Способ лазерного синтеза алмазов Советский патент 1993 года по МПК B01J3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, в частности, синтетических алмазов, а также может быть использовано для достижения и исследования высоких степеней сжатия материалов.

Из известных способов наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ создания тонких алмазоподобных пленок воздействием лазерного излучения. В указанном способе воздействием лазерного излучения с интенсивностью q Ю9 Вт/см2 под углом 45° на перемещающуюся графитовую мишень получают алмазоподобную пленку, на подложке из NaCI и стекла, расположенной в 10 см от мишени. Данный способ предназначен для

получения покрытий из алмазоподобных углеродных пленок с удельным сопротивлением 5 10 Ом-см и не позволяет получать синтетические алмазы, так как для превращения графита в алмаз в твердой фазе необходимы давление 150 ... 600 кбар и температура 1200 ... 4500 кК.

Целью изобретения является устранение отмеченного недостатка и разработка способа получения алмазов из углеродосо- держащих материалов облучением лазерного излучения.

1. Приведем пример конкретного выполнения. Лазерное излучение от источника через формирующую систему падает по нормали на поверхность образца из технически чистого графита ( рг - 2,23 г/см3),

VI

00 00 Ю

СА)

имеющего форму пластины. Лазер и формирующая система обеспечивают одновременную подачу на противоположные стороны пластины лазерного импульса с интенсивностью q 10 Вт/см и длительностью г 0,3 не. При этом толщина пластины выбирается равной 1 ... 5 мм, чтобы затухание распространяющейся ударной волны с глубиной не привело к выходу давления и температуры на фронте волны за пределы области устойчивого существования алмазной фазы. Диаметр пятна облучения превосходит в 2 - 3 раза толщину пластины для уменьшения влияния боковой разгрузки на процесс синтеза и обеспечения плоского фронта ударной волны. Размеры пластины превышают диаметр пятна облучения для предотвращения разрушения мишени и уменьшения потерь энергии от лазера. Взаимодействие излучения с веществом пластины приводит к интенсивному испарению поверхностного слоя (порядка нескольких мкм) и в результате образуется разлетающийся плазменный факел, а в материале преграды формируется и распространяется внутрь ударная волна, давление и температура за фронтом которой быстро ( 0,1 не) достигают требуемых для синтеза значений (см. чертеж). На чертеже приведена фазовая диаграмма графита (п-параметры за фронтом ударной волны в различные моменты времени). Одновременное действие давления и температуры в ударной волне приводит к превращению решетки графита в алма зоподобную с плотностью ра 3,1 г/см3.

Взаимодействие встречных ударных волн, движущихся с разных сторон образца, предотвращает их преждевременное затухание и увеличивает размер зоны синтеза «-в 2 раза. После образования плазменного факела на поверхности пластины большая часть лазерной энергии поглощается в плазме, не доходя до мишени, интенсивность ударных волн падает и процесс синтеза прекращается. Поэтому с целью повышения эффективности процесса и качества синтезируемых алмазов после просветления плазмы ( 0,01 - 0,1 мс) воздействие повторяется, Таким образом, введение новых операций - создание давления и температуры в ударной волне с помощью действия лазерного импульса с q 1010 Вт/см2 за время t , одновременное облучение исходной мишени с нескольких сторон и многократное воздействие с

интервалом между импульсами, превышающем время просветления возникающей плазмы, в совокупности с известной последовательностью операций (воздействие высокого давления и температуры на

углеродосодержащий состав) позволяет использовать способ для синтеза алмазов.

Предлагаемый способ обеспечивает достижение преимуществ перед известными в этой области, а именно:

создание условий для получения алмазов в протяженной зоне и тем самым получение алмазов крупных размеров;

повышение эффективности процесса за счет калиброванного подвода энергии в зону синтеза алмазов и тем самым создание условий неразрушения образовавшихся алмазов;

эффективное использование энергии для синтеза алмазов за счет кумуляции

ударных волн в реакционном составе и многократного облучения мишени;

повышение технологичности получения алмазов за счет широкого диапазона создаваемых силовых и температурных нагрузок.

Предлагаемый способ может также использоваться и для получения крупных алмазов из алмазной пыли путем ее спекания при прохождении ударной волны, генерируемой воздействием лазерного излучения.

Формула изобретения

Способ лазерного синтеза алмазов, включающий воздействие высокого давления и температуры на углеродсодержащий состав, отличающийся тем, что, с целью

повышения эффективности процесса и качества синтезирования алмазов, требуемые величины давления и температуры создают в ударной волне, вызванной действием,переходный состав лазерного импульса с

плотностью мощности 1010 Вт/см за время т 10 с, причем осуществляют одновременное облучение исходной углеродосодер- жащей мишени с нескольких сторон многократным воздействием с интервалом

между импульсами, превышающим время просветления возникающей плазмы от предыдущего воздействия.

Использование: способ относится к получению сверхтвердых материалов, в частности синтетических алмазов, а также может быть использован для достижения и исследования высоких степеней сжатия материалов. Сущность изобретения заключается в том, что получение высокого давления и температуры в углеродосодержащем материале осуществляется воздействием импульсного лазерного излучения с плотностью потока g Ю10 Вт/см2 за время т с. В результате эффектов поглощения энергии лазерного излучения, испарения и ионизации, вблизи поверхности образуется горячий плазменный слой, а внутри материала распространяется ударная волна, за фронтом которой реализуются давления и температуры, необходимые для преобразования кристаллической решетки углеродосодер- жащего материала в алмазоподобную. Параметры давления в материале, получаемые от воздействия лазерного излучения, повышаются за счет взаимодействия ударных волн, генерируемых в преграде, при одновременном облучении углеродосодержа- щей пластины с двух сторон и многократном облучении этой пластины. 1 ил. Ё