СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ АЛМАЗОВ Российский патент 2016 года по МПК B01J3/06 C01B31/06 C30B29/04 

Изобретение относится к области производства сверхтвердых материалов на основе углерода, а именно искусственных алмазов, которые могут быть использованы в тяжелой промышленности.

Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе углерода путем воздействия высокого давления и температуры на исходный углеродный компонент, в качестве которого используют алмаз и связующий компонент, при этом углеродный компонент дополнительно содержит фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: сплав кремнистая бронза, сплав монель, твердый сплав. Получение материала проводят в два этапа, на первом из которых на смесь исходных компонентов воздействуют динамическим давлением 10-50 ГПа при температуре 900-2000°C, а на втором - полученный материал помещают в аппарат высокого давления и воздействуют статическим давлением от 5 до 15 ГПа и нагревают до температуры 700-1700°C в течение не менее 20 секунд [RU 2491987; МПК: B01J, C01B, C04B, 2013].

Недостатком этого способа является двухступенчатость получения алмаза под давлением, присутствие связующего вещества и достаточно высокое давление на первом этапе получения.

Известен способ получения алмаза, включающий сжатие углеродсодержащего материала до достаточной величины и его нагрев с последующей выдержкой при температуре и давлении синтеза. В качестве углеродсодержащего материала используют фуллерен различного молекулярного веса (от C₃₂ до C₈₄). Величина основного давления может достигать 15-25 ГПа. Сжатие образца может осуществляться как в гидростатических, так и в негидростатических условиях. Давление может быть снижено нагревом до температуры ниже 1000°C [WO 93/02012; МПК C01B 31/00, 1993].

Недостатком данного изобретения является слишком высокое давление, при котором получают искусственные алмазы.

Известен способ получения искусственных алмазов, который включает воздействие на порошок фуллерена, размещенный между двумя слоями графита общей массой около 10% от массы фуллерена, давлением в 6,7 ГПа и нагревом до температуры 1200-1850°C с катализаторами: никель, кобальт и сплав кобальта [Bocquillon G., Bogicevie С., Fabre С., Rassat А. - C₆₀ Fullerene as Carbon Source for Diamond Syntesis. - Journ. Phys. Chem. - 1993, v. 97, p. 12924-12927].

Недостатком данного способа является высокая температура получения и присутствие металлов-катализаторов, которые занимают определенный объем, уменьшая количество получаемого искусственного алмаза.

Известен способ получения новых сверхтвердых материалов из фуллерена C-60 [РФ 2127225; C01B 31/06, 1996]. В патенте представлен сверхтвердый углеродный материал, способ его получения и изделие, выполненное из углеродного материала. В качестве исходного углеродного материала используют фуллерен C60, на который воздействуют квазигидростатическим давлением 7.5-37 ГПа и температурой 293-2103 K. При воздействии на исходный фуллерен давления и температуры происходит полимеризация молекул или фрагментов молекул фуллерена.

Недостатком метода является то, что в итоге получается аморфное соединение углерода.

Известен, наиболее близкий к представляемому, способ получения искусственных алмазов, включающий воздействие на графит с фуллереном и катализатором давлением в пределах 5.5 ГПа и нагревом в области стабильности алмаза с последующей выдержкой при давлении и температуре синтеза, отличающийся тем, что фуллерен вводят в количестве 10^-2-6·10^-1 мас. % от массы графита, при этом фуллерен вводят в виде фуллеренсодержащей сажи или в виде экстракта фуллеренов и распределяют в массе графита [RU 2131763; МПК B01J 3/06, C30B 29/04, C01B 31/06, 1999].

Недостатком данного способа является то, что фуллерен вводят в виде фуллеренсодержащей сажи или в виде экстракта фуллерена, что требует ввода фуллерена в сажу.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа получения искусственных алмазов, который бы обеспечивал высокий выход алмаза без металлов-катализаторов при пониженных давлениях, не превышающих 5,0 ГПа.

