DE102004026976A1 - Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure - Google Patents

Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure Download PDF

Info

Publication number
DE102004026976A1
DE102004026976A1 DE200410026976 DE102004026976A DE102004026976A1 DE 102004026976 A1 DE102004026976 A1 DE 102004026976A1 DE 200410026976 DE200410026976 DE 200410026976 DE 102004026976 A DE102004026976 A DE 102004026976A DE 102004026976 A1 DE102004026976 A1 DE 102004026976A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
diamond
rod
shaped
crystals
fullerene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200410026976
Other languages
German (de)
Inventor
Natalia Dr. Dubrovinskaia
Leonid Dr. Dubrovinsky
Falko Dr. Langenhorst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Bayreuth
Original Assignee
Universitaet Bayreuth
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Bayreuth filed Critical Universitaet Bayreuth
Priority to DE200410026976 priority Critical patent/DE102004026976A1/en
Publication of DE102004026976A1 publication Critical patent/DE102004026976A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/522Graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2203/00Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
    • B01J2203/06High pressure synthesis
    • B01J2203/0605Composition of the material to be processed
    • B01J2203/0615Fullerene
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2203/00Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
    • B01J2203/06High pressure synthesis
    • B01J2203/065Composition of the material produced
    • B01J2203/0655Diamond
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422Carbon
    • C04B2235/425Graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422Carbon
    • C04B2235/427Diamond
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6565Cooling rate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/78Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/78Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/781Nanograined materials, i.e. having grain sizes below 100 nm
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/78Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/786Micrometer sized grains, i.e. from 1 to 100 micron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals comprises heat treating fullerene at 1500-2300[deg]C and 15-25 GPa for at least 45 minutes. Independent claims are also included for: (1) diamond material produced as above in which the crystals are aggregated together; (2) metalworking tool with a working surface comprising rod-shaped nanocrystalline diamond crystals; (3) pressure stamp for a high-pressure cell comprising rod-shaped nanocrystalline diamond crystals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stäbchenförmigem nanokristallinen Diamant sowie Anwendungen dieses Materials.The The present invention relates to a process for the preparation of rod-shaped nanocrystalline Diamond as well as applications of this material.

In einem Artikel von Shenderova et al., NANO LET-TERS 2003, Band 3, Nr. 6, 805–809 werden theoretisch berechnete mechanische Eigenschaften von Diamant-Nanostäbchen, d.h., von stäbchenförmigen Diamantkristallen mit Durchmessern von einigen 10 μm und Längen von einigen 100 μm, verglichen mit entsprechenden Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese Rechnungen weisen darauf hin, dass Diamant-Nanostäbchen hinsichtlich ihrer Zugbelastbarkeit und Bruchfestigkeit Nanoröhrchen mit gleichem Durchmesser überlegen sind. Die Autoren halten es daher für eine lohnende Aufgabe, Verfahren zur Synthese von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant zu suchen. Es wird zwar darauf hingewiesen, dass seit den 60er Jahren Verfahren bekannt sind, die es erlauben, Diamantstäbchen mit Durchmessern von bis zu 10 μm und Längen von mehreren 100 μm herzustellen, doch sind diese Techniken of fenbar bislang nicht geeignet, die Diamantstäbchen in einer für die tatsächliche experimentelle Untersuchung ihrer mechanischen Eigenschaften ausreichenden Menge und/oder Qualität herzustellen. Zu den in dem oben genannten Aufsatz als bekannt angegebenen Verfahren zur Erzeugung stäbchenförmiger nanokristalliner Diamanten gehört das epitaxiale Aufwachsen aus der Gasphase unter niedrigem Druck auf Diamant-Unterlagekristalle, durch Abscheidung aus kohlenstoffhaltigem Gas unter Elektronenbestrahlung sowie unter hohem Druck und bei hoher Temperatur in einem Metall-Kohlenstoff-System. Es wird vermutet, dass auch eine Synthese unter Ausnutzung der Schockwelle einer Detonation möglich sein könnte. Alle diese bekannten Verfahren liefern aber offenbar nanokristallinen Diamant nicht in einer für praktische Anwendungen geeigneten Menge.In an article by Shenderova et al., NANO LET-TERS 2003, Vol. 3, No. 6, 805-809 theoretically calculated mechanical properties of diamond nanorods, i. of rod-shaped diamond crystals with diameters of a few 10 μm and lengths of a few 100 μm, compared with corresponding properties of carbon nanotubes. These calculations indicate that diamond nanorods in terms their tensile strength and breaking strength superior to nanotubes of the same diameter are. The authors therefore consider it a worthwhile task procedure for the synthesis of rod-shaped nanocrystalline To look for diamond. It is noted that since the 60s methods are known that allow to use diamond sticks Diameters of up to 10 μm and lengths of several 100 μm However, these techniques have obviously not been suitable so far. the diamond sticks in a for the actual experimental investigation of their mechanical properties sufficient Quantity and / or quality manufacture. To those specified in the above-mentioned article as known Process for producing rod-shaped nanocrystalline Diamond belongs the epitaxial growth from the gas phase under low pressure on diamond base crystals, by deposition from carbonaceous Gas under electron irradiation as well as under high pressure and at high temperature in a metal-carbon system. It is believed that too a synthesis utilizing the shockwave of a detonation possible could be. However, all these known processes apparently provide nanocrystalline Diamond not in one for practical applications appropriate amount.

