Verfahren zur Herstellung von Diamant aus Graphit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Diamant aus Graphit oder amorphem Kohlenstoff.
Es ist schon vor sehr langer Zeit versucht worden, Diamanten herzustellen, aber stets mit negativem Er folg. Erst in jüngster Zeit ist es der General Electric Company in USA gelungen, sehr kleine Diamanten von etwa 0, 1 Karat bei Anwendung von sehr hohen Drucken bis etwa 140000 at und bei einer Temperatur von etwa 2700 C anzufertigen.
Um die Schwierigkeiten, die sich bei der Herstellung von Diamanten entgegensetzen, abschlätzen zu können, sei auf das Phasendiagramm des Kohlenstoffes gemäss Fig. 1 hingewiesen, das teilweise auf theo- retischen Betrachtungen und teilweise auf Versuchen beruht. Obwohl man aus diesem Phasendiagramm schliessen könnte, dass die Umwandlung von Graphit in Diamant leicht sei, da bei Zimmertemperatur nur ein verhältnismässig niedriger Druck von 14000 at erforderl, ich zu sein scheint, ist dies keineswegs der Fall, da noch weitere Bedingungen erfüllt werden müssen (siehe aber die Synthese der Diamanten von Prof. Dr.
A. Neuhaus, Bonn, Zeitschrift für angewandte Chemise , 1954, Seiten 525-536).
Theoretische Oberlegungen führen zu der Schlussfolgerung, dass es zur Umwandlung von Graphit oder amorphem Kohlenstoff in Diamant nicht genügt, eine solche Kombination von Druck und Temperatur anzuwenden, bei der das stabile Gebiet von Diamant (Fig. 1) erreicht wird, sondern, dass es auch erforderlich ist, die keimbildende Energiep des Diamanten zu erniedrigen, beispielsweise durch Einverleibung von Diamantsplittern oder eines Stoffes, der in der Struktur dlem Diamant verwandt ist. Dies ist stets notwendig, wenn die Kombination von Druck und Temperatur in der Nähe des tYbergangspunktes (Fig. 1) liegt.
Wegen der ausserordentlichen Stärke des Kristallgitters des Graphites ist die Temperatur, die zur Erleichterung einer Lageänderung erforderlich ist, sehr hoch. Im geschmolzenen Kohlenstoff, das heisst bei 40000K, sind grosse Strukturkomplexe immer noch vorhanden und sogar im gasförmigen Kohlenstoff sind ausser C-Atomen noch C2-Moleküle vorhanden, deren Kombinationsfestigkeit viel höher ist als beim Diamant.
Die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zur Herstellung von Diamant ist von grosser Wichtigkeit.
Aromatische oder graphitische Gruppen von Kohlenstoff und das C2-Molekül z. B. eignen sich nicht, während sich atomarer Kohlenstoff ausgezeichnet eignet.
Als Alternative für die Anwendung äusserst hoher Temperaturen lassen sich zur Erleichterung der Lage änderung auch geeignete Mineralisatoren, wie Borate, Fluoride, Chloride, verwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass man Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltendes Material dem bei der Explosion eines Sprengstoffes entstehenden Druck aussetzt.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bestimmten Vorrichtungen schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt das Phasendiagramm des Kohlenstoffes.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung im Querschnitt mit einer auf einen Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Körper gerichteten formgebundenen Ladung.
Fig. 3 und 4 zeigen Querschnitte von zwei solchen in einem Gehäuse angeordneten Körpern, während
Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausfüh- rungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Diamant darstellt.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 ist mit 1 eine Sprengstoffladung beispielsweise aus Pentolit bezeichnet, die mit einer kegelförmigen Vertiefung mit einem Futter 2 und einer Entzün- dungsladung 3 versehen ist. Koaxial mit der Hohlladung befindet sich das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material 5, das in einem Ge häuse 4 untergebracht ist. Die Befestigung dieses Materials 5 im Gehäuse 4 erfolgt mittels einer in das Gehäuse eingeschraubten Mutter 6. Die Hohlladung 1 wird mittels der Entzündungsladung 3 zur Detonation gebracht.
