Способ получения алмаза Советский патент 1991 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к получению промышленных алмазов микронных размеров и может быть использовано в станкоинструментальной, машиностроительной, ювелирной промышленности,, для изготовления алмазных волок, для обработки природных алмазов, рубина, твердых сплавов, керамик и пр.

Известен способ получения алмаза, включающий воздействие давления свыше 100 кбар при высокой температуре на углеродсодержащее вещество в отсутствие катализатора. Общее время нагрева менее 1/2 с. Практически при давлении 100 кбар температура процесса превышает 3000°С. В качестве исходного углеродсодержащего материала используются графиты различных марок и ламповая сажа, хотя возможно применение и таких углеродсодержащих материалов, как уголь, смола, аморфный углерод.

Недостатком известного способа является низкий выход алмаза.

Цель изобретения - повышение выхода алмаза-достигается тем, что при получении алмаза из углеродсодержащего материала в отсутствие катализатора при давлении свыше 100 кбар и высокой температуре в качестве исходного материала используют твердые рентгеноаморфные каустобиолиты, преимущественно керит, антраксолит, бурый уголь, и процесс ведут при 1200-2000°С в течение времени от 1 с до 5 мин. При этом .используют, углеродсодержащий материал зольностью 5-10%.

Повышение выхода алмаза обусловлено тем, что бурые угли, кериты и антраксолиты (средние и низшие) относятся к каустобиолитам низкой степени метаморфизма. Это значит, что их образование в природных условиях происходило при температурах менее 500°С. при которых происходит лишь процесс первичного разложения органического вещества и не наблюдается процесс амортизации. Присутствие же ароматического углерода нежелательно при образовании алмаза путем прямой перестройки структуры при температурах менее .

Свидетельством низкой стегшни метаморфизма используемых каустобиолитов является малое содержание углерода и высокое содержание водородл органической части, что сопровождяется отсутствием Б кастобиолитах элементов кристаллической труктуры или их рентгеноаморфностью.

Предпочтительно использовать рентгеноаморфные каустобиолиты в твердом состоянии, так как это позволяет избежать изготовления специальных герметичных ампул и сохранить общепринятую технологию синтеза.

При этом для повышения выхода алмаза и улучшения качества алмазного сырья следует использовать наиболее чистые каустобиолиты, в которых содержание минеральных примесей невелико и составляет 5-10%.

Бурый уголь, керит, антраксолит характеризует высокая скорость превращения в алмаз (от долей секунды до нескольких секунд). Установлено, что время превращения составляет порядка 1-3 с и его нецелесообразно увеличивать свыше 5 мин, так как увеличения выхода алмаза при этом не про юходит.

Технология способа состоит в следующем.

Твердые рентгеноаморфные каустобиолиты в виде порошка спрессовывают и помещают в нагреватель, затем в уплотнение, выполненное из электротеплоизоляционного материала, например из пирофиллита или литографского камня, и устанавливают вместе с уплотнением в камеру высокого давления. С помощью гидравлического пресса в реакционной зоне камеры создают давление 100 кбар, затем через нагреватель пропускают электрический ток и увеличивают вводимую мощность до тех пор, пока не начинается превращение углеродного материала в алмаз, которое фиксируется по изменению сопротивления реакционной зоны. После окончания процесса превращения температуру, а затем давление снижают и извлекают синтезированный алмаз.

Для осуществления прямого превращения каустобиолитов в алмаз может быть использована любая аппаратура высокого давления, в которой можно создать давление не менее 10 кбар. Оценка этой граничной величины давления проводилась по шкале давления, принятой Международным бюро стандартов в 1968 г.

На практике используют модифицирован |ую аппаратуру типа тороид с диаметром центральной лунки 10 и 25 мм. Предпочтительно использование камеры высокого давления с большим реакционным объемом с целью уменьшения градиентов давления и температуры и увеличения выхода алмаза.

Пример 1. 250 мг керита. на рентге нограмме которого отражения отсутствуют.