Bei der Abscheidung aus der Gasphase sind die Kohlenstoffatome, bevor sie sich an einem wachsenden Diamantkristall niederlassen, hoch beweglich, so dass ein nadelförmiges Wachstum der Diamantkristalle erklärbar ist, wenn man annimmt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein auftretendes Kohlenstoffatom haften bleibt, an der Kristallspitze höher ist als an den Seiten. Im Falle einer Synthese durch Detonation könnte die Ausbreitungsrichtung der Detonationswelle eine Vorzugsrichtung darstellen, die für ein anisotropes Kristallwachstum ursächlich ist.at The vapor phase deposits are the carbon atoms before they settle on a growing diamond crystal, high movable, making a needle-shaped Growth of diamond crystals is explainable, if one assumes that the probability of an occurring carbon atom sticks, is higher at the crystal tip than at the sides. In the case of a synthesis by detonation, the propagation direction could the detonation wave represent a preferred direction, which for an anisotropic Crystal growth causal is.

Es ist seit langem bekannt, Diamanten synthetisch herzustellen, indem Graphit bei hoher Temperatur unter einen hohen hydrostatischen Druck gesetzt wird. Bei einem solchen System sind weder die sich an den Diamantkristallkeimen anlagernden Kohlenstoffatome so hoch beweglich wie bei Abscheidung aus der Gasphase, noch hat die Reaktionsumgebung eine inhärente Vorzugsrichtung, die Auslöser für ein anisotropes Wachstum der Kristalle sein könnten. Es besteht daher keine Veranlassung, zu erwarten, dass stäbchenförmige Diamantkristalle mit einem Hochtemperatur-Hochdruckverfahren synthetisierbar sein sollten, und folgerichtig ist über die Erzeugung von Diamant-Nanostäbchen durch Hochdruck- und Hochtemperatur-Synthese aus Graphit bislang nicht berichtet worden.It has long been known to synthetically produce diamonds by Graphite at high temperature under a high hydrostatic pressure is set. In such a system, neither are at the diamond crystal nuclei attaching carbon atoms as highly mobile as in deposition from the gas phase, nor does the reaction environment have an inherent preferential direction, the triggers for a anisotropic growth of the crystals could be. There is therefore no Reason to expect that rod-shaped diamond crystals with a high temperature high pressure process should be synthesized, and logically is about the production of diamond nanorods by high-pressure and high-temperature synthesis of graphite so far not reported.

Untersuchungen über das Verhalten von Fulleren (C60) bei hoher Temperatur und hohem Druck sind von einer Mehrzahl von Autoren berichtet worden. T.R. Ravindran et al., Solid State Communications, 121, 391 (2002) berichten, dass durch Hochdruckbehandlung bei 25 bis 30 GPa und einer Temperatur von 300 K mikrokristalline Diamanten erhalten wurden. Brazhkin et al., Phys. Rev. B, 56, 11467–11471 erhielten ein Diamant-Graphit-Gemisch, indem sie Fulleren bei bis zu 900° einige Minuten lang einem Druck von 12,5 GPa aussetzen. H. Yusa, Diamond and Related Materials Band 11, 87 (2002) erhielt mikrokristallinen Diamant bei 2500 °C und 17,5 GPa. V.D. Blank et al, Carbon, Band 36, 319 (1998) erhielten polymerisiertes C60 durch eine mehrminütige Behandlung bei bis zu 1800°C und bis zu 20 GPa. Das gleiche Ergebnis erhielten R.A. Wood et al., J. Phys.: Condensed Matter, Band 12, 10411–10421 (2000) durch 10- bis 20-minütiges Er hitzen auf 1000°C bei 9 GPa und A.V. Talyzin et al., Phys. Rev. B, 2002, 6524(24), 5413 durch mehrstündiges Erhitzen auf bis zu 1000°C bei Drücken von bis zu 25 GPa.Studies on the behavior of fullerene (C 60 ) at high temperature and high pressure have been reported by a number of authors. TR Ravindran et al., Solid State Communications, 121, 391 (2002) report that microcrystalline diamonds were obtained by high pressure treatment at 25 to 30 GPa and a temperature of 300K. Brazhkin et al., Phys. Rev. B, 56, 11467-11471 obtained a diamond-graphite mixture by exposing fullerene to a pressure of 12.5 GPa for a few minutes at up to 900 ° C. H. Yusa, Diamond and Related Materials vol. 11, 87 (2002) received microcrystalline diamond at 2500 ° C and 17.5 GPa. VD Blank et al, Carbon, Vol. 36, 319 (1998) obtained polymerized C 60 by treatment for up to 1800 ° C and up to 20 GPa for several minutes. The same result was obtained by RA Wood et al., J. Phys. Condensed Matter, Vol. 12, 10411-10421 (2000) by heating at 1000 ° C. for 10 to 20 minutes at 9 GPa and AV Talyzin et al., Phys. Rev. B, 2002, 6524 (24), 5413 by heating for several hours up to 1000 ° C at pressures of up to 25 GPa.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist zum einen, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant auf einfachem Wege und in für technische Anwendungen benötigten Mengen ermöglicht, und andererseits, ein mit einem solchen Verfahren erhältliches neuartiges Diamantmaterial und Anwendungen des mit dem Verfahren erhältlichen Materials anzugeben.task On the one hand, it is the object of the present invention to provide a method which is the production of rod-shaped nanocrystalline Diamond in a simple way and in quantities required for technical applications allows and, on the other hand, an obtainable by such a method novel diamond material and applications of the method available Specify material.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Material nach Anspruch 7, ein Werkzeug nach Anspruch 8, einen Druckstempel nach Anspruch 10 und Verwendungen nach Anspruch 11 oder 12.The Task is solved by a method according to claim 1, by a material according to claim 7, a tool according to claim 8, a plunger according to claim 10 and uses according to claim 11 or 12.

