СПОСОБ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА Советский патент 1995 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, в частности алмазов, и может быть использовано на предприятиях, производящих искусственные алмазы и инструменты из них.

Известен способ синтеза монокристаллов алмаза, включающий воздействие высокого давления и температуры на послойно расположенные в реакционном объеме графит и растворитель с увеличивающейся от слоя к слою по направлению от периферии к центру температурой плавления, причем в каждый из основных слоев растворителя дополнительно вводят разделяющую слой на две части прослойку растворителя с температурой плавления на 40-150^оС меньшей, чем основной слой, в состав растворителя прослойки входят металлы VI-VII групп и легирующие добавки в количестве 0,5-5 мас. например медь.

Способ позволяет увеличить выход алмазов и повысить их механическую прочность по сравнению с алмазами, выращенными без легирующих добавок. Однако теплопроводность кристаллов составляет 400-600 Вт/м˙град К, что не позволяет использовать их в качестве, например, теплостоков. Кроме того, кристаллы содержат по всему объему более 1,5 мас. включений, в основном неориентированной формы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ синтеза алмаза, включающий послойное размещение металла или сплава-растворителя, меди и графита и воздействие давления и температуры, лежащих в области термодинамической стабильности алмаза, причем, слой меди размещают между каждыми из 2 смежных слоев графита и растворителя, и он является разделительной перегородкой между последним и графитом в количестве 1,6 мас. В процессе синтеза частичное плавление металлической перегородки из меди создает возможность для образования алмазных зародышей в отдельных участках с постепенным передвижением участков зародышеобразования по мере расплавления разделительного диска меди. Указанное расположение меди приводит к увеличению размеров получаемых алмазов с одновременным уменьшением количества кристаллов.

Недостатком данного синтеза является то, что он позволяет получать кристаллы алмаза несовершенной формы низкого качества, с большим количеством неориентированных включений (2,5-3,0 мас.) со значительными ступенями роста на гранях. Теплопроводность таких кристаллов около 300-400 Вт/м ˙ град К.

Целью изобретения является повышение теплопроводности монокристаллов алмаза и уменьшение количества включений в них.

Поставленная цель достигается тем, что способ включает последовательное размещение в контейнере камеры высокого давления графита, металла или сплава-растворителя, слоя меди при содержании ее 2-25% от массы растворителя, металла или сплава-растворителя, графита и последующее воздействие давления при температуре в области термодинамической стабильности алмаза.

Отличие способа состоит в том, что слой меди размещают между слоями растворителя при содержании ее 2-25% от массы растворителя.

Слой меди в виде диска или порошка размещают в середине слоя растворителя углерода, между слоем растворителя и слоем графита осуществляется прямой контакт, что при воздействии высокого давления при высокой температуре в области термодинамической стабильности алмаза обеспечивает одновременное появление зародышей алмаза на границе контакта. На последующем этапе наращивания алмаза на зародышах происходит диффузия меди к границе контакта и разбавление растворителя медью, не растворяющей углерод, вследствие чего снижается скорость выделения алмазного углерода из расплава в области термодинамической стабильности алмаза и осаждения на зародышах. Вследствие уменьшения скорости роста количество примесей в получаемых кристаллах минимально, алмазы прозрачные с зеркальными гранями высокого качества с высокой теплопроводностью.

Механизм воздействия меди на процесс синтеза алмазов при указанном способе размещения слоя меди в реакционной шихте действует на любых растворителях углерода.

В качестве растворителей углерода предпочтительно использовать элементы, выбранные из группы Fe, Ni, Co, Mn, Cr в виде отдельных металлов, их смесей или сплавов-растворителей из-за их высокой способности раствоpять углерод в значительных количествах, позволяющих обеспечивать высокую степень превращения графита в алмаз в условиях термодинамической стабильности алмаза. В качестве растворителя углерода также могут быть использованы смеси или сплавы металлов с углеродом или карбидами с целью понижения параметров синтеза. Графиты могут быть использованы, например, марок С-3 МГ-ОСЧ, ГМЗ-ОСЧ, ЭГ-1.

