CS260454B1

CS260454B1 - A method for treating a reaction charge for producing synthetic diamonds

Info

Publication number: CS260454B1
Application number: CS859723A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Dvorak; Lubomir Kaska; Jaromir Horak
Original assignee: Bohumil Dvorak; Lubomir Kaska; Jaromir Horak
Priority date: 1985-12-21
Filing date: 1985-12-21
Publication date: 1988-12-15
Also published as: CS972385A1

Abstract

Řešení se týká vysokotlaké syntézy syntetických diamantů. Řeší způsob úpravy reakční náplně, pro výrobu syntetických diamantů, sestávající z uhlíku a rozpouštědla z kovů VII. a VIII. skupiny periodické soustavy prvků s cílem zvýšení podílu vyšších velikostních frakcí syntetických diamantů. Podstatou je, že mezi jednotlivými kotoučky grafitu a rozpouštědla je mezivrstva, vrstva nebo proklad z elektricky izolační látky, jejíž hmotnostní poměr ke grafitu je 0,001 až 15.The solution concerns the high-pressure synthesis of synthetic diamonds. It solves a method of modifying the reaction charge for the production of synthetic diamonds, consisting of carbon and a solvent from metals of groups VII and VIII of the periodic table of elements with the aim of increasing the proportion of higher size fractions of synthetic diamonds. The essence is that between the individual discs of graphite and solvent there is an intermediate layer, layer or spacer of an electrically insulating substance, the weight ratio of which to graphite is 0.001 to 15.

Description

Vynález se týká úpravy reakční náplně pro výrobu syntetických diamantů, sestávající z uhlíku a rozpouštědla z kovů VII. a Vili. skupiny periodické soustavy prvků nebo jejich slitin s cílem zvýšení podílu vyšších velikostních frakcí syntetických diamantů.The invention relates to the treatment of a reaction charge for the production of synthetic diamonds consisting of carbon and a solvent of metals VII. and Vili. groups of the Periodic Table of the Elements or their alloys to increase the proportion of higher size fractions of synthetic diamonds.

V současné době se při syntéze diamantových krystalů používá obvykle uhlík ve formě grafitu, který je v kontaktu s kovovým rozpouštědlem. Podmínku použití čistého grafitu není třeba zachovávat. Jsou známé i jiné formy uhlíku, které je možné přeměnit na diamant. Vedle grafitu lze použít látky obsahující uhlík, jako například koks, dřevěné uhlí, organické nebo anorganické sloučeniny. Jako kovového rozpouštědla se nejčastěji používá kovů skupiny železa, například. Mn, Ni, Fe, Co nebo jejich slitin. Metoda syntézy diamantu je popsána v řadě patentů. Spočívá v tom, že uhlíkatý materiál a kovové rozpouštědlo je podrobeno působením vysokých teplot a tlaků, při kterých dochází ke krystalické přeměně grafitu na diamant. Podle druhu použitého rozpouštědla mohou být použity tlaky od 5 GPa a teploty oú 1 200 °C. Takto získané diamanty se často vyznačují tvarovou nedokonalostí, malou zrnitostí i nižší výtěžností. Vliv podstatně vyšších tlaků a teplot, které jsou užitné pro efektivnější výtěžnost syntézy, vytvářejí předpoklady, které výrazně negativně ovlivňují životnost vysokotlaké aparatury, zejména trvanlivost matric a razníků, při zvýšené míře pravděpodobnosti destrukce ostatních komponent.Currently, carbon in the form of graphite, which is in contact with a metal solvent, is usually used in the synthesis of diamond crystals. The condition of using pure graphite need not be maintained. Other forms of carbon are known which can be converted to diamond. In addition to graphite, carbon containing substances such as coke, charcoal, organic or inorganic compounds can be used. The metal solvent most commonly used is an iron group metal, for example. Mn, Ni, Fe, Co or their alloys. The method of diamond synthesis is described in a number of patents. It consists in the fact that the carbonaceous material and the metal solvent are subjected to high temperatures and pressures which crystallize the conversion of graphite to diamond. Depending on the type of solvent used, pressures from 5 GPa and temperatures of 1200 ° C may be used. Diamonds thus obtained are often characterized by shape imperfection, low grain size and lower yield. The influence of substantially higher pressures and temperatures that are useful for a more efficient synthesis yield creates assumptions that significantly negatively affect the service life of the high-pressure apparatus, especially the durability of the dies and punches, with an increased likelihood of destruction of other components.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob úpravy reakční náplně pro výrobu syntetických diamantů, sestávající z uhlíku a rozpouštědla z kovů VII. a VIII. skupiny periodické soustavy prvků nebo jejich slitin, s cíleni zvýšení podílu vyšších velikostních frakcí syntetických diamantů podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi jednotlivými kotoučky grafitu a rozpouštědla je mezivrstva, vrstva nebo proklad z elektricky izolační látky, jejíž hmotnostní poměr ke grafitu je 0,001 až 15.These disadvantages are overcome by a process for treating the reaction charge for the production of synthetic diamonds consisting of carbon and a solvent of metals VII. and VIII. a group of the Periodic Table of the Elements or their alloys in order to increase the proportion of higher size fractions of synthetic diamonds according to the invention, characterized in that there is an interlayer, layer or interleaving of an electrically insulating substance between the graphite and solvent disks; 0.001 to 15.