Obwohl bei der Hochdruck- und Hochtemperaturbehandlung von Fulleren weder leicht und mit großen freien Weglängen beweglicher automarer Kohlenstoff auftritt noch eine inhärente Anisotropie vorhanden ist, die ein Wachstum von Diamantkristallen in einer Vorzugsrichtung anregen könnte, stellt sich überraschenderweise heraus, dass zwischen den von den oben zitierten Autoren untersuchten Parameter bereichen des Drucks und der Temperatur bei der Diamantsynthese aus Fulleren ein Bereich existiert, in welchem, eine geeignete Zeitdauer der Behandlung vorausgesetzt, stäbchenförmige Diamantkristalle entstehen.Even though in the high-pressure and high-temperature treatment of fullerene neither easy and with big free path lengths moving automobile carbon still has an inherent anisotropy present, which is a growth of diamond crystals in a preferred direction could stimulate turns out surprisingly found out that among those studied by the above cited authors Parameter ranges of pressure and temperature during diamond synthesis from Fulleren an area exists, in which, a suitable period of time the treatment provided, rod-shaped diamond crystals arise.

Die Dauer der Behandlung soll wenigstens 45 Minuten und vorzugsweise höchstens 120 Minuten, vorzugsweise von 60 bis 80 Minuten, betragen. Der Behandlungsdruck beträgt zwischen 15 und 25 GPa, vorzugsweise zwischen 18 und 21 GPa.The Duration of treatment should be at least 45 minutes and preferably at the most 120 minutes, preferably from 60 to 80 minutes. The treatment pressure is between 15 and 25 GPa, preferably between 18 and 21 GPa.

Die Erhitzungstemperatur soll zwischen 1500 und 2300°C liegen. Bevorzugt ist eine Temperatur zwischen 1900 und 2100°C, doch ist nicht auszuschließen, dass bei ausreichender Dauer der Behandlung auch niedrigere Temperaturen zwischen 1500 und 1900°C zum Erfolg führen. Insbesondere schließen die von Blank et al. bei bis zu 1800°C durchgeführten Untersuchungen dies nicht aus, da die dort gewählte Behandlungsdauer von wenigen Minuten im Lichte der vorliegenden Erfindung für die Herstellung von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant auf jeden Fall zu kurz gewesen sein dürfte.The Heating temperature should be between 1500 and 2300 ° C. Preferred is a Temperature between 1900 and 2100 ° C, but can not be ruled out that with sufficient duration of treatment also lower temperatures between 1500 and 1900 ° C lead to success. In particular, close that of Blank et al. at investigations up to 1800 ° C, this is not the case out, because the one chosen there Treatment time of a few minutes in the light of the present Invention for the production of rod-shaped nanocrystalline Diamond should have been too short in any case.

Um in dem Fulleren gebundene Fremdatome nach Möglichkeit zu beseiten, die zu Gitterfehlern in dem zu erzeugenden Diamant führen könnten, sollte vor der Wärmebehandlung ein Schritt des Ausgasens des Fullerens ausgeführt werden. Zum Ausgasen kann das Fulleren insbesondere mehrere Stunden lang im Hochvakuum auf mehrere 100°C, vorzugsweise ca. 300°C, erhitzt werden.Around to eliminate as far as possible foreign atoms bound in the fullerene, the could lead to lattice defects in the diamond to be produced, should be before the heat treatment a step of outgassing the fullerene be performed. To outgass can the fullerene in particular for several hours in a high vacuum several 100 ° C, preferably about 300 ° C, to be heated.

Der mit dem Verfahren erhältliche nanokristalline Diamant eignet sich besonders, um damit eine Arbeitsoberfläche eines Werkzeugs zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Metallbearbeitung, auszubilden. Während durch herkömmliche Verfahren der Diamantherstellung durch Hochtemperatur- und Hoch druckbehandlung der oft mikrokristalline Diamant in Pulverform erhalten wird, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein aggregierter Formkörper mit Abmessungen von mehreren Millimetern hergestellt werden, der als Ganzes oder stückweise genutzt werden kann, um daraus die Arbeitsoberfläche des Werkzeugs zu bilden.Of the obtainable by the method Nanocrystalline diamond is particularly suitable to make a working surface of a Tool for material processing, in particular for metalworking, train. While by conventional Process of diamond production by high-temperature and high-pressure treatment often obtained microcrystalline diamond in powder form, can with the method according to the invention an aggregated shaped body be manufactured with dimensions of several millimeters, the as a whole or piecewise can be used to make it the working surface of the tool.

Für ein solches Werkzeug sind überragende Eigenschaften zu erwarten, da überraschenderweise, wie später noch genauer dargelegt wird, die Härte des stäbchenförmigen nanokristallinen Diamants selbst die der härtesten Kristallfläche herkömmlicher makroskopischer Diamanten übersteigt.For such Tools are outstanding To expect properties, since, surprisingly, how later to be more specific, the hardness of the rod-shaped nanocrystalline diamond even the hardest crystal face conventional macroscopic diamond exceeds.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft des erfindungsgemäß herstellten stäbchenförmigen nanokristallinen Diamants ist seine hohe Stabilität gegen Graphitisierung, die es ermöglicht, das Material zur Bearbeitung von Eisenlegierungen einzusetzen, was mit herkömmlichen Diamanten nicht möglich ist.A Another notable feature of inventively produced rod-shaped nanocrystalline Diamants is its high stability against graphitization, which allows the material to be processed of iron alloys, which is not possible with conventional diamonds.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments. Show it:

1 ein pT-Diagramm, das die Ergebnisse von Versuchen zur Diamantherstellung durch Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung von Fulleren zeigt; 1 a pT diagram showing the results of diamond-making experiments by high-temperature and high-pressure treatment of fullerene;

2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Materials; 2 an electron micrograph of the material obtained by the method according to the invention;

3 ein Elektronenbeugungsbild der in 2 gezeigten Materialprobe; 3 an electron diffraction image of the 2 shown material sample;

4 eine Materialprobe bei stärkerer Vergrößerung sowie ein LEED-Beugungsbild derselben; 4 a sample of material at higher magnification and a LEED diffraction pattern of the same;

5 eine rastertunnelmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer erfindungsgemäßen Materialprobe; 5 a scanning tunneling micrograph of the surface of a sample of material according to the invention;