Содержание меди 2-25 мас. по отношению к массе металла или сплава-растворителя углерода определенно экспериментально. При этом соотношении либо не достигается цель изобретения, либо снижается выход алмазов.

П р и м е р. В цилиндрическое реакционное пространство контейнере с внутренним диаметром 15 мм, выполненного из литографского камня, помещают графитовый диск (графит марки МГОСЧ) диаметром 15 мм, толщиной 1,5 мм, весом 0,4 г, затем помещают слой стружки сплава-растворителя Ni-Mn-C (Ni 47 мас. С 0,9 мас. Mn остальное) в виде фракции 1000-500 мкм в количестве 0,6 г, слой меди в виде фольги весом 0,06 г, слой стружки сплава-растворителя, описанного выше, в количестве 0,6 г, затем графитовый диск диаметром 15 мм, толщиной 1,5 мм указанной марки весом 0,4 г. Содержание меди составляет 4,75 мас. содержание растворителя 95,25 мас.

Заполненный контейнер помещают в устройство высокого давления, затем в аппарат высокого давления и высоких температур и подвергают воздействию давления 40,5 кбар и температуры 1200^оС в течение 20 мин.

Продукт синтеза представляет собой смесь металлов, алмаза и остаточного графита, последний удаляется окислением, например, кислородом воздуха. Металлы удаляются растворением, например, в азотной кислоте.

В результате превращение графита в алмаз составляет 40,6 мас. от массы используемого графита.

Полученные алмазы светло-желтого цвета имели правильную кристаллографическую форму кубооктаэдров с зеркальными гранями. Партия представлена кристаллами без видимых под микроскопом включений при увеличении в 80 раз и с ориентированными точечными включениями в виде прерывистых линий, сходящихся в центре кристалла. Содержание включений в алмазах менее 0,3 мас. по всем зернистостям.

Содержание алмазов фракций 800/630 315/250 мкм, составляющих 66,2 мас. от веса всей партии алмазного сырья, приведено в табл.1.

Прочность алмазов фракции 400/315 мкм составляет 14,4 кг, т.е. в 2,5 раза выше прочности алмазов марки АСС.

Аналогично технологии, изложенной в примере, был осуществлен ряд опытов, результаты которых приведены в табл.2.

Как следует из результатов, изложенных в табл.2, способ синтеза позволяет получать прозрачные кристаллы алмаза с зеркальными гранями либо только с видимыми ориентированными включениями точечного типа в виде пересекающихся в центре кристалла прерывистых линий, либо из видимых с помощью микроскопа включений. Содержание включений в кристаллах алмаза менее 0,9 мас. т.е. в 2,5-3 раза ниже, чем по прототипу. Теплопроводность алмазов 1000-1200 Вт/м ˙град К, т.е. в 3-4 раза выше, чем по прототипу.

Полученные алмазы высокого качества могут быть использованы также для изготовления бурового инструмента (долот, буровых коронок), пил для распиловки твердых пород камня, карандашей для правки шлифовальных кругов и т.д. т. е. эти алмазы могут использоваться в инструментах на металлической связке, где всегда требуются высокие температуры для спекания алмазоносного слоя. Прочность получаемых алмазов в 2,5 раза превышает прочность алмазов марки АСС соответствующих зернистостей по ГОСТу 9206-70.

СПОСОБ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА, включающий послойное размещение в контейнере камеры высокого давления металла или сплава-растворителя, меди и графита и последующее воздействие давления при температуре в области термодинамической стабильности алмаза, отличающийся тем, что, с целью повышения теплопроводности и уменьшения количества включений в кристаллах, слой меди размещают между слоями растворителя при содержании ее 2-25% от массы растворителя.