Der dadurch erzeugte Strahl trifft mit der sehr hohen Geschwindigkeit von etwa 50 km/Sek. auf das Material 5, wodurch sich ein Loch 7 bildet, das in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Dieses Loch entsteht durch das plastische Fliessen des Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Materials in radialer Richtung, und es wird nahezu keine Substanz aus dem besagten Material heraus erodiert (siehe z. B. Explosives with lined cavities , Journal of Applied Physics, Juni 1948, Seiten 563 bis 582). In radialer Richtung werden äusserst hohe Drucke (eine oder mehrere Millionen Atmosphären) und sehr hohe Temperaturen erzeugt, so dass die wichtigsten Bedingungen für die Umwandlung des Graphites od'er des amorphen Kohlenstoffes in Diamant erfüllt werden. Das Futter 2 kann ganz oder teilweise aus Graphit hergestellt sein.
Zur Erleich terung der Kristallisation können Splitter aus Diamant oder aus einem anderen Stoff, der in bezug auf die Struktur mit dem Diamant verwandt ist, dem Material 5 einverleibt werden.
Das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material kann auch vorerhitzt und/oder vorkomprimiert werden.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3 ist das zur Diamantsynthese dienende Ausgangsmaterial mit 8 bezeichnet. Es ist mittels einer Mutter 10 in einem Gehäuse 9 befestigt. Die Mutter 10 ist, im Gegensatz zur Mutter 6 der Ausführungs- form nach Fig. 2, vollständig geschlossen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kommt ebenfalls ein von aussen bei der Detonation wirksamer Sprengstoff zur Anwendung.
Mit 11 ist das in Diamant umzuwandelnde Material bezeichnet, das gemäss Fig. 4 in einem Sackloch eines Gehäuses 12 eingesetzt und mittels einer in das letztere eingeschraubten Mutter 13 befestigt ist. Der Körper 11 selbst weist ebenfalls ein Sackloch 14 auf, das etwa die halbe Länge des Körpers aufweist, aber auch kürzer oder länger sein kann und als Erzeuger von Resonanzeffekten dient, wenn es vom einfallenden Strahl gemäss der Pfeilrichtung P getroffen wird, und zwar in derselben Weise, wie in eine sogenannte Resonanzrohreo eingeblasene Luft Resonanzeffekte erzeugt (siehe z. B. Mitteilungen aus dem Institut für Aerodynamiko, Nr. 21, 1954, Zürich : Über thermische Effekte in Resonanzröhren von H. Sprenger).
Bei richtiger Wahl des Durchmessers und der Länge des Loches ergeben sich äusserst hohe Temperaturen.
Die Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 5 umfasst ein Stahlgehäuse 18, in dem ein sehr dünner Draht 15 aus einem elektrisch leitenden Material mittels zweier verhältnismässig dicken Leitern 16 und 17 aufgehängt ist. Das Gehäuse 18 ist mittels Isolierkörpern 19 und 20 gegen die Leiter 16 und 17 isoliert. In das Gehäuse ist ein Graphit oder amorpher Kohlenstoff enthaltender Körper 21 eingesetzt. Die beiden Leiter 16 und 17 sind über Leitungen 22 und 23 und einen nicht gezeichneten Schalter an einen ebenfalls nicht dargestellten Kondensator angeschlossen. Durch die Entladung des Kondensators wird der dünne Draht zum Verdampfen gebracht. Diese explosionsartige Verdampfung hat zur Folge, dass während sehr kurzer Zeit ein sehr hoher Druck auf den Körper 21 durch Stosswellen ausgeübt wird. Dieser wird somit erheblich erhitzt (siehe z. B.
