СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ АЛМАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к технологии получения сверхтвердых материалов и может быть использовано для синтеза кристаллов алмазов и их практического применения.

Технология получения искусственных алмазов широко разрабатывается во всех развитых странах с 60-х годов нашего столетия. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500^o и давлении более 50х10² МПа в присутствии металлов-катализаторов железа, марганца, хрома, никеля и других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора. Как правило, для синтеза искусственных алмазов используют аппараты высокого давления (АВД), которые представляют из себя весьма сложные и дорогостоящие технические устройства.

Ближайшим аналогом изобретения является способ, в котором взрывчатое вещество (ВВ) воздействует на углеродсодержащий материал, смешанный с металлами-катализаторами Fe, Ca, Ni, Al, Mn, Mg, W, Ti (I). Продукты реакции растворяют в кислоте и получают алмазы размером <10 мкм.

Недостатком способа является субмикронный размер получаемых кристаллов алмаза.

Задачей изобретения является увеличение размера кристаллов получаемых искусственных алмазов.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе получения искусственных алмазов динамическим методом, включающем приготовление шихты из углеродсодержащего материала и взрывчатого вещества, перенесение шихты в устройство сохранения получаемого продукта, инициирование процесса, охлаждение продуктов реакции и выделение кристаллов алмазов из плава растворением последнего, для приготовления шихты смешивают углеродсодержащий материал с термитной смесью оксидов металлов и порошками металлов в количестве, мас.

Магний метал. 5-30
Алюминий метал. 10-50
Цирконий метал. 0,1-10
Церий метал. 0,1-5
Оксид никеля и/или оксид железа, и/или оксид кобальта 5,8-33,0
Оксид хрома и/или молибдена 2-15
Оксид марганца, и/или оксид олова, и/или оксид кремния 3-20
Углеродсодержащий материал 2-9
Тщательно перемешенной шихтой указанного состава заполняют устройство сохранения получаемого продукта (взрывную камеру), изготовленную из жаропрочного материала (например, марки 12Х 18Н10Т или ЭИ 652) и способную выдержать давление до 50-100 кбар. Инициирование процесса осуществляют разогревом шихты, например, размещенной внутри взрывной камеры спиралью, нагреваемой электрическим током.

В результате реакции образуется расплав насыщенный растворенным в нем углеродом, кристаллизующимся в форме алмаза в процессе охлаждения. После охлаждения продуктов реакции полученный плав выдерживается в минеральных кислотах до полного растворения. Образовавшиеся кристаллы искусственных алмазов отделяют от раствора, промывают и анализируют физико-химическими методами.

Пример 1. Реакционную смесь состава (в мас.) магний металлический 20, алюминий металлический 50, оксид хрома 10, оксид никеля 10, оксид железа 2, оксид марганца 3, цирконий металлический 0,1, церий металлический - 0,9, тонкодисперсный графит 4, взятую в количестве 52 г, помещают в камеру из стали 12X18Н10Т, герметизируют ее и инициируют реакцию, разогревая размещенную внутри спираль из нихрома электрическим током от аккумулятора. После охлаждения камеры продукты реакции извлекают и металлический плав (15 г) растворяют в 100 мл смеси концентрированных кислот (азотной и соляной 1:1). Полученный раствор отфильтровывают. На фильтре найдено несколько сот кристаллов общей массой 0,45 карата. Размер кристаллов 10-500 мкм. Идентификация алмаза проведена рентгенофазовым и лазерным спектральным методами анализа.

Пример 2. Шихту состава (вес.): магний метал. 5, алюминий метал. 50, оксид железа 10, оксид хрома 10, оксид кремния 10, оксид кобальта 3,8, оксид марганца 1, оксид молибдена 2, церий метал. 0,1, цирконий метал.- 0,1, тонкодисперсный графит 8 взятую в количестве 70 гр. в тщательно уплотненном виде помещают в автоклав из сплава ЭИ 652, герметизируют и с помощью локального нагрева инициируют реакцию. Из остывшего автоклава извлекают металлический плав и растворяют в смеси соляной и азотной кислот. Полученные кристаллы алмаза идентифицируются лазерным спектральным и рентгенофазовым методами. Их количество составляет 0,5 карата. Размер кристаллов 10-100 мкм.