6 eine durch das erfindungsgemäße Material geritzte Oberfläche eines natürlichen Diamanten; 6 a surface of a natural diamond carved by the material of the invention;

7 EELS-Spektren von Fulleren und von verschiedenen synthetischen Diamantproben; 7 EELS spectra of fullerene and of various synthetic diamond samples;

8 Ramanspektren von natürlichem und erfindungsgemäß erhaltenem synthetischem Diamant; 8th Raman spectra of natural and inventively obtained synthetic diamond;

9 eine vergrößerte Aufnahme eines mit einem Werkzeug gemäß der Erfindung bearbeiteten Edelstahlzylinders; 9 an enlarged view of a machined with a tool according to the invention stainless steel cylinder;

10 eine Abbildung eines natürlichen Diamanten nach der Bearbeitung von Edelstahl; und 10 a picture of a natural diamond after processing stainless steel; and

11 eine Abbildung einer Probe des erfindungsgemäßen Materials nach der Bearbeitung von Edelstahl. 11 an illustration of a sample of the material according to the invention after processing of stainless steel.

Herstellung des Diamantmaterialsmanufacturing of the diamond material

Das erfindungsgemäße Diamantmaterial mit stäbchenförmigen Kristallen wurde folgendermaßen erhalten: als Ausgangsmaterial diente im Handel erhältliches Fulleren (C60) mit einer Reinheit von 99,95 %. Dieses wurde zunächst im Hochvakuum bei Drücken in der Größenordnung von 10–6 bar und einer Temperatur von 300°C 24 Stunden lang erhitzt. Dann wurde das Material in einen mit Platinfolie ausgekleideten MgO-Oktaeder mit Heizung eingefüllt. Es wurden Oktaeder mit Kantenlängen von 10 bzw. 18 mm verwendet. Der Oktaeder wurde zwischen Hartmetallwürfeln aus Wolframcarbid mit einer Kantenlänge von 32 bzw. 54 mm und mit Pyrophyllit-Dichtungen mit 1200 bzw. 5000 t Presskraft komprimiert. Die Temperatur wurde mit einem parallel zur Heizung angeordneten, nahe der Kapsel angeschlossenen Thermoelement kontrolliert. Die Probe wurde jeweils zu Beginn des Versuchs auf den gewünschten Druck komprimiert, dann wurde die Temperatur auf die gewünschte Versuchstemperatur erhöht. Nach Aufrechterhalten der gewünschten Versuchstemperatur für die gewünschte Versuchsdauer wurde die Probe durch das Abschalten der Heizung abgeschreckt, dann langsam dekomprimiert. Nach Versuchsende wurde die Kapsel vorsichtig entnommen. Die in der 5000-t-Presse behandelten Proben wiesen eine kompakte zylindrische Form mit einer Länge von 3 mm und einem Durchmesser von 1,8 mm auf. Die mit der 1200-Tonnen-Presse erhaltenen Proben waren in ihren Abmessungen kleiner, ansonsten glichen sich die Eigenschaften.The diamond material according to the invention with rod-shaped crystals was obtained as follows: the starting material used was commercially available fullerene (C 60 ) with a purity of 99.95%. This was first heated under high vacuum at pressures of the order of 10 -6 bar and a temperature of 300 ° C for 24 hours. The material was then loaded into a platinum foil lined MgO octahedron with heating. Octahedra with edge lengths of 10 or 18 mm were used. The octahedron was compressed between tungsten carbide tungsten carbide tungsten carbide cubes 32 mm and 54 mm long and pyrophyllite gaskets 1200 and 5000 t respectively. The temperature was controlled by a thermocouple placed in parallel to the heater near the capsule. The sample was compressed to the desired pressure at the beginning of the experiment, then the temperature was raised to the desired experimental temperature. After maintaining the desired test temperature for the desired test duration, the sample was quenched by switching off the heater, then slowly decompressed. At the end of the experiment, the capsule was carefully removed. The samples treated in the 5000-tonne press had a compact cylindrical shape of 3 mm in length and 1.8 mm in diameter. The samples obtained with the 1200-ton press were smaller in size, otherwise the properties were similar.

Es wurden Versuche mit unterschiedlichen Behandlungsdrücken, -temperaturen und -dauern durchgeführt; die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Tabelle 1

Figure 00090001
Experiments were carried out with different treatment pressures, temperatures and durations; the results are summarized in the following table: TABLE 1
Figure 00090001

Die Abkühlrate bei langsamer Abkühlung war 10°C/min.The cooling at slow cooling was 10 ° C / min.

Vergleichsversuche wurden mit anderen Ausgangsmaterialien durchgeführt, wie in Tabelle 2 zusammengefasst.Comparative tests were performed with other starting materials as summarized in Table 2.

Tabelle 2

Figure 00100001
Table 2
Figure 00100001

Der Vergleich der Versuche 2, 6 und 7 zeigt, dass die stäbchenförmigen Diamantkristalle gemäß der Erfindung nur bei Verwendung von Fulleren als Ausgangsmaterial erhalten werden. Graphit oder gemahlener Diamant als Ausgangsmaterialien ergeben bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen andere Ergebnisse.Of the Comparison of Experiments 2, 6 and 7 shows that the rod-shaped diamond crystals according to the invention can be obtained only when using fullerene as the starting material. Graphite or ground diamond as starting materials with otherwise identical experimental conditions different results.

Der Vergleich der Versuche 1 und 2 lehrt, dass die Art der Abkühlung für das Versuchsergebnis nicht entscheidend ist, und dass auch gewisse Abweichungen im Behandlungsdruck zugelassen werden können. Die Dauer der Behandlung ist jedoch von Bedeutung für den Erfolg, wie der Vergleich mit Versuch 5 zeigt.Of the Comparison of Experiments 1 and 2 teaches that the type of cooling for the test result is not crucial, and that also some deviations in treatment pressure can be admitted. The Duration of treatment, however, is of importance for success, as the comparison with experiment 5 shows.