Studien zum Mechanismus von elektrischen Drahtexplosionen [Metallniederschläge und Stosswellen] von W. M. Conn in Zeitschrift für angewandte Physik , 1955, Seiten 539-554), so dass auf diese Weise den Forderungen zur Umwandlung von Graphit in Diamant Genüge geleistet wird. Es empfiehlt sich auch hier, zur Erleichterung der Kristallisation Splitter von Diamant oder eines anderen Stoffes, der in bezug auf seine Struktur dem Diamant verwandt ist, dem Syntheseausgangsmaterial als Impfstoff oder Kristallisationskeime einzuverleiben. Der dünne Draht 15 kann z. B. aus Graphit oder aus Metall oder aus Graphit mit einem Metalikern gebildet sein.
Aus vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass mittels des beschriebenen Verfahrens sämtliche Forderungen zur Herstellung von Diamant aus Graphit oder amorphem Kohlenstoff leicht erfüllt werden können, indem eine richtige Wahl der Abmessungen die Erzeugung von Drucken bis zu einigen Millionen Atmosphären und von Temperaturen bis zu Tausenden von Graden ermöglicht, wobei die keimfor- mende Energie von Diamant erheblich herabgesetzt werden kann durch Beimischung von Kristallisations- keimen zum Ausgangsmaterial. Hohe Temperaturen erleichtern die Anderungen der Lage in ausreichen- der Weise, was eine Notwendigkeit ist wegen der kurzen Zeit, die für eine Lageänderung zur Verfügung steht.
Es wird bemerkt, dass es bei statischen Druckverfahren nie möglich ist, sowohl eine sehr hohe Temperatur wie einen sehr hohen Druck gleichzeitig zu wählen wegen der Einschränkungen, die auf die Festigkeit der verwendeten Materialien zurückzufüh- ren sind. Entweder kann die Temperatur sehr hoch sein, in welchem Falle man sich mit ziemlich niedriF gen Drucken begnügen muss, oder aber es kann der Druck sehr hoch sein, wobei man sich aber mit ziemlich niedrigen Temperaturen abfinden muss.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht jedoch gleichzeitig sowohl eine sehr hohe Temperatur wie einen sehr hohen Druck zu erhalten, z. B. durch Vorerhitzung des Ausgangsmaterials bei normalem Druck und anschliessender Zündung des Sprengstoffes, so dass die Explosion für den äusserst hohen Druck und eine weitere Erhöhung der Temperatur sorgt.
Die Zusammensetzung des Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Materials verursacht keine speziellen Probleme. So können z. B. zur Er leichterung der Lageänderung geeignete Mineralisato- ren, das heisst in Grenzflächenbereichen vorübergehend atomare Lösung des Kohlenstoffes bewirkende Hilfsstoffe, wie Borate, Fluoride, Chloride, ohne Bedenken dem Ausgangsmaterial einverleibt werden.
Als Umwandlungsmaterial sind bis anhin stets Graphit und amorpher Kohlenstoff genannt worden, obwohl Debye und Scherrer als Ergebnis von X Strahlversuchen feststellten, dass der amorphe Kohlenstoff lediglich Graphit ist, dessen Kristallabmessungen über diejenigen hinausreichen, welche durch mechanische Mittel beobachtet werden können. Trotz dieser Erkenntnis ist es aber in der Technik nach wie vor üblich, drei Arten von elementarem Kohlenstoff zu unterscheiden, nämlich Diamant, Graphit und amorpher Kohlenstoff.
Das beschriebene Verfahren kann auch im Vakuum oder in einer Atmosphäre eines anderen Gases als Luft durchgeführt werden.
Das Gehäuse, in welchem das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material eingeschlossen ist, kann auch einem äusseren Gegendruck unterworfen werden.
Nach dem beschriebenen Verfahren wird unter gewissen Umständen ein Produkt erhalten, das härter sein kann als natürlicher Diamant ; unter anderen Umständen dagegen kann es etwas weniger hart sein.
Die Durchführung des Verfahrens ist auch bai Anwendung mehrerer Druckstrahlen möglich, indem bei, spielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der eine Strahl, wie durch die Pfeilrichtung angezeigt, von links und ein zweiter Strahl in entgegengesetzter Richtung von rechts wirksam ist.
So lassen sich Diamanten in einfacher, billiger Weise rasch und in verhältnismässig grossen Abmessungen herstellen, die im allgemeinen die Form eines Rohres besitzen.
