Способ получения алмазов Советский патент 1991 года по МПК B01J3/06 C30B29/04 

Изобретение относится к получению искусственных твердых материалов в частности алмазов методами взрывного формирования твердых тел из порошковых материалов и предназначено для получения крупных алмазов для промышленных и ювелирных целей например для использования их в качестве накатывающих и режущих рабочих органов при механической обработке металлов в бурильной технике а также в качестве драгоценных камней

Цель изобретения - повышение эффективности взрыва и удешевление процесса

На фиг 1 показана операция загрузки углеродсодержащего материала в капсулу из пирексового стекла на фиг 2 - процесс герметизации капсулы, на фиг 3 - капсула, в которой взры в инициируют с помощью плавящейся проволочки на фиг 4 - установка

с капсулой внутри емкости с жидким взрывчатым веществом в которой взрыв инициируют от кварцевого пьезокристалла размещенного вне капсулы на фиг 5 - взрывная камера в которой размещена установка представленная на фиг 4

В капсулу 1 (фиг 1) из пирексового стекла с электродами 2 в виде трубок из ниобия или его сплава с помощью воронки 3 засыпают химически чистый углерод 4 получен- ный методом электрохимического разложения соединений углерода Для исключения просыпания порошка углерода через нижний трубчатый электрод в нем предварительно устанавливают фильтр 5 из пористого материала Электроды 2 впаяны в капсулу 1 при ее изготовлении Коэффициент термического расширения ниобия и его сплавов мал, поэтому растрескивание стекО Јь 4 Ю Ю О

ла при- прогреве капсулы в местах входа в нее электродов исключено.

Ниобий или его сплавы могут быть заменены танталом или его сплавами, что возможно даст больший эффект.

После заполнения капсулы порошкообразным углеродом к ее электродам присоединяют полюса источника электрического напряжения 6 (фиг. 2), служащего для прогрева сырья с целью его дегазации, через выключатель 7. На концы трубчатых электродов 2, например, методом навинчивания одевают патрубки 8 и 9 вакуумной линии и линии продувки гелия с запорной арматурой. Предварительно в оба трубчатых электрода должны быть вставлены фильтры 5 для предотвращения уноса порошка из капсулы при продувке и вакуумировании. Ваку- умированиг и продувку межчастичного обьема капсулы, составляющего до 25% от ее объема, производят с одновременным прогревом порошка умеренной величины электрическим током, в зависимости от выбранной длительности дегазации, определяемой экспериментально. Целью дегазации является удаление с частичек порошка адсорбированных молекул компонентов воздуха - кислорода, азота, углекислоты и других, которые в процессе сжатия порошка взрывом могут помешать кристаллизации алмазов, а также образовать инородные включения в кристаллах в виде пузырьков газа или дислокаций, что значительно ухудшает качество готовой продукции.

По окончании дегазации линию гелия перекрывают, и с помощью вакуумных насосов создают в капсуле вакуум порядка -10 мм рт.ст. Электроды в дальнейшем используют для прогрева углеродсо- держащего сырья путем пропускания сильного электрического тока через сырье непосредственно .перед обжатием его взрывом, При этом возможно использование тока высокой частоты, который, проходя через порошкообразный графит, не только нагревает его, но и создает ультразвуковые колебания, причем ультразвук, выходя из капсулы в окружающее его взрывчатое вещество, вызывает детонацию последнего. Для упрощения введения в углеродсодер- жащее сырье катализатора электроды полностью или частично изготавливают из ниобия, тантала или одного из их сплавов, но возможно покрытиэ внутренней поверхности стеклянной капсулы зеркалом из названных металлов.

В альтернативном решении (фиг. 3) через трубчатые электроды 2 в капсулу 1 перед ее заполнением углеродным порошком 4

вставляют проволочку 10 из ниобия, тантала или их сплавов. Электроды при этом могут изготавливать из любого металла, например из обычной стали, а проволочка должна

быть припаяна на концах электродов с внутренней стороны. После окончательного ва- куумирования концы электродов пережимают и запаивают для исключения поступления воздуха в межчастичный объем

капсулы.

В качестве еще одного альтернативного решения можно предложить проволочку 10 изготавливать не из ниобия или тантала, а например, из меди или серебра с покрытием

ниобием только очень малой ее части в центре капсулы известными методами, например электролитическим осаждением. В этом случае не только экономится дорогой металл, но могут быть получены наиболее

крупные алмазы.

Электроды 2 капсулы 1 присоединяют к источнику 11 рабочего прогрева через выключатель 12 и помещают капсулу в стакан 13. куда предварительно на дно опускают

пьезокристалл 14 (один или два), служащий источником ультразвука, присоединенный обкладками к источнику 15 тока высокой частоты, например 750 кгц, через выключатель 16. Затем стакан 13 заполняют почти

доверху треххлористым азотом. Форма капсулы выбрана не случайно, так как сферическая капсула не соответствует цели получения алмазов, потому что кристаллическая структура алмаза далека от сферической. Наиболее благоприятные условия достигаются при биконоидальной форме, при которой кумулятивный эффект выше, чем при сферическом сжатии. Форма сжимающей оболочки должна быть наиболее

близкой к форме получающихся кристаллов. Биконоидальная форма капсулы образуется двумя одинаковыми коническими воронками, сложенными их основаниями.