Die Versuchsergebnisse sowie die Ergebnisse anderer, eingangs zitierter Untersuchungen an Fulleren unter hoher Temperatur und hohem Druck sind in 1 zusammengefasst. Die Bezugszeichen 1 bis 3 entsprechen jeweils den von den Erfindern durchgeführten Experimenten 1 bis 3 und die Bezugszeichen 4 bis 9 jeweils den Ergebnissen der eingangs zitierten Untersuchungen von Ravindran, Badding, Yusa, Blank, Wood und Talyzin, in dieser Reihenfolge. Die Experimente 3 und 6 zeigen, dass bei Temperaturen von 1000° und darunter bzw. 2500° und darüber mit der Bildung der von den Erfindern beobachteten stäbchenförmigen Kristalle nicht mehr zu rechnen ist. Zwar wurde auch von Blank et al. (4) im Temperaturbereich unter 1800°C nur die Entstehung von polymerem C60 beobachtet, doch war hier die Dauer der Erhitzungsphase mit wenigen Minuten offenbar zu kurz, um die Bildung der stäbchenförmigen Diamantkristalle beobachten zu können.The experimental results as well as the results of other investigations on fullerenes under high temperature and high pressure cited in the introduction are in 1 summarized. Reference numerals 1 to 3 respectively correspond to Experiments 1 to 3 made by the inventors, and Reference Numerals 4 to 9 respectively correspond to the results of the above-cited researches of Ravindran, Badding, Yusa, Blank, Wood and Talyzin in this order. Experiments 3 and 6 show that at temperatures of 1000 ° and below or 2500 ° and above, the formation of the rod-shaped crystals observed by the inventors is no longer to be expected. Although it was also by Blank et al. (4) observed only the formation of polymeric C 60 in the temperature range below 1800 ° C, but here was the duration of the heating phase with a few minutes apparently too short to observe the formation of the rod-shaped diamond crystals can.

Charakterisierung des Materialscharacterization of the material

2 zeigt eine Hellfeld-TEM-Aufnahme eines unter den Bedingungen des Versuchs 1 oder 2 erhaltenen polykristallinen Diamant-Aggregats. Es zeigen sich nadelförmig ausgelängte Kristalle (Nanostäbchen), deren Länge 1000 nm überschreiten kann, während die Dicke der Nadel höchstens 20 nm beträgt. 2 Figure 4 shows a bright field TEM photograph of a polycrystalline diamond aggregate obtained under the conditions of Experiment 1 or 2. Needle-shaped crystals (nanorods), whose length can exceed 1000 nm, are shown, while the thickness of the needle is at most 20 nm.

3 zeigt ein Elektronenbeugungsmuster (SAED), das an der in 2 gezeigten Materialprobe gewon nen wurde. Das Beugungsmuster wurde mit einer großen Feinbereichsblende aufgenommen, so dass komplette Beugungsringe zu erkennen sind. Die Netzebenen-Abstände sind völlig kompatibel mit der Diamantstruktur. 3 shows an electron diffraction pattern (SAED) at the in 2 was obtained. The diffraction pattern was recorded with a large fine area diaphragm so that complete diffraction rings can be recognized. The lattice plane distances are fully compatible with the diamond structure.

4 zeigt die länglichen Diamantkristalle in einem größeren Maßstab als 2. Die langen Seiten der Kristalle liegen parallel zur (111)-Ebene; die Nadelachsen verlaufen annähernd parallel zu [211]*. 4 shows the elongated diamond crystals on a larger scale than 2 , The long sides of the crystals are parallel to the (111) plane; the needle axes are approximately parallel to [211] *.

5 ist eine hochauflösende transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (HRTEM) der Oberfläche eines Diamant-Nanokristallits, die belegt, dass dieser eine ideale Struktur ohne Stapelfehler oder andere Defekte aufweist. 5 is a high-resolution transmission electron micrograph (HRTEM) of the surface of a diamond nanocrystallite, which proves that this is an ideal structure without stacking failure or has other defects.

Ergebnisse der HärteuntersuchungResults the hardness test

Härtebestimmungen an superharter Materie wie Diamant oder diamantartigen Kohlenstoffschichten (DLC) erweisen sich als problematisch, da solche Messungen eine plastische Verformung des zu testenden Materials voraussetzen. Dazu muss die Härte des Eindringwerkzeugs über der des zu testenden Materials liegen. Die Härte der (111)-Fläche eines Diamanten des Typs IIa konnte bisher nicht bestimmt werden, da diese Fläche mit den bisher verfügbaren Werkzeu gen jeglichen Ritzversuchen widerstand. Es gelang nicht, mit einer IIa-Naturdiamantspitze eines Einkerbwerkzeugs des Typs Vickers bei einer Auflast von 500g Kratzer oder Einkerbungen auf der Oberfläche von in Versuch 1 oder 2 hergestellten Diamant-Kristalliten zu hinterlassen. Auch mittels Raster elektronenmikroskopie konnten keine Markierungen durch das Werkzeug identifiziert werden, was die Vermutung rechtfertigt, dass das erfindungsgemäße Diamantmaterial härter als IIa-Naturdiamant ist.hardness provisions on super hard matter like diamond or diamond-like carbon layers (DLC) prove to be problematic because such measurements are plastic Assume deformation of the material to be tested. This must be the Hardness of Penetration tool over that of the material to be tested. The hardness of the (111) face of a Diamonds of the type IIa could not be determined so far, since this surface with the previously available Tools resist any scoring attempts. It did not succeed with a IIa natural diamond tip of a scoring tool of the type Vickers at a load of 500g scratches or notches on the surface of diamond crystallites produced in Experiment 1 or 2. Also by means of Scanning electron microscopy could not show any marks through the Tool be identified, which justifies the presumption that the diamond material according to the invention harder as IIa natural diamond is.