Пример 3. Смесь состава: магний метал. 30, алюминий метал. 10, оксид железа 18, оксид кобальта 5, оксид никеля 10, оксид хрома 10, оксид кремния 12, церий металлический 0,1 цирконий металлический 0,1, оксид марганца 2,8, тонкодисперсный графит 2, общим весом 100 г тщательно перемешивают. Дальнейшие операции идентичны описанным в примере 1. Получены кристаллы алмаза общим весом 0,1 карата. Размер кристаллов 10-100 мкм.

Пример 4. Готовят реакционную смесь, состоящую из 70 мас. сплава магния и алюминия в соотношении (ат.) 1:2, 12,5 оксида железа, 2% оксида никеля, 3% оксида марганца, 2% оксида хрома, 2% оксида олова, церий метал. 0,1, цирконий метал. 0,1, тонкодисперсный графит 8,3% общим весом 83,3 грамма и тщательно перемешивают. Все дальнейшие процедуры аналогичны приведенным в примере 1. На выходе получены кристаллы алмаза 10-100 мкм в количестве 0,5 карата.

Пример 5. Берут навеску из следующих компонентов (мас.): тонкодисперсный алмаз с размером 0,1-1 мкм 9, магния метал. 17, алюминия метал. 30, оксид олова 6, оксид хрома 10, церий металлический 5, оксид кобальта 2, оксид молибдена 5, оксид никеля 5, оксид железа 10, цирконий метал. 1, общим весом 100 грамм и тщательно перемешивают. Дальнейшие операции те же, что и в примере 2. Получены улучшенные кристаллы алмаза размером 10-100 м км в соотношении 1:1 начальному количеству тонкодисперсного алмаза.

Пример 6. 60 г смеси, состоящей из 50% сплава АМ (соотношение Al и Mg 7: 3 (ат), 7% оксид хрома, 10% металлического циркония, 20% оксида кремния, 5% оксида железа, 5% церия метал. 3% тонкодисперсного алмаза с размером зерна 0,1-1 мкм, помещают в запрессованном виде в реакционный сосуд, герметизируют и с помощью локального нагрева инициируют реакцию. Полученный металлический слиток подвергают процедурам, описанным в примере 1. Продукты опыта представлены алмазом размером зерна 10-100 мкм в количестве 1,2 карата.

Соотношение компонентов шихты было подобрано опытным путем следующим образом: количество металлических алюминия и магния определяет скорость протекания реакции и количество выделяемого тепла, необходимого для превращения смеси оксидов в расплав металлов. По полученным результатам минимальное количество Al и Mo в шихте составляет 40, а максимальное 70 (мас.).

Количество вводимого в шихту углерода определено из критерия растворимости углерода в расплаве металлов и выбрано в пределах от 2 до 9% что обеспечивает получение насыщенного углеродом расплава металлов.

Количество и соотношение оксидов металлов выбрано в указанном интервале значение по результатам опытных работ и обеспечивает как зарождение, так и рост кристаллов алмаза до нужной величины.

Предлагаемый способ позволяет получать крупноразмерные кристаллы алмазов динамическим методом.

Использование: в технологии получения кристаллов алмаза и сверхтвердых материалов для технических целей. Сущность изобретения: смешивают углеродсодержащий материал (в количестве 2-9 мас.%) с термитным составом, состоящим из следующих компонентов, в мас.%: магний метал. - 5-30, алюминий метал. - 10-50, цирконий метал. - 0,1-10, церий метал. - 0,1-5, оксид никеля и/или оксид железа, и/или оксид кобальта 5,8-33, оксид хрома и/или оксид молибдена - 2-15, оксид марганца и/или оксид олова, и/или оксид кремния - 3-20. Полученную шихту переносят в устройство сохранения получаемого продукта, герметизируют его и инициируют начало реакции разогревом смеси. После охлаждения продукты реакции растворяют, отфильтровывают и отделяют образовавшиеся кристаллы алмаза. Способ позволяет получать динамическим методом крупные (до 500 мкм) кристаллы искусственных алмазов для технических целей.

Способ получения искусственных алмазов динамическим методом, включающий приготовление шихты из углеродсодержащего материала и термитной смеси, перенесение шихты в устройство сохранения получаемого продукта, инициирование процесса, охлаждение продуктов реакции и выделение алмаза из плава растворением последнего, отличающийся тем, что готовят шихту следующего состава, мас.

Магний металлический 5 30
Алюминий металлический 10 50
Цирконий металлический 0,1 10,0
Церий металлический 0,1 5,0
Оксид никеля, и/или железа, и/или кобальта 5,8 33,0
Оксид хрома и/или молибдена 2 15
Оксид марганца, и/или олова, и/или кремния 3 20
Углеродсодержащий материал 2 9н