Výhodou způsobu podle tohoto vynálezu je dosažení vyšší přeměny grafitu na diamant, zvláště pak dosažení vyšší výtěžnosti frakce nad 600 μΐη.The advantage of the process according to the invention is to achieve a higher conversion of graphite into diamond, in particular to achieve a higher fraction recovery above 600 μΐη.

Aby byly uvedené nedostatky sníženy a bylo dosaženo efektivní konverze grafitu na diamant, je nutno zajistit, aby syntéza probíhala za změněných jak termodynamických, tak i kinetických veličin. Tyto pak vytyčují rámec podmínek, za kterých by bylo možné požadované krystaly realizovat. Jako látky ovlivňující výtěžnost a růst syntetických diamantů je použito elektricky izolační látky, která je nanášena formou roztoku, pasty na uhlíkatý materiál, nebo vkládána ve formě fólie mezi rozpouštědlo a grafit. Vhodný hmotnostní poměr elektricky izolační látky ke grafitu je 0,001 až 15.In order to reduce these shortcomings and to achieve efficient conversion of graphite to diamond, it is necessary to ensure that the synthesis proceeds with altered thermodynamic and kinetic quantities. These then set the framework under which the required crystals could be realized. As a substance affecting the yield and growth of synthetic diamonds, an electrically insulating substance is applied, which is applied in the form of a solution, a paste to a carbonaceous material, or inserted in the form of a film between the solvent and graphite. A suitable weight ratio of electrically insulating material to graphite is 0.001-15.

Izolační látkou se rozumí takový materiál, který má za normálních podmínek (atm. tlaku a teploty 20 'C) vodivost menší než 10 ³.Q/cm^_1, nebo šířku zakázaného pásma, z hlediska pásmové teorie, větší než 3,0 elektrovo-ltu.The insulating material is meant any material which is normally (atm. Pressure and temperature 20 ° C) conductivity of less than 10 ³ having an isotactic / cm ^_1, or width of the band gap, in terms of band theory, greater than 3.0 elektrovo- ltu.

Vsázka byla uspořádána takto: vrstvy spektrálně čistého grafitu a rozpouštědla, jehož hlavní složkou byl nikl, byly vkládány do reakčního prostoru střídavě. Náplň byla zahřívána odporovým ohřevem za tlaku do 7 GPa na teplotu asi 1 500 °C. Tyto podmínky trvaly asi 5 minut. Po snížení tlaku a teploty na normální podmínky byly získány diamanty. Takový postup byl používán při výrobě diamantů v současné době. U takto' realizovaných syntéz se nedosahuje většího množství diamantů velikosti nad 400 μΐη a jejich pevnostní charakteristiky jsou průměrné.The charge was arranged as follows: layers of spectrally pure graphite and solvent, the main component of which was nickel, were introduced into the reaction space alternately. The charge was heated by resistive heating at a pressure of up to 7 GPa to a temperature of about 1500 ° C. These conditions lasted about 5 minutes. Diamonds were obtained by reducing the pressure and temperature to normal conditions. Such a process has been used in the manufacture of diamonds at present. In such syntheses, the number of diamonds above 400 μΐη is not achieved and their strength characteristics are average.

Použije-li se metody výše popsané a přidali se ke grafitu vhodný materiál s katalytickou schopností do reakční náplně, způsob průběhu syntézy je obdobný jako v předcházejícím případě, potom vzniknou diamanty, jejichž velikost je podstatně rozdílnější a pevnost podstatně vyšší. Materiálem, který vykazuje katalytickou funkci jsou zde myšleny materiály — izolátory, například syntetické slída, silicium karbid, nitrid boru, oxid hliníku a podobně. Zásadou je, že materiál má charakter aktivátoru a musí tvořit souvislou vrstvu mezi grafitem a kovovým rozpouštědlem.If the methods described above were used and a suitable catalytic reaction material was added to the graphite, the method of synthesis was similar to the previous one, then diamonds of substantially different size and strength substantially higher were formed. By material having a catalytic function is meant herein insulator materials such as synthetic mica, silicon carbide, boron nitride, aluminum oxide and the like. The principle is that the material has the character of an activator and must form a continuous layer between the graphite and the metal solvent.