Наиболее просто создать кумулятивную

полость в центре заряда методом простого погружения биконоидальной капсулы в жидкое взрывчатое вещество. Такой заряд может работать как кумулятивный только в том случае, емсли детонация в нем будет

инициироваться с поверхности или по всему объему равномерно распределенными детонаторами, а такие детонаторы появляются при облучении заряда ультразвуком.

Треххлористый азот N С1з образуется при действии хлора на раствор NH4CI по следующей реакции замещения водорода хлором:

NH4CI+3CI2 4H ОМ-

Это желтая маслянистая, нерастворимая в воде, очень легко взрывающаяся жидкость, с температурой плавления -27°С и температурой кипения +71°С.

Форма капсулы 1. помещенной в трех- хлористый азот 17 (фиг. 4) создает кумулятивную полость в жидком взрывчатом веществе, на которую воздействует взрыв небольшого количества сравнительно маломощного взрывчатого вещества, но этот взрыв усилен ускорением процесса в тысячу раз, за счет многоцентровой объемной детонации, вызванной ультразвуком. Оболочка капсулы под воздействием кумулятивного взрыва сжимается (схлопывается) внутрь с большой начальной скоростью, производя сжатие предварительно нагретого электрическим током углеродсодержащего сырья.

В целях безопасности обслуживающего персонала, а также для усиления еще более взрывного воздействия на капсулу стакан 13 с его содержимым помещают в емкость 18 (фиг. 5), заполненную диэлектрической жидкостью 19, например минеральным маслом или водой. Жидкость препятствует раз- лету продуктов взрыва взрывчатого вещества, тем самым усиливая их воздействие на сжимаемую капсулу (увеличивает время удержания давления и температуры), а кроме того, препятствует разлету получа- ющихся алмазов. Стенка же взрывной камеры 20 служит для безопасности персонала и частично для исключения разлета алмазов и имеет дверь 21 для обслуживания и для извлечения готовой продукции, кроме того, стенка снабжена вытяжной трубой 22, связанной с насосами и средствами для утилизации хлора (не показаны).

На фиг. 5 показано только присоединение электродов капсулы к источнику 15 вы- сокого напряжения ультразвуковой частоты и не показано размещение кварцевых пье- зокристаллов, так как длячинициирования взрыва заряда треххлористого азота может оказаться вполне достаточным ультразву- ковых колебаний, возникающих в капсуле под воздействием высоковольтной высокочастотной дуги Такая дуга временно возникает в разреженной среде между порошкообразными частицами, а затем поддерживается в паровой фазе из металла или углерода. Эта дуга вызывает появление ультразвука подобно тому, как поющая дуга звуковой частоты. Ультразвук из капсулы проникает в обьем взрывчатого вещества, вызывая в нем объемную мнсгоцектровую детонацию. Таким образом, при достаточной силе тока для инициирования взрыва треххлористого азота специального излучателя ультразвуковой частоты может не потребоваться.

В образовавшейся между электродами дуге часть .материала капсулы нагревается до 3-4 тысяч градусов, прежде чем разовьется многоцентровая объемная детонация заряда треххлористого азота, так как задержка перед взрывом после начала облучения ультразвуком 9-10 с. Затем взрывом электрические вводы разрушаются, и процесс нагрева далее идет за счет сжатия . практически адиабатически, без притока энергии извне, но и без потерь, так как длительность охлопывания стенок капсулы не более нескольких микросекунд. До этой точки углерод находился в мелкодисперсном состоянии у-фазы графита, наподобие сажистых частиц. При сжатии и адиабатическом нагреве происходит расплавление материала и переход его в жидкую фазу, которая продолжает сжиматься. Давление в материале капсулы в конечной стадии сжатия не превышает 300000 атм., что вполне достижимо при кумулятивном взрыве, а температура может подняться значительно выше 4500°С, так как материал предварительно нагрет высокочастотной дугой, т. е. становится выше точки плавления углерода. При таких условиях плотность жидкой фазы углерода выше плотности графита (2,22 г/см3), но она еще пока меньше плотности алмаза (3,51 г/см ). После достижения максимума сжатия идет процесс расширения и одновременного охлаждения вещества, так как при высоких температурах очень велики потери на излучение. При наличии катализатора кристаллизации (ниобия, тантала) обязательно совершается фазовый переход из жидкого состояния в (7-фазу, т. е. в фазу кристаллического алмаза, который протекает при выделении тепла

При осуществлении предлагаемого способа не требуется дорогой аппаратуры, взрывчатого вещества требуется значительно меньше, стоимость его не выше, чем про- мышленных взрывчатых веществ, производство его достаточно легко мож&г бы.ть налажено промышленностью, а изготовление кумулятивных зарядов достаточно просто. Выход мелких алмазов на один взрыв при этом может достигать десятков, а возможно и сотен грамм, В качестве взрывной камеры может использоваться недорогое помещение, т. е. и капитальные затраты невелики. При втором цикле взрывного сжатия углеродсодержащего материала, в качестве которого используются уже мелкие алмазы и алмазная пыль, вероятность получения крупных алмазов (ювелирного качества) значительно выше, чем удругих спосо бов.