зольностью 5%, содержащего в пересчете на горючую массу, мае. %: С 65; Н 10,5; N 0.5; (О + S) 24. помещают в графитовый нагреватель с внутренним диаметром 5 мм (ф1 мм,

Н 12 мм) на высоту 8 мм, установив сверху и снизу графитовые крышки высотой по 2 мм каждая. Эту сборку помещают в уплотнение из литографского камня и устанавливают в модифицированную камеру

высокого давления типа тороид с диаметром центральной лунки 25 мм и диаметром реакционной зоны 7 мм. Затем в реакционной зоне создают давление 115 кбар и с помощью стационарного электрического тока нагревают до 1260°С,эти параметры поддерживают в течение 2 с. После того как рост сопротивления реакционной зоны закончился, температуру уменьшают до комнатной, давление до атмосферного и из

нагревателя извлекают белый порошок, состоящий из кристаллов алмаза размером 1-125 мкм, представляющих собой как отдельные бесцветные прозрачные кристаллы изометрического и пластинчатого габитуса, так и сростки очень мелких алмазов. Рентгенографический анализ подтверждает получение алмаза и показывает отсутствие непрореагировавшего графита. Степень превращения в алмаз 100%.

В примерах 2-4 проводят опыт, как в

примере 1.

Пример 2. В качестве исходного материала используют рентгеноаморфный лигнин зольностью 7%, содержащий в пересчете на горючую массу, мас.%: С 75, Н 5,5; N 1,0, (О + S) 18.5. Степень превращения в алмаз 100%.

Пример 3;В качестве исходного материала используют рентгеноаморфный

антраксолит зольностью 32%, содержащий в пересчете на горючую массу, мас.%: О 8,34; С 89,9; Н 1.16; N 0,7. Время выдержки при параметрах синтеза 1 мин. На рентгенограмме конечного продукта линий непрореагировавшего графита отсутствуют (переходуглерода в алмаз 100%). но помимо алмаза наблюдаются неидентифицированные отражения в области малых углов.

Пример 4. Используют модифицированну(о камеру высокого давления сдиаметром центральной лунки 10 мм и графитовый нагреватель высотой 8 мм и внутренним полым отверстием для исходного материала диаметром 2 мм. Количество керита 24.5 мг,

давление 200 кбар, температура 1400°С, время синтеза 1 с. Выход алмаза 100%.

В примерах 5-8 проводят синтез аналогично примеру 4.

Пример 5. Исходный материал рентгеноаморфный антраксолит. давление

105 кбар, температура 1200°С, время синтеза 5 мин, выход алмаза 80%.

Пример 6. Давление 120 кбар, температура 1600°С, время синтеза 15с. Выход алмаза 98%.

Пример 7. В качестве исходного материала используют смесь керита и лигнина в соотношении 1:1, температура 1800°С, время синтеза 5с. Выход алмаза 98%.

Пример 8. В качестве исходного материала используют плотный матовый бурый уголь зольностью 7%, содержащий в пересчете на органическую часть, мас.%: С 70: Н 5,5; О 23,5; N 1. Выход алмаза 98%.

Проведение синтеза алмаза при таких низких температурах, как 1200-1800°С позволяет повысить стойкость металлокерамических пуансонов и сэкономить дефицитный вольфрам, содержащийся в твердом сплаве.

Полученный продукт не нуждается в химической обработке, непрореагировавший

углерод в нем отсутствует, он не нуждается в дроблении, так как сразу представляет собой порошок алмазных кристалликов размером от 1 до 125 мкм.

Спектральные исследования синтезированных алмазов показали, что благодаря осуществлению прямого перехода каустобиолитов в алмаз их загрязнение металламИ-катализаторами не происходит. Поэтому полученный алмазный порошок будет обладать высокой термостойкостью, которая у алмазов, синтезированных в присутствии катализатора, значительно снижена по сравнению с природными алмазами тех же размеров.

Достоинством способа является также низкая стоимость исходных каустобиолитов, их широкое распространение в природе.

Таким образом, способ позволяет упростить технологию изготовления микро- и шлифпорошков алмаза и снизить их стоимость.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗА, включающий воздействие давления свыше 1.00 кбар и высокой температуры на углерод-содержащее вещество, отличающий- с я .тем, что, с целые повышения выхода алмаза, в качестве углеродсодержащего вещества используют твердые рентгеноамор- фные каустобиолиты, преимущественно керит, антраксолит, бурый уголь, процесс ведут при 1200-2000°С в течение времениот 1 с до 5 мин.2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что используют углеродсодержащий материал зольностью 5-10%.