СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВЫСОКОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК B01J3/06 C01B31/06 C30B29/04 

Способ получения монокристаллов высокотвердых материалов

Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов, в частности монокристаллов алмаза, методом одноразового сдавливания в ограниченном пространстве порошковых материалов без катализаторов при квазиравновесном термодинамическом состоянии системы за счет изменения объема рабочего тела - кремния жидкофазного в кремний твердофазный кубической модификации и удержания состояния системы до полного диффузионного аллотропического превращения графита в алмаз (Свойства элементов, т. 1. Физические свойства. Справочник под ред. Г.В.Самсонова. М.: Металлургия 1976, 1086 с.).

Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов из порошков: карбидов вольфрама, молибдена, кобальта, бора; нитридов бора, углеродсодержащего материала - доменного графита, сажи, ископаемого графита, а также синтезированного углеродсодержащего вещества - фуллерена (имеющего крупную объемноцентрированную кубическую решетку).

Известен способ получения монокристалла алмаза путем воздействия высокого давления и температуры в области термодинамической стабильности алмаза на реакционный объем (А.С. СССР №1605491, 1988).

Недостатком указанного способа является предварительное печное вакуумирование катализатора и послойное расположение катализатора и графита, что исключает образование крупных и чистых ювелирных монокристаллов алмаза, низкий выход годного продукта, весьма сложное оборудование.

Известен способ получения алмазов, включающий воздействие на карбонилы вольфрама и молибдена давлением (30-60 бар) и температуры (См. А.С. №1264521, 1983).

Недостатком этого способа является сложное оборудование, большие энергозатраты, отсутствие возможности регулирования процесса равновесного термодинамического перехода графит-алмаз, мелкие фракции алмаза, низкий выход годного продукта.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ получения алмаза обработкой углеродсодержащего материала (термообработанная канальная сажа) под давлением 100-200 Кбар и температуре 1200-2000°С (А.С. СССР №853956, 1970).

Недостатком способа является сложное и дорогостоящее оборудование для получения давления и температуры, невозможность регулирования процесса термодинамического перехода графита в алмаз, низкий выход годного продукта.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является получение стабильных, регулируемых условий температуры и давления, необходимых для некаталитического синтеза алмаза и других высокотвердых материалов.

Техническим результатом изобретения является повышение качества, увеличение размеров монокристаллов, снижение трудоемкости синтеза высокотвердых материалов. Он достигается способом, включающем загрузку чистого углеродсодержащего сырья в капсулу из вольфрама и ее нагрев, при этом нагретую капсулу заполняют жидким кремнием и герметично закрывают, после чего снижают температуру от 1750 до 1700К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 часов.

Пример 1. Сырье - порошковый материал карбид бора фракции 1-5 мкм - помещают в центральную часть металлической капсулы, которую нагревают в печи и при температуре 1750 К заполняют рабочим телом - жидким кремнием, после чего герметично закрывают крышкой с клиновым затвором. Охлаждение от 1750 до 1700 К осуществляют в течение 30-40 мин. При 1713К идет затвердевание кремния и его плотность изменяется от 2,52 до 2.3 г/см³ (Физические величины. Справочник под ред. Григорьева И.С. М.: Энергоиздат, 1991, 1233 с).

Упругий материал плотно закрытой капсулы сдерживает увеличение объема кремния и развивает давление в капсуле до 12.5-20.0×10⁹ МПа. При охлаждении от 1700 К до комнатной температуры в течение 6 часов происходит самопроизвольный диффузионный процесс синтеза кристаллов карбида бора. После охлаждения и снятия давления производят очистку готового продукта от кремния и сортировку по фракциям.

Синтезирован высокотвердый материал из углеродсодержащего сырья - карбида бора фракции 400-450 мкм с твердостью 22000 МПа. Выход годного продукта по отношению к исходному материалу составил 57%.

Пример 2. Сырье - порошковый графит в количестве 10 моль (120 г) - компактно помещают в центральную часть капсулы и нагревают до температуры 1750+50 К. Прогретая капсула заполняется жидким кремнием и герметично закрывается крышкой, что фиксирует внутренний объем полости капсулы, и помещается в шахтную печь, нагретую до температуры 1800 К. Охлаждение капсулы в печи от 1750 до 1700 К осуществляют за 40 мин, дальнейшее охлаждение до комнатной температуры - за 6 часов.

В процессе затвердевания кремния происходит увеличение молярного объема, а так как капсула изготовлена из вольфрама, ее упругая деформация развивает давление значительно выше линии термодинамического равновесия графит - алмаз. Происходит самопроизвольный диффузионный процесс синтеза алмазов.

После охлаждения и разборки капсулы производят очистку готового продукта. Выход алмазов составил 24% по отношению к объему обрабатываемого графита, средний размер фракции равен 40 мкм.

Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов, в частности алмазов, и может быть использовано в инструментальной промышленности, механической обработке металлов, в бурильной технике. Способ осуществляется методом сдавливания порошковых углеродсодержащих веществ в области квазиравновесного состояния системы графит-алмаз и медленном охлаждении в зоне термодинамической стабильности алмаза или другого синтезируемого материала. Нагретую капсулу из вольфрама с чистым углеродсодержащим сырьем заполняют жидким кремнием при температуре 1750 К, герметично закрывают, после чего снижают температуру до 1700 К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 час синтеза высокопрочных материалов. Технический результат изобретения состоит в повышении качества, увеличении размеров монокристаллов, а также в снижении трудоемкости процесса. Получены монокристаллы карбида бора фракции 400-450 мкм, алмаза фракции 40 мкм. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения монокристаллов высокотвердых материалов, включающий загрузку чистого углеродсодержащего сырья в капсулу из вольфрама и ее нагрев, отличающийся тем, что нагретую капсулу заполняют жидким кремнием и герметично закрывают, после чего снижают температуру от 1750 до 1700 К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 ч.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотвердым материалом является алмаз.