Um diese Vermutung zu überprüfen, wurden zwei natürliche Diamanten (Typ IIa) mit polierten (111)-Flächen in eine Diamantstempelzelle des Typs Mao-Bell eingesetzt. Kleine Diamantsplitter, die aus verschiedenen Ausgangsmaterialien synthetisiert wurden, wurden zwischen die Diamantstempel der Zelle eingesetzt. Unter der Auflast von 3 N wurden die beiden Diamantstempel um eine Achse gegeneinander rotiert. Diamanten, die im Hochtemperatur-/Hochdruckverfahren aus amorphem Kohlenstoff, Graphit und natürlichem Diamant gemäß Tabelle 2 gewonnen wurden, hinterließen keine Kratzer auf den Flächen der Diamantstempel. Das in den Versuchen 1 und 2 erhaltene Material hinterließ dagegen auf den Diamantstempeln die in 6 gezeigten Ritzspuren. Das neue Material ist also in der Lage, die (111)-Flächen von Diamanten des Typs IIa einzuritzen, was die überraschende Aussage erlaubt, dass die Härte des neuen Materials größer ist.To test this assumption, two natural (type IIa) diamonds with polished (111) faces were placed in a Mao-Bell diamond stamp cell. Small diamond chips synthesized from different starting materials were inserted between the diamond punches of the cell. Under the 3N load, the two diamond punches were rotated around an axis. Diamonds obtained in the high temperature / high pressure amorphous carbon, graphite and natural diamond process as shown in Table 2 did not leave scratches on the surfaces of the diamond punches. The material obtained in experiments 1 and 2, on the other hand, left behind the diamond punches in 6 shown scratches. Thus, the new material is capable of scoring the (111) faces of Type IIa diamonds, allowing for the surprising statement that the hardness of the new material is greater.

GraphitisierungsverhaltenGraphitisierungsverhalten

Versuche zum Graphitisierungsverhalten wurden an natürlichem Ib-Diamant und dem gemäß Versuchen 1 und 2 erhaltenen stäbchenförmigem Diamant-Nanokristallen durchgeführt. Hierfür wurden die Proben Temperaturen zwischen 1000 und 1900 K (in 100 K-Schritten) in einer inerten Atmosphäre (Ar + 2% H2) ausgesetzt. Die Proben wurden zwei Stunden lang auf jeder Temperaturstufe gehalten und dann allmählich abgekühlt. Zur Kontrolle der Graphitisierung wurden EELS-Spektren (7) und Raman-Spektren (8) aufgenommen, da beide Methoden für den Nachweis von eine Graphitisierung anzeigendem sp2-gebundenem Kohlenstoff in dem Material sehr empfindlich sind.Tests on graphitization behavior were carried out on natural Ib diamond and the rod-shaped diamond nanocrystals obtained according to experiments 1 and 2. For this purpose, the samples were exposed to temperatures between 1000 and 1900 K (in 100 K increments) in an inert atmosphere (Ar + 2% H 2 ). The samples were held at each temperature level for two hours and then gradually cooled. To control graphitization, EELS spectra ( 7 ) and Raman spectra ( 8th ), since both methods are very sensitive to the detection of graphitization-indicating sp 2 -bonded carbon in the material.

Ein erstes Anzeichen einer partiellen Graphitisierung ließ sich bei einem natürlichen Diamant bei 1100 K erkennen, bei 1500 K nahm die Graphitisierung schnell zu, die Probe verlor ihre Transparenz.One The first sign of partial graphitization became apparent a natural one Diamond at 1100 K detect, at 1500 K took the graphitization quickly closed, the sample lost its transparency.

7 zeigt EELS-Spektren des als Ausgangsmaterial der Versuche verwendeten Fullerens (Kurve a), von aus Graphit als Ausgangsmaterial erhaltenem synthetischem Diamant (Kurve b), für aus dem Fulleren erhaltenen stäbchenförmigen nanokristallinen Diamant vor (Kurve c) bzw. nach (Kurve d) einem Graphitisierungsversuch bei 1800 K. Das lokale Maximum bei ca. 285 meV der Kurve a zeigt einen Anteil von sp2-gebundenem Kohlenstoff im Fulleren an; in den synthetisierten Diamanten fehlt dieses Maximum vollständig, bei dem erfindungsgemäßen stäbchenförmigen nanokristallinen Material sogar nach dem Graphitisierungsversuch. 7 shows EELS spectra of the fullerene used as the starting material of the experiments (curve a) of synthetic graphite obtained from graphite (curve b), for rod-shaped nanocrystalline diamond obtained from the fullerene before (curve c) or after (curve d) one Graphitisierungsversuch at 1800 K. The local maximum at about 285 meV of the curve a indicates a share of sp 2 -bonded carbon in the fullerene; in the synthesized diamond, this maximum is completely absent, in the rod-shaped nanocrystalline material according to the invention even after the graphitization experiment.