Алмазная пыль представляет собой наиболее чистое углеродсодержащее сырье. Ее нужно очистить от других примесей, в основном механическими способами. Кроме того, алмаз не подвержен действию ни кислот, ни щелочей. От следов катализатора алмазную пыль можно очистить методами травления и промывки, а сами мелкие искусственные алмазы для улучшения их качества после этого можно подвергнуть отжигу в вакууме, после чего они представляют собой идеально чистое углеродсодержащее сырье для дальнейшей обработки по описанной техноло ии,

Для этого алмазную пыль или песок после очистки от примесей и катализатора снова загружают в капсулу (фиг. 3), в которой электроды перемыкают графитовым стержнем, прогревают путем пропускания по нему электрического тока с одновременным продуванием гелия через трубчатые электроды (дегазация), затем вакуумируют, создают кумулятивный заряд заливкой капсулы в стаканетреххлористым азотом и подвергают это сверхчистое сырье взрывному обжатию. При этом роль предварительного прогрева высокочастотной электрической дугой перед взрывом особенно велика, так как алмазная фаза самая плотная фаза углерода. Материал при этом уже сжат силами межатомных кристаллических связей, которые сжимают материал больше, чем это возможно с помощью сходящихся ударных волн взрыва. При таком повторном сжатии капсулы с алмазами возможно только сжатие межкристаллического объема, и если не производить предварительный прогрев электрической дугой, то существующие-мел- кие кристаллы алмаза будут только спекаться в поликристаллическую массу (карбонадо). Чтобы этого не произошло нужен нагрев, так как расплавление и фазовые переходы из алмазной фазы обратно в жидкий графит происходят с поглощением тепла, и энергии диссипации ударной волны для этого недостаточно. Однако, даже с помощью сильной электрической дуги расплавление всех мелких кристаллов в капсуле практически невероятно. Жидкая фаза обязательно будет граничить с алмазной в виде мелких кристаллов, а при охлаждении,

так как катализатор кристаллизации отсутствует, жидкая фаза обеспечит рост.мелких кристаллов, чем и обеспечит получение алмазов ювелирного качества.

Таким образом, из множества мелких

алмазов при вторичном проведении сжатия в точном соответствии с предлагаемой технологией можно получить небольшое количество крупных. При этом стоимость искусственных алмазов меньше, чем по способу-прототипу.

Формула изобретения

1.Способ получения алмазов, включающий загрузку углеродсодержащего материала с добавкой металлического катализатора в капсулу, ее вакуумирование, герметизацию, размещение капсулы внутри кумулятивного заряда из взрывчатого вещества и его детонацию с созданием высокого

давления и температуры в капсуле, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности взрыва и удешевления процесса, для взрыва используют капсулу бико- ноидальной формы и взрывчатое вещество,

чувствительное к детонации ультразвуком, и взрыв инициируют от источника ультразвука.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника ультразвука

используют кварцевый пьезокристалл, размещенный вне капсулы.

3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что взрыв инициируют с помощью плавящейся проволочки, размещенной в капсуле и соединенной через электроды с источником тока высокой частоты.

4.Способ по п, 3, отличающийся тем, что проволочку изготавливают из металлического катализатора или содержащего его сплава.

5.Способ по пп. 1-4, отличающий- с я тем, что а качестве углеродсодержащего материала используют предварительно синтезированные алмазы.

(Гелий )

Изобретение относится к получению искусственных твердых материалов методом взрыва и может быть использовано для получения алмазов как промышленных так и ювелирных Обеспечивает повышение эффективности взрыва и удешевление процесса Способ включает загрузку углеродсодержащего материала с добавкой 9 , - Z ;ч } .- S j ( у fН катализатора в капсулу ее &акуумИфоЈаняе герметизацию размещение капсулы внутб&Р кумулятивного заряда из взрывчатого вещества и его детонацию с созданием высокого давления и температуры в капсуле Для взрыва используют капсулу биконоидаль- ной формы и взрывчатое вещество чувствительное к детонации ультразвуком от которого инициируют взрыв Взрыв можно инициировать от пьезокристалла размещенного вне капсулы или от плавящейся проволочки размещенной в капсуле и соединенной через электроды с источником тока высокой частоты В качестве взрывчатого вещества используют треххло- ристыи азот 5 ил;

to./

№.5

Ofo.Ј

/