V následujících příkladech je vynález popsán na základě experimentálních výsledků.In the following examples, the invention is described based on experimental results.

Příklad 1Example 1

Reakční sestava byla osazena spektrograficky čistým grafitem s rozpouštědlem na bázi Ni-Μη. Na grafitové kotoučky o tloušťce 2,5 mm byla nanesena vrstva pasty tvořená SiC a etylalkoholem. Po vysušení byly grafitové kotouče střídavě vrstveny s kovovými kotoučky síly 0,5 mm do reakční sestavy. Pasta obsahující izolátor byla přidávána v množství 0,36 % hmot. vzhledem k hmotnosti grafitu.The reaction set was fitted with spectrographically pure graphite with a Ni-Μη solvent. A 2.5 mm thick layer of SiC and ethyl alcohol was applied to the 2.5 mm thick graphite discs. After drying, the graphite disks were alternately layered with 0.5 mm metal disks into the reaction assembly. The paste containing the insulator was added in an amount of 0.36% by weight. based on the weight of graphite.

Takto připravená reakční náplň byla vystavena ve vysokotlakém nástroji po dobu asi 20 min. teplotě 1 450 °C a tlaku 5,8 GPa.The reaction charge thus prepared was exposed in a high-pressure tool for about 20 minutes. temperature 1450 ° C and pressure 5.8 GPa.

Příklad 2Example 2

Bylo použitoi uspořádání jako u příkladuAn arrangement was used as in the example

1.1.

Kotoučky rozpouštědla byly ze slitiny Ni-Fe. Na plochy grafitu byla nanesena vrstva izolační látky ve formě směsi obsahující bor nitrid a líh v množství 0,5 % hmot. k hmotnosti grafitu. Po vysušení byla sestava kompletována a podrobena po dobu 15 minut teplotě 1 470°C a tlaku 5,2 GPa. Pro zabezpečení efektu výtěžnosti je možné použít vnitřní vodivé těleso, které prochází kotouč260434 ky rozpouštědla a upravených grafitových kotoučů.The solvent discs were Ni-Fe alloy. A layer of insulating material in the form of a mixture containing boron nitride and alcohol in an amount of 0.5% by weight was applied to the graphite surfaces. weight of graphite. After drying, the assembly was assembled and subjected to a temperature of 1470 ° C and a pressure of 5.2 GPa for 15 minutes. In order to ensure the effect of recovery, it is possible to use an internal conductive body which passes through the solvent disc and the treated graphite discs.

Příklad 3Example 3

Užito· uspořádání jako u příkladu 2. Rozpouštědlo tvořily kobaltové kotoučky, grafitové kotoučky byly ponořovány do směsi NiO s lihem tak, aby bylo dosaženo přírůstku NiO v množství 0,1 % hmot. hmotnosti grafitu. Takto upravená reakční náplň je podrobena působení po dobu 25 min. teplotě 1 500 °C a tlaku 7 GPa.The arrangement was as in Example 2. The solvent consisted of cobalt disks, the graphite disks were immersed in a mixture of NiO with alcohol to achieve an NiO increase of 0.1% by weight. weight of graphite. The treated reaction charge is treated for 25 min. temperature of 1500 ° C and pressure of 7 GPa.

Příklad 4Example 4

Bylo použito uspořádání jako u příkladuAn arrangement was used as in the example

2.2.

Rozpouštědlo· tvořily kotoučky slitiny Ni-Co, na grafitové kotoučky byla nanášena pasta A1N (nitrid hliníku) tak, aby bylo dosaženo hmotnostního přírůstku 0,015 % hmot. grafitu. Takto upravená reakční náplň je podrobena působení teploty 1 480 °C a tlaku 4,9 GPa po dobu 15 minut.The solvent consisted of Ni-Co alloy wheels, A1N (aluminum nitride) paste was applied to the graphite wheels to achieve a weight gain of 0.015% by weight. graphite. The treated reaction charge is subjected to a temperature of 1480 ° C and a pressure of 4.9 GPa for 15 minutes.

Claims

Subject

Method for treating a reaction charge for producing synthetic diamonds consisting of carbon and a metal solvent VII. and VIII. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a synthetic diamond fraction, characterized in that an intermediate layer, layer or interleaving of an electrically insulating material having a weight ratio to graphite of 0.001 to 15 is arranged between the graphite and solvent disks.