Process for the production of diamond from graphite
The invention relates to a method for producing diamond from graphite or amorphous carbon.
Attempts have been made a very long time ago to produce diamonds, but always with negative success. Only recently has the General Electric Company in the USA succeeded in producing very small diamonds of around 0.1 carat using very high pressures about 140000 at and at a temperature of about 2700 C.
In order to be able to estimate the difficulties encountered in the production of diamonds, reference is made to the phase diagram of the carbon according to FIG. 1, which is based partly on theoretical considerations and partly on experiments. Although one could conclude from this phase diagram that the conversion of graphite into diamond is easy, since only a relatively low pressure of 14000 at is required at room temperature, this is by no means the case, since further conditions must be met ( but see the synthesis of diamonds by Prof. Dr.
A. Neuhaus, Bonn, Journal for Applied Chemise, 1954, pages 525-536).
Theoretical considerations lead to the conclusion that in order to convert graphite or amorphous carbon into diamond it is not enough to use such a combination of pressure and temperature at which the stable region of diamond (Fig. 1) is reached, but that it too it is necessary to lower the nucleating energy p of the diamond, for example by incorporating diamond fragments or a substance that is related to the structure of the diamond. This is always necessary when the combination of pressure and temperature is close to the transition point (Fig. 1).
Because of the extraordinary strength of the crystal lattice of the graphite, the temperature required to facilitate a change in position is very high. In molten carbon, i.e. at 40,000K, large structural complexes are still present and even in gaseous carbon there are C2 molecules in addition to C atoms, whose combination strength is much higher than in diamond.
The composition of the starting material for the production of diamond is of great importance.
Aromatic or graphitic groups of carbon and the C2 molecule e.g. B. are not suitable, while atomic carbon is excellent.
As an alternative to the application of extremely high temperatures, suitable mineralizers such as borates, fluorides, chlorides can also be used to facilitate the change of position.
The method according to the invention is now characterized in that graphite or amorphous carbon-containing material is exposed to the pressure resulting from the explosion of an explosive.
In the drawing, some exemplary embodiments of devices intended for carrying out the method according to the invention are shown schematically.
Fig. 1 shows the phase diagram of carbon.
Fig. 2 shows a device in cross section with a shape-bound charge directed at a body containing graphite or amorphous carbon.
3 and 4 show cross-sections of two such bodies arranged in a housing, while
5 shows a section through a further embodiment of the device for producing diamond.
In the embodiment of the device according to FIG. 2, 1 denotes an explosive charge, for example made of pentolite, which is provided with a conical recess with a lining 2 and an ignition charge 3. The graphite or amorphous carbon-containing material 5, which is housed in a housing 4, is located coaxially with the shaped charge. This material 5 is fastened in the housing 4 by means of a nut 6 screwed into the housing. The shaped charge 1 is detonated by means of the ignition charge 3.
The resulting beam hits at a very high speed of around 50 km / sec. onto the material 5, whereby a hole 7 is formed, which is shown in dashed lines in FIG. This hole is created by the plastic flow of the graphite or amorphous carbon-containing material in a radial direction, and almost no substance is eroded out of said material (see e.g. Explosives with lined cavities, Journal of Applied Physics, June 1948, pages 563 to 582). Extremely high pressures (one or several million atmospheres) and very high temperatures are generated in the radial direction, so that the most important conditions for the conversion of graphite or amorphous carbon into diamond are met. The lining 2 can be made entirely or partially of graphite.
To facilitate crystallization, fragments made of diamond or of another substance which is related to the diamond in terms of structure can be incorporated into the material 5.
The material containing graphite or amorphous carbon can also be preheated and / or precompressed.
In the embodiment of the device according to FIG. 3, the starting material used for diamond synthesis is denoted by 8. It is fastened in a housing 9 by means of a nut 10. In contrast to the nut 6 of the embodiment according to FIG. 2, the nut 10 is completely closed. In the embodiment according to FIG. 3, an explosive which is effective from the outside during detonation is also used.