8 zeigt Raman-Spektren von natürlichem Diamant vor einer Graphitisierungsbehandlung (Kurve a), nach einer Graphitisierungsbehandlung bei 1500 K (Kurve b) sowie von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant jeweils nach einer Graphi tisierungsbehandlung bei 1100 K (Kurve c), 1800 K (Kurve d) bzw. 1900 K (Kurve e). Der natürliche Diamant zeigt ein einziges, sehr scharfes Maximum bei 1300 cm–1. Durch Erhitzen auf 1500 K (Kurve b) verbreitert sich dieses Maximum sehr stark, und ein zweites breites Maximum bei 1600 cm–1 erscheint, welches die Entstehung von Graphitbindungen anzeigt. Die Raman-Spektren der stäbchenförmigen Diamant-Nanokristalle gemäß der Erfindung zeigen keines dieser Maxima. Das Fehlen des für die Diamantstruktur typischen Maximums bei 1320 cm–1 mag darauf zurückzuführen sein, dass in Folge der geringen Größe der Kristallite Oberflächeneffekte die Diamantgitterschwingung bei 1320 cm–1 verschieben oder bis zur Unkenntlichkeit verbreitern. Dennoch wäre im Falle einer Graphitisierung der stäbchenförmigen Nanokristalle bei hohen Temperaturen zu erwarten, dass die Graphit-Schwingung bei 1600 cm–1 sichtbar wird, da die Graphitisierung bekanntermaßen an den Kristalloberflächen einsetzt. Die Tatsache, dass selbst die Kurve e keinen Hinweis auf eine Graphitisierung zeigt, lässt auf eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit des Materials schließen. 8th shows Raman spectra of natural diamond before a graphitization treatment (curve a), after a graphitization treatment at 1500 K (curve b) and rod-shaped nanocrystalline diamond after a graphi tisierungsbehandlung at 1100 K (curve c), 1800 K (curve d) resp 1900 K (curve e). The natural diamond shows a single, very sharp maximum at 1300 cm -1 . By heating to 1500 K (curve b), this maximum widened very strongly, and a second broad maximum appears at 1600 cm -1 , which indicates the formation of graphite bonds. The Raman spectra of the rod-shaped diamond nanocrystals according to the invention show none of these maxima. The lack of the maximum for the diamond structure at 1320 cm -1 may be due to the fact that due to the small size of the crystallite surface effects move the diamond lattice vibration at 1320 cm -1 or broaden beyond recognition. Nevertheless, in the case of graphitization of the rod-shaped nanocrystals at high temperatures, it would be expected that the graphite oscillation would be visible at 1600 cm -1 since graphitization is known to occur at the crystal surfaces. The fact that even the curve e shows no evidence of graphitization suggests a very high temperature resistance of the material.

Anwendungenapplications

Diamant stellt ein ideales Schneid-, Schleif- oder Poliermittel für zahlreiche Anwendungen dar, konnte aber leider bisher nicht zur Bearbeitung eisenhaltiger Legierungen eingesetzt werden, da sich bei Hochtemperaturbedingungen während des Bearbeitungsprozesses wahrscheinlich entweder ein Metallcarbid bildet, oder weil Eisen als Katalysator die Rückumwandlung von Diamant in Graphit fördert. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf nach zur Bearbeitung von Eisen und seinen Legierungen geeigneten Schneid-, Schleif- oder Poliermaterialien mit einer Härte ähnlich bzw. höher als Diamant. In Anbetracht des beobachteten Hochtemperaturverhaltens der stäbchenförmigen Diamant-Nanokristalle wurde versuchsweise ein Zylinder aus Edelstahl (Typ SS301) in einer üblichen industriellen Drehbank mit Werkzeugen bearbeitet, die mit einem natürlichen Ib-Diamant bzw. einem Aggregatkörper aus stäbchenförmigen Diamant-Nanokristallen bestückt waren.diamond makes an ideal cutting, grinding or polishing material for numerous Applications, but unfortunately could not be processed iron-containing alloys are used, since at high temperature conditions while the machining process is likely either a metal carbide or because iron acts as a catalyst to reverse the conversion of diamond into Promotes graphite. There is therefore a considerable need for processing Iron and its alloys suitable cutting, grinding or Polishing materials with a hardness similar or higher than Diamond. In view of the observed high temperature behavior the rod-shaped diamond nanocrystals was tentatively a cylinder made of stainless steel (type SS301) in a conventional industrial lathe with tools edited with a natural Ib diamond or an aggregate body made of rod-shaped diamond nanocrystals stocked were.

In 9 ist der Edelstahlzylinder nach der Bearbeitung mit dem mit dem erfindungsgemäßen Diamantmaterial bestückten Werkzeug in der Drehbank bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 141 m/min zu sehen; durch die Bearbeitung wurden die Furchen am Umfang erzeugt.In 9 the stainless steel cylinder can be seen after processing with the equipped with the diamond material according to the invention tool in the lathe at a rotational speed of 141 m / min; through the processing, the furrows were created on the circumference.

10 zeigt eine Photographie des zur Bearbeitung des Stahlzylinders verwendeten natürlichen Ib-Diamanten im Brillantschliff, und 11 zeigt den ebenfalls zur Bearbeitung des Edelstahlzylinders eingesetzten synthetischen Diamantkörper mit stäbchenförmigen Nanokristallen gemäß der Erfindung. Der natürliche Diamant ist an seinem oberen Rand deutlich sichtbar geätzt; das synthetische Material ist frei von Verschleißspuren. 10 shows a photograph of the used for processing the steel cylinder natural Ib brilliant cut diamond, and 11 shows the also used for processing the stainless steel cylinder synthetic diamond body with rod-shaped nanocrystals according to the invention. The natural diamond is etched clearly visible at its upper edge; the synthetic material is free of traces of wear.

Claims (12)

