Способ синтеза алмазов Советский патент 1993 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к способам пЬ:лучения синтетических алмазов и мо.жет быть ис.пользовано в абразивной промышленности.

Известен способ непосредственного воздействия на каменно-угольный пек давлением кбар при нагреве до 800-160П°С с выдержкой Т-5 мин.

Недостатком указанного способа является то, что в указанном иНтервале давлений и температур не происходит образования алмазной фазы.

Наиболее близким к изобретению является способ синтеза алмазов, вклю-. чающий термообработку смеси сплавакатализатора с нефтяным или каменноугольным пеком в инертной среде при ЗОО-ПОО С и последуюи1ее воздействие на карбонизированную заготовку, давления 60-G5 кбар при нагреве до 1200I OO C (в области стабильности алмаза.) в течение t-8 с. При этом выход алмаза составляет 25-30 мас. с одного спекания. Зольность алмаза достигает 0,8-1,2 мас.%.

Недостатками указанного с.посрба

являются многостадийност а и невысокий выход монокристаллов алмаза,.значительное содержание в алмазах метал-. лических примесей (т.е. высокая зольность) , что осложняет выделение алмазов из спека. . /

Целью изобретения является упрощеО XI ние процесса синтеза монокристаллов и снижение их зольности.

INJ VI

Поставленная цель достигается тем, что воздействию давления и нагрева в 00 o6jiacTH стабильности алмаза в течеONние 1-5 мин подвергают-заготовку из пека.

Отличие изобретения заключается в том, что в качестве углеродсодержащего материала используют пек и вы- держивают в течение 1-5 мин.

Нефтяной и камменоугольный пек являются смесью угдеводородных молекул, некоторые из которых в результате термической деструкции склонны при указанных давлениях и температурах к кристаллизации в алмазную решетку и, соединяясь, приводят к появлению алмазных заролькией. Этим они отличаются от других углеродсодержащих материалов (коксов, графитов, саж и подобных), имеющих устойчивую кристаллическую решетку углеродных атомов, перестройка которой в алмазную решет ку затруднена. Пределы режимов синтеза определяются Р-Т кривой термодинамической стабильности алмазной решетки. Возможность синтеза алмазов без металлов-катализаторов связана с методом обработки углеводородов под давлением и осуществлением прямого перехода углеводорода в алмаз и графит с выделением водорода. При этом водород, вызывая кратковременное повышение давления в реакционной камере, удаляется через ее стенки и газо проницаемые уплотнения. Деструкция молекул углеводородов начинается в самых горячих точках ячейки. Так как давление превосходит критическое (по кривой .-термодинамического равновесия) , вблизи этих точек образуются возбужденные молекулы и радикалы с ЗРЗ-связями, которые-дают зародыши с алмазной решеткой, а возбужденные MO лекулы ароматических соединений с SP -связями соединяются непосредственно в решетку совершенного термодинамически стабильного графита, минуя стадию кокса и промежуточное энергетическое состояние, свойственное техническому графиту. В таком процессе не требуется применение сплава-катализатора. г фронт алмазсодержащейзоны движет ся от более нагретых к менее нагретым частям камеры. Если по мере деструкции молекул давление в камере удается поддерживать выше критического значения по кривой термодинамического равновесия, то превращение будет полным, В противном случае падение Р приводит к тому, что термодинамически устойчивой окажется решетка графита и дальнейшая деструкция будет сопровождаться графитацией исходного сырья. На чертеже показан общий вид полученного в процессе синтеза алмазсодержащего образца, содержащего три зоны-. Зона 1 состоит из монокристалльных зерен алмаза с правильной огранкой, размером 1-50 мкм, преимущественно 20-30 мкм. Содержание примесей в алмазах не превышает 0,1 мас.%. Зона 2 является переходной и имеет толщину несколько сотых миллиметра. При исследовании дифрактограмм обнаружено, что получаемый материал характеризуется решеткой гексагонального типа. Зона 3 содержит сверхплотный беспористый графит с пик нометрической плотностью,близкой к рентгеновской, межслоевым расстоянием d(,,35 А и полушириной дифракционных линий (А ОО2 - 0,18 ), близкой -к полуширине алмазных линий. П р и м е р 1. Берут каменноугольный пек с содержанием, мас.: углерод 93,02, водород ,75, сера 0,,8, азот 1,41, зола - остальное, с плотностью 1,2-1,3 г/см и температурой плавления l80°C. Затем его расплавляют, заливают в графитовый нагревательный элемент и помещают в камеру высокого давления типа из катлинита. Исходный вес заготовки составляет 65 мг. На заготовку воздействуют давлением 80 кбар и затем нагревают до со скоростью 60 град/с и выдерживают в течение 1 мин. После выключения тока через нагреватель образец охлаждают. При этих параметрах образуется сплошная алмазная зона весом 30 мг, легко отделяемая от графита механическим путем. Идентификацию алмаза проводили по дифракционному спектру рентгеновских лучей, путем исследования сколов образца на сканирующем электронHCJM микроскопе и по абразивным свойствам. БОЛЬШИНСТВО монокристаллов имеет форму правильного октаэдра с острыми гранями и желтоватым оттенком. Встречаются монокристаллы без окраски, с интенсивной оранжевой и красной окраской. Количество металлических примесей (зольность) менее 0,1. Размер монокристаллов 1-50 мкм. Выход алмазов составляет от массы пека. 1 Пример 2. То же, что и в примере 1. На заготовку из каменноугольного пека воздействуют давлением 130 кбар при в течение 5 мин. При этом выход алмазов составляет 50 от массы пека. Зольность алмазов менее 0,1 мас.. Пример 3. В качестве исходного сырья берут- нефтяной пек.. На заготовку из пека воздействуют давлением 80 кбар при в течение 3 мин. Выход алмаза составляет 40 от массы пека. Полученные монокристаллы алмаза имеют такую же характеристику, что и алмазы из каменноугольного пека. Как следует из приведенных примеров, предложенный бескатализный способ синтеза алмазов позволяет получать совершенные по форме монокристаллы алмазов с выходом до 50 мас,% от исходного веса пека с содержанием приме сей не более 0,1 мае./о. Процесс значи ельно проще и дешевле суш,ествую1цих спо 66 собой получения синтетических алмазов с использованием дорогостоящих металлов-растворителей углерода. Кроме того зона, содержащая алмаз, легко механическим методом отделяется от зоны графита (не требуется применения агрессивных кислот). Получаемый в процессе синтеза графит превосходит по качеству известные виды природных и искусственных графитов, его можно использовать в качество эталонного материала в рентгеновских измерениях.

СПОСОБ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ, включающий возлействие высокого давления при нагрёве в области стабильности алмаза с выдержкой на заготовку из угиеродсодержащего материала, от личаю1цийся тем, что, с целью упрощения процесса ..синтеза монокристаллов и снижения их зольности, в качестве углеродсодержащего материала используют пек и выдерживают в течение 1-5 мин.. ,