Отличием способа является то, что фуллерен C60 перед загружением выдерживается 30 минут в токе водорода, фуллерен, выдержанный в токе водорода, один или смешиванный с поли[гидридо(H)карбином], подвергается давлению и нагреву. Давление получения искусственного алмаза 3-5 ГПа, температура 973-1173 K, без какого-либо металла-катализатора.

После снятия давления и охлаждения полученный продукт контролируется рентгенофазовым анализом (РФА) и инфракрасной спектроскопией (ИК). Выход искусственного алмаза составляет 65-90%.

Пример 1. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем в импульсном режиме нагружается давлением 5.0 ГПа и нагревается до температуры 973 K. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 60%.

Пример 2. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 5.0 ГПа и нагревается до температуры 1073 K. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 61.2%.

Пример 3. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 4.5 ГПа и нагревается до температуры 973 K. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 71.2%.

Пример 4. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 4.5 ГПа и нагревается до температуры 1173 K. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 82.2%.

Пример 5. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн, нагружается давлением 4.0 ГПа и нагревается до температуры 973 K. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 71,7%.

Пример 6. 0.3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 4.0 ГПа и нагревается до температуры 1073 К. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 78.1%.

Пример 7. 3 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме нагружается давлением 4.0 ГПа и нагревается до температуры 1173 К. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 86,1%.

Пример 8. 0.15 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", смешивают с 0.25 г поли[гидридо(Н)карбина]. После этого закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 3.0 ГПа и нагревается до температуры 973 К. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 79%.

Пример 9. 0.15 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", смешивают с 0.25 г поли[гидридо(Н)карбина]. После этого закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 3.0 ГПа и нагревается до температуры 1073 К. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 80%.

Пример 10. 0.15 г фуллерена, предварительно выдержанного в течение 30 минут в токе водорода в проточной микроустановке в импульсном режиме на хроматографе "CHROM 5", смешивают с 0.15 г поли[гидридо(Н)карбина]. После этого закладывают в контейнер из пирофиллита и помещают под пресс усилием 5 тонн. Затем нагружается давлением 3.0 ГПа и нагревается до температуры 1173 К. После нахождения под давлением при температуре продукт синтеза извлекается и методом РФА определяется степень превращения фуллерен - алмаз. Выход алмаза составил 82%.

Как можно видеть из примеров и таблицы, выход искусственных алмазов достаточно высок и составляет более 60% при давлениях ≤5 ГПа и температурах ≤1173 К в отсутствие каких-либо дополнительных веществ-катализаторов, причем более высокий выход искусственных алмазов получается при более низком давлении.

Изобретение относится к получению искусственного алмаза, который может быть использован в тяжелой промышленности. Перед загрузкой в пресс фуллерен С60 выдерживают в течение 30 минут в потоке водорода, затем помещают в контейнер из пирофиллита один или вместе с поли[гидридо(Н)карбином] в соотношении 1:1, а затем нагружают квазигидростатическим давлением 3-5 ГПа при температуре 973-1173 К. Получение искусственных алмазов не требует присутствия каких-либо металлов-катализаторов, которые уменьшают объем, занимаемый фуллереном в контейнере, а также не требует очистки полученных искусственных алмазов от металлов. Преимущество способа заключается также в том, что фазовый переход в алмаз происходит при более низких давлениях и температурах при выходе не менее 65%. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 пр.

1. Способ получения искусственных алмазов, заключающийся в том, что углеродсодержащий материал, а именно фуллерен C60, подвергают действию высоких квазигидростатических давлений 3-5 ГПа и температуры 973-1173 K, отличающийся тем, что перед помещением фуллерена под пресс фуллерен в течение 30 минут находится в потоке водорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед воздействием на углеродный материал высокими давлением и температурой фуллерен C60, выдержанный в токе водорода, смешивают с поли[гидридо(H)карбином].

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что фуллерен смешивают с поли[гидридо(H)карбином] в соотношении 1:1.