Verfahren zum Erzeugen von nanokristallinem Diamantmaterial mit stäbchenförmigen Kristallen durch einen Schritt des Wärmebehandelns von Fulleren bei einer Temperatur zwischen 1500 und 2300°C unter einem Druck von 15 bis 25 GPa über eine Zeitspanne von wenigstens 45 Minuten.Process for producing nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals by a step of heat treating of fullerene at a temperature between 1500 and 2300 ° C below a Pressure of 15 to 25 GPa over a period of at least 45 minutes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungsdauer höchstens 120 Minuten, vorzugsweise von 60 bis 80 Minuten, beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the heating time is at most 120 minutes, preferably from 60 to 80 minutes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen 18 und 21 GPa beträgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the pressure is between 18 and 21 GPa. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungstemperatur zwischen 1900 und 2100°C beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heating temperature is between 1900 and 2100 ° C is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Wärmebehandelns ein Schritt des Ausgasens des Fullerens ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that before the step of heat treating, a step of Outgassing of fullerene executed becomes. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgasen das Fulleren mehrere Stunden lang im Hochvakuum auf mehrere 100°C erhitzt wird.Method according to claim 5, characterized in that that for outgassing the fullerene for several hours in a high vacuum to several 100 ° C is heated. Diamantmaterial mit stäbchenförmigen Kristallen, erhältlich mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle untereinander aggregiert sind.Diamond material with rod-shaped crystals, available with a method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the crystals are aggregated with each other. Werkzeug zur Materialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsoberfläche des Werkzeugs stäbchenförmige nanokristalline Diamantkristalle aufweist.Tool for material processing, characterized that a work surface of the tool rod-shaped nanocrystalline Diamond crystals has. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantkristalle untereinander aggregiert sind.Tool according to claim 8, characterized that the diamond crystals are aggregated with each other. Druckstempel für eine Hochdruckzelle, dadurch gekennzeichnet, dass er stäbchenförmige nanokristalline Diamantkristalle aufweist.Pressure stamp for a high-pressure cell, characterized in that it is rod-shaped nanocrystalline Diamond crystals has. Verwendung von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant als Schneid-, Schleif- oder Poliermaterial, insbesondere zur Bearbeitung von Eisenmetallen.Use of rod-shaped nanocrystalline diamond as a cutting, grinding or polishing material, in particular for processing of ferrous metals. Verwendung von stäbchenförmigem nanokristallinem Diamant als Referenzmaterial für Härteuntersuchungen.Use of rod-shaped nanocrystalline diamond as a reference material for hardness analysis tions.
DE200410026976 2004-06-02 2004-06-02 Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure Withdrawn DE102004026976A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410026976 DE102004026976A1 (en) 2004-06-02 2004-06-02 Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410026976 DE102004026976A1 (en) 2004-06-02 2004-06-02 Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004026976A1 true DE102004026976A1 (en) 2006-03-16

Family

ID=35853142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410026976 Withdrawn DE102004026976A1 (en) 2004-06-02 2004-06-02 Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004026976A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3266756A4 (en) * 2015-03-06 2018-12-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Polycrystalline diamond body, cutting tool, wear-resistant tool, grinding tool and method for producing polycrystalline diamond body
CN111408468A (en) * 2020-02-24 2020-07-14 东莞职业技术学院 Grinding method for nonporous nano material
CN113896533A (en) * 2021-09-26 2022-01-07 吉林大学 Millimeter-scale sp3Amorphous carbon block and preparation method thereof

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3266756A4 (en) * 2015-03-06 2018-12-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Polycrystalline diamond body, cutting tool, wear-resistant tool, grinding tool and method for producing polycrystalline diamond body
CN111408468A (en) * 2020-02-24 2020-07-14 东莞职业技术学院 Grinding method for nonporous nano material
CN111408468B (en) * 2020-02-24 2021-10-08 东莞职业技术学院 Grinding method for nonporous nano material
CN113896533A (en) * 2021-09-26 2022-01-07 吉林大学 Millimeter-scale sp3Amorphous carbon block and preparation method thereof
US20230096646A1 (en) * 2021-09-26 2023-03-30 Jilin University Millimeter-sized sp3 amorphous carbon block material and method for preparing the same
CN113896533B (en) * 2021-09-26 2023-04-14 吉林大学 Millimeter-scale sp 3 Amorphous carbon block and method for producing same
US12030777B2 (en) * 2021-09-26 2024-07-09 Jilin University Method for preparing millimeter-sized sp3 amorphous carbon block material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69530161T2 (en) Low defect density single crystal diamond and process for its manufacture
CH436096A (en) Composite body and method of making it
DE69222138T2 (en) DIAMOND-COVERED HARD MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE112012001643B4 (en) Cutting tool and method of making the same
DE69411244T2 (en) Synthetic diamond and process for its manufacture
DE69123894T2 (en) Process for the synthesis of diamond single crystals with high thermal conductivity
DE112013002107B4 (en) SiC single crystal production method
DE112012002094B4 (en) Silicon carbide powder and process for the production of silicon carbide powder
DE102015208491B4 (en) Polycrystalline diamond body, cutting tool, wear-resistant tool, grinding tool and method for producing a polycrystalline diamond body
CN104726803A (en) Method for preparing nanocrystalline metal material containing nano-sized precipitates within crystal
DE3242607A1 (en) NICKEL-BASED SUPER ALLOY MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING IT
DE69427325T2 (en) Process for increasing the strength of artificial diamonds
DE102004026976A1 (en) Producing a nanocrystalline diamond material with rod-shaped crystals, e.g. useful as a cutting, grinding or polishing material, comprises heat treating fullerene at high pressure
DE60005034T2 (en) GROWTH OF DIAMOND CLUSTERS
DE69017776T3 (en) Sintered body made of cubic boron nitride and process for its production.
CN113308626B (en) Nickel-based alloy containing gradient nano-structure and preparation method thereof
DE19624694A1 (en) Graphitic and amorphous carbon transformation to diamond
DE2100147C3 (en) Method and device for the production of polycrystalline diamonds
DE2533743C3 (en) Process for the production of a polycrystalline diamond element
DE68910476T2 (en) Method and device for hafnium particles.
DE1189529B (en) Process for the production of synthetic diamonds
DE102019104492A1 (en) PROCESS FOR PREPARING A CRYSTALLINE ALUMINUM IRON / SILICON ALLOY
DE2100188C3 (en) Process for the production of polycrystalline diamond aggregates
CN115094520B (en) Negative thermal expansion material (Ni 1-x Fe x ) 1-δ S and preparation method thereof
DE69820098T2 (en) DIAMOND PARTICLE, COMPOSED OF A DIAMOND CORE AND A DIAMOND COATING

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20120103