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Verfahren zur Synthese von Diamanten Seit Ende des vorigen Jahrhunderts
wurden immer wieder Versuche zur Synthese von Diamanten unternommen. Oftmals wurde
mitgeteilt, daß nun endlich die Synthese künstlicher Diamanten gelungen sei.
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Später stellte sich aber regeImäßig heraus, daß diese Mitteilungen
nicht der Wahrheit entsprachen. Im Jahre 1955 konnte der Erfinder wahrheitsgemäß
bekanntgeben, daß mehreren seiner Mitarbeiter die Synthese künstlicher Diamanten
geglückt ist. Bekanntlich ist dies mit Hilfe neuartiger Hochdruck apparaturen möglich,
mit denen Drücke von über 100 000 Atmosphären bei Temperaturen bis zu 30000 K längere
Zeit aufrechterhalten werden können. Aus den bisherigen Veröffentlichungen ergibt
sich, daß zur Synthese von Diamanten kohIenstoffhaItiges Material im diamantstabilen
Gebiet des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden Druck- und Temperaturbedingungen
ausgesetzt werden muß, beispielsweise einem Druck von ungefähr 53000 Atmosphären
bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 25000 K.
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Es sind mehrere nach thermodynamischen Grundlagen errechnete Graphit-Diamant-Umwandlungskurven
bekannt, die das diamantstabile Gebiet vom graphitstabilen Gebiet im Zustandsdiagramm
von Kohlenstoff trennen. Eine der neuesten Umwandlungskurven stammt von Berman und
Simon und ist in der »Zeitschrift für Elektrochemie«, 59, S. 333 (1955), veröffentlicht.
Es wurde bisher alIgemein angenommen, daß Kohlenstoff in Diamant umgewandelt werden
könnte, wenn er im diamantstabilen Gebiet liegenden Druck- und Temperaturbedingungen
ausgesetzt wird.
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Es wurde gefunden, daß nur dann Diamanten entstehen, wenn man kohlenstoffhaltiges
Material in Gegenwart eines bestimmten Metalls im diamantstabilen Gebiet des Zustandsdiagramms
von Kohlenstoff liegenden Temperatur- und Druckbedingungen aussetzt. Nach der Erfindung
kann kohlenstoffhaltiges Material in Diamant umgewandelt werden, wenn man das kohlenstoffhaltige
Material in Gegenwart von Platin einem Druck von wenigstens 90000 Atmosphären bei
einer Temperatur von 2050 bis 25000 C unterwirft. Bei diesen Reaktionsbedingungen
kann eine fast unbegrenzte Auswahl von kohlenstoffhaltigen Stoffen in Diamant umgewandelt
werden.
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Um die Erfindung näher zu erläutern, sind weiter unten Beispiele
für die Umwandlung von Graphit zu Diamant angeführt, hauptsächlich deshalb, weil
Graphit ein leicht zugängliches Ausgangsmaterial für die Diamantsynthese ist. Es
können natürlich auch neben Graphit noch andere kohleartigen Stoffe in Diamant umgewandelt
werden. Das gegenwärtige Ertindungsverfahren kann daher auch auf amorphen Kohlenstoff,
Kohle, Koks, Holzkohle usw. angewandt werden.
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Zusätzlich ist das Verfahren gemäß der Erfindung auch noch auf Stoffe
anwendbar, die chemisch gebundenen Kohlenstoff enthalten. Diese Art von Stoffen
umfaßt kohlenstoffhaltige organische und anorganische Verbindungen bekannter Zusammensetzung
und Struktur und auch organische Materialien. Erläuternde Beispiele für verschiedenartige
kohlenstoffhaltige Stoffe, die in der Erfindung verwendet werden können und chemisch
gebundenen Kohlenstoff enthalten, sind Steinkohlenteerpech, Holz, Papier, LIthiumcarbid,
Naphthalin. Obwohl das Verfahren auf die Umwandlung von chemisch gebrudenem Kohlenstoff
zu Diarnant angewendet werden kann, wird nicht angenommen, daß chemisch gebundener
Kohlenstoff unmIttelbar in Diamant umgewandelt wird. Es ist anzunehmen, daß der
chemisch gebundene Kohlenstoff sich zunächst unter den Reaktionsbedingungen in freien
Kohlenstoff zersetzt und dieser freie Kohlenstoff dann zu Diamant umgewandelt wird.
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Bei der Durchführung des Verfakess gemäß der Erfindung werden der
Kohlenstoff und das Platin zusammeagebracht und auf eine Temperatur von 2050 bis
25000 C bei einem Druck von wenigste 90 000 At-
sphären eine genügend
lange Zeit erhitzt, um die Umwandlung des Kohlenstoffs in Diamant zu ermöglichen.
Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen7 daß die in der Beschreibung angeführten
Drücke in Form von MTiderstandsänderungen be stimmter Eleebte gemesen wurden, wie
sie beispielsweise von P.,W. Bridgeman in der Zeitschrift »Proceedings of American
Academy of Arts and Sciences<r, 81, 5 165 {Mätr: 1952), angegeben sind.
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Die für die Umwandlung erforderliche Zeit ist sehr kurz, und befriedigende
Umwandlungen von z. B.
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Graphit zu Diamant wurden schon in 30 Sekunden erreicht. Im allgemeinen
wird es jedoch vorgezogen, das kohlenstoffhaltige Material und das Platin ungefähr
3 Minuten lang auf dem Reaktionsdruck und auf der Reaktionstemperatur zu halten,
um eine gute Diamantenansb ente zu gewährleisten.
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Das Verhältnis von kohlenstoffhaltigem Material zu Platin kann innerhalb
weiter Grenzen verändert werden. Es wurde tatsächlich keine Grenze für dieses Verhältnis
gefunden. Im allgemeinen werden 0,1 bis 10 Gewichtsteile des kohlenstoffhaltigen
Materials pro Gewichtsteil Platin verwendet, vorzugsweise ungefähr 0,15 Gewichtsteile
des kohlenstoffhaltigen Materials pro Gewichtsteil Platin. Auch die Form des kohlenstoffhaltigen
Materials und des Platins ist unwichtig.
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So wurde eine befriedigende Umwandlung von Graphit zu Diamant erreicht,
wenn nur Kohlenstoff oder Kohlenstoff und Platin in pulverisierter oder in fester
Form verwendet wurden, wobei der Kohlenstoff und das Platin gut vermischt oder nur
nebeneinander angeordnet wurden.
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Auch der angewandte Druck kann innerhalb weiter Grenzen geändert
werden. Die einzige Begrenzung des Druckes ist die, daß er mindestens einen Wert
von 90 000 Atmosphären haben muß. Ein Druck bis zu mehreren 100 000 Atmosphären
kann verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schwankt
jedoch der Druck zwischen 90 000 und 115000 Atmosphären. Zur Durchführung des gegenwärtigen
Erfindungsverfahrens genügt eine Apparatur, mit der die erforderlichen Drücke und
Temperaturen erreicht werden können.
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Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Ausführung der
Erfindung. Bei allen Beispielen wurde die in Patentanmeldung G28588IVa/12 beschriebene
Vorrichtung verwendet. In allen Beispielen war der Druck auf das Reaktionsgefäß
einheitlich. Die in den Beispielen angegebenen Temperaturen sind die Temperaturen
an den Stellen der Grenzfläche von Platin und Kohlenstoff, an denen Diamanten gebildet
wurden. Die Temperaturen an anderen Stellen der Grenzfläche können von den angegebenen
Werten abweichen.
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Bei allen Beispielen wurden die Reaktionsprodukte mit rauchender
roter Salpetersäure behandelt, die