The material to be converted into diamond is denoted by 11, which is inserted in a blind hole of a housing 12 according to FIG. 4 and fastened by means of a nut 13 screwed into the latter. The body 11 itself also has a blind hole 14 which is about half the length of the body, but can also be shorter or longer and serves as a generator of resonance effects when it is hit by the incident beam in the direction of arrow P, in the same How air blown into a so-called resonance tube creates resonance effects (see e.g. messages from the Institute for Aerodynamics, No. 21, 1954, Zurich: About thermal effects in resonance tubes by H. Sprenger).
With the correct choice of the diameter and the length of the hole, extremely high temperatures result.
The embodiment of the device according to FIG. 5 comprises a steel housing 18 in which a very thin wire 15 made of an electrically conductive material is suspended by means of two relatively thick conductors 16 and 17. The housing 18 is insulated from the conductors 16 and 17 by means of insulating bodies 19 and 20. A body 21 containing graphite or amorphous carbon is inserted into the housing. The two conductors 16 and 17 are connected via lines 22 and 23 and a switch, not shown, to a capacitor, also not shown. The discharge of the capacitor causes the thin wire to evaporate. This explosive evaporation has the consequence that a very high pressure is exerted on the body 21 by shock waves for a very short time. This is thus heated considerably (see e.g.
Studies on the mechanism of electrical wire explosions [metal deposits and shock waves] by W. M. Conn in Zeitschrift für angewandte Physik, 1955, pages 539-554), so that in this way the requirements for converting graphite into diamond are met. Here, too, it is advisable to incorporate fragments of diamond or another substance, which is related to diamond in terms of its structure, into the synthesis starting material as a seed or crystallization nuclei to facilitate the crystallization. The thin wire 15 can, for. B. made of graphite or metal or graphite with a metal core.
From the foregoing it can be seen that by means of the method described, all requirements for the production of diamond from graphite or amorphous carbon can easily be met by a correct choice of dimensions, the generation of pressures up to a few million atmospheres and temperatures up to thousands of degrees made possible, whereby the nucleus-forming energy of diamond can be reduced considerably by adding crystallization nuclei to the starting material. High temperatures facilitate the changes in position sufficiently, which is a necessity because of the short time available for a change in position.
It is noted that with static printing processes it is never possible to choose both a very high temperature and a very high pressure at the same time because of the limitations which are due to the strength of the materials used. Either the temperature can be very high, in which case you have to be content with fairly low pressures, or the pressure can be very high, but you have to put up with fairly low temperatures.
However, the method described enables both a very high temperature and a very high pressure to be obtained at the same time, e.g. B. by preheating the starting material at normal pressure and then igniting the explosive, so that the explosion ensures the extremely high pressure and a further increase in temperature.
The composition of the graphite or amorphous carbon-containing material does not cause any particular problem. So z. B. To facilitate the change of position, suitable mineralizers, that is, auxiliary substances such as borates, fluorides, chlorides, which temporarily effect an atomic dissolution of the carbon in boundary areas, can be incorporated into the starting material without hesitation.
So far, graphite and amorphous carbon have always been mentioned as conversion materials, although Debye and Scherrer found as a result of X beam tests that the amorphous carbon is merely graphite, the crystal dimensions of which extend beyond those which can be observed by mechanical means. Despite this knowledge, it is still common in technology to distinguish between three types of elemental carbon, namely diamond, graphite and amorphous carbon.
The method described can also be carried out in a vacuum or in an atmosphere of a gas other than air.
The housing in which the graphite or amorphous carbon-containing material is enclosed can also be subjected to an external counterpressure.
According to the process described, a product is obtained under certain circumstances which can be harder than natural diamond; however, in other circumstances it may be a little less harsh.
The method can also be carried out if several pressure jets are used, for example in the embodiment according to FIG. 2 one jet, as indicated by the direction of the arrow, acting from the left and a second jet acting in the opposite direction from the right.
In this way, diamonds can be produced in a simple, inexpensive manner, quickly and in relatively large dimensions, which are generally in the shape of a tube.