разряжаясь через детонационный фронт, нагревает и углерод выделяющийся в детонационном фронте. Причем напряжение конденсаторной батареи и индуктивность электрической цепи подбирают таким образом, чтобы разряд конденсатора произошел за время прохождения детонационного фронта по заряду, а запас энергии конденсатора был достаточным для плавления углерода (по расчетам 0,6-1 МДж на 1 кг взрывчатого вещества).

Температуру, соответствующую температуре выделения углерода в жидком виде в детонационной волне, достигают также тем, что во взрывчатое вещество вводят вещества с высокой температурой горения, которые, химически реагируя с продуктами разложения взрывчатого вещества в детонационном фронте, приводят к дополнительному разогреву и плавлению выделяющегося углерода.

Такими добавками могут быть металлы, например алюминий, магний или нитрид алюминия.

К повышению температуры в детонационном фронте до температуры плавления углерода приводит также применение взрывчатых смесей с использованием взрывчатых веществ с высокой температурой детонации, например бензотрифуроксана (С₆N₆O₆), температура детонации которого составляет 4900К, что приводит к выделению в процессе детонации углерода в жидком состоянии.

Можно использовать также другие взрывчатые вещества с повышенной температурой детонации.

Температуру, соответствующую жидкому состоянию углерода в детонационной волне, можно достигнуть также и следующим способом: заливают в насыпное взрывчатое вещество, например октоген, углеродсодержащие химическое соединение, которое при нагревании значительно увеличивает свой объем, например бензол, ацетон, спирт. Перед взрывом заряд нагревают при повышенном давлении, чтобы предотвратить кипение углеродсодержащей жидкости. При сжатии в детонационной волне до давления детонации разреженное вещество аккумулирует тем больше тепловой энергии, чем меньше его начальная плотность, а углерод при его разложении выделяется в жидкой фазе, так как достигаются температуры и давления, характерные для области Б на чертеже.

В предлагаемом способе синтеза алмаза могут быть применены и другие методы плавления углерода непосредственно в детонационной волне, которые сохраняют образующуюся алмазную фазу, например лазерные, электромагнитные, пересжатой детонационной волной и другие.

В приведенных ниже примерах условия выделения в детонационной волне углерода в жидкой фазе обеспечиваются соответствующим подбором компонентов заряда, обеспечивающих его энергетику, которая рассчитывалась по известным методам. Запас необходимой энергии конденсатора, выделяемой в детонационном фронте, рассчитывается с учетом массы взрывчатого вещества и теплоемкости образующихся продуктов детонации, так, чтобы были достигнуты условия, обеспечивающие выделение углерода в детонационной волне в жидкой фазе.

П р и м е р 1. Изготавливают заряд взрывчатого вещества массой 20 г, прямоугольной формы, состоящий из 50 мас. октогена и 50 мас. тротила. Заряд помещают во взрывную камеру с инертной по отношению к углероду атмосферой. Заряд подрывают.

В результате получают углеродный материал, содержащий алмазные частицы округлой формы диаметром около 0,007 мкм, образующие непрочные агломераты, размер которых не превышает 0,1 мкм (ультрадисперсный алмаз, как в способе-прототипе).

П р и м е р 2. Изготавливают заряд взрывчатого вещества массой 20 г, прямоугольной формы, состоящий из 50 мас. октогена и 50 мас. тротила. Заряд помещают во взрывную камеру с инертной по отношению к углероду атмосферой между проводящими электродами соединенными с конденсаторной батареей. Заряжают конденсаторную батарею из расчета чтобы запас энергии конденсатора составлял 1 МДж на 1 кг взрывчатого вещества. Заряд подрывают, детонационный фронт, проходя через заряд, замыкает электрическую цепь и вызывает разряд конденсаторной батареи через детонационный фронт.

В результате получают углеродный материал, содержащий алмазные поликристаллические частицы неправильной формы размером около 1 мкм.

П р и м е р 3. Выполняют операции по примеру 2. Заряжают конденсаторную батарею до энергии 0,5 МДж на 1 кг взрывчатого вещества. Заряд подрывают. Получают углеродный материал содержащий алмазные частицы размером около 0,6 мкм.

П р и м е р 4. В емкость помещают насыпной октоген, затем в нее заливают этанол (до уровня поверхности ВВ). Полученный заряд помещают во взрывную камеру с инертной атмосферой. Давление в камере повышают до 10 атм, затем нагревают взрывчатую смесь до 440 К, тем самым понижая плотность этанола до 80% от первоначальной. Детонируют заряд. Получают углеродный материал содержащий алмазные частицы размером около 0,015 мкм.

П р и м е р 5. В емкость помещают насыпной октоген, затем в нее заливают бензол (до уровня поверхности ВВ). Полученный заряд помещают во взрывную камеру с инертной атмосферой. Давление в камере повышают до 15 атм, затем нагревают взрывчатую смесь до 470 К. Детонируют заряд. Получают углеродный материал, содержащий алмазные частицы размером около 0,05 мкм. Аналогичные результаты получают при использовании вместо бензола ацетона и этилового спирта.

П р и м е р 6. Изготавливают заряд массой 100 г из смеси 55 мас. октогена, 40 мас. тротила и 5 мас. нитрида алюминия. Помещают заряд во взрывную камеру. Детонируют в атмосфере инертной по отношению к углероду. Получают углеродный материал, содержащий алмазные частиц неправильной формы размером до 0,05 мкм.

П р и м е р 7. Изготавливают заряд массой 100 г из смеси 20, мас. гексогена, 50 мас. тротила и 30 мас. нитрида алюминия. Помещают во взрывную камеру, детонируют заряд, получают углеродный материал, содержащий алмазные частицы размером около 0,05 мкм.

П р и м е р 8. Изготавливают заряд массой 100 г из смеси 33 мас. гексогена, 50 мас. тротила и 17 мас. нитрида алюминия. Помещают заряд во взрывную камеру. Детонируют заряд. Получают углеродный материал, содержащий алмазные частицы размером около 0,06 мкм. Аналогичные результаты получены при замене нитрида алюминия на магний или алюминий.

При использовании во взрывчатой смеси алюминия, магния, нитрида алюминия в количествах, выходящих за заявляемые пределы получают алмазные частицы близкие по размерам к ультрадисперсному алмазу.

П р и м е р 9. Изготавливают заряд из смеси 50 мас. бензотрифуроксана (С₆N₆O₆) и 40 мас. тротила (C₇H₅N₃O₆). Помещают его во взрывную камеру. Детонируют заряд в атмосфере инертной по отношению к углероду. Получают углеродный материал, содержащий алмазные частицы до 0,3 мкм.

П р и м е р 10. Изготавливают заряд массой 100 г из 90 мас. бензотрифуроксана (С₆N₆O₆) и 10 мас. тротила. Помещают его во взрывную камеру в инертную по отношению к углероду атмосферу. Подрывают заряд. Получают углеродный материал содержащий алмазные частицы размером около 0,2 мкм.

Таким образом, предлагаемый детонационный метод синтеза алмаза достаточно прост, технологичен, не требует создания новых производств и может быть реализован на имеющемся оборудовании. Метод имеет достаточно широкую сырьевую базу взрывчатые вещества, подлежащие утилизации. Получаемый продукт обладает комплексом свойств, позволяющих использовать его в качестве абразивного материала в упрочняющих покрытиях, композиционных материалах.

Использование: в качестве абразивного материала, в упрочняющих покрытиях, в композиционных материалах. Сущность изобретения: готовят заряд из взрывчатой смеси с отрицательным кислородным балансом, состоящей из углеродседержащих веществ и веществ, повышающих температуру детонации, подрывают заряд в замкнутом объеме в среде, инертной по отношению к углероду, в условиях, обеспечивающих жидкое состояние углерода в детонационной волне. Детонацию заряда проводят одновременно с пропусканием электрического тока через детонационную волну или в качестве веществ, повышающих температуру детонации, используют смесь 40 90 мас. октогена или гексогена с 10 60 мас. вещества, выбранного из ряда: алюминий, нитрид алюминия, магний, или в качестве вещества, повышающего температуру детонации, используют бензотрифуроксин, в качестве углеродсодержащих веществ используют вещества из ряда: бензол, этанол, ацетон, причем перед детонацией заряд нагревают до 440 470 К при давлении 10-15 кг/см². 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗА, включающий приготовление заряда из взрывчатой смеси с отрицательным кислородным балансом, состоящей из углеродсодержащих веществ и веществ, повышающих температуру детонации, детонацию полученного заряда в замкнутом объеме в среде, инертной по отношению к углероду, отличающийся тем, что детонацию заряда осуществляют в условиях, обеспечивающих жидкое состояние углерода в детонационной волне. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детонацию заряда проводят одновременно с пропусканием электрического тока через детонационную волну. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве веществ, повышающих температуру детонации, используют смесь 40 90 мас. октогена или гексогена с 10 60 мас. вещества, выбранного из ряда: алюминий, нитрид алюминия, магний. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества, повышающего температуру детонации, используют бензотрифуроксан. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих веществ используют вещества из ряда: бензол, этанол, ацетон, причем перед детонацией заряд нагревают до 440 470 К при давлении 10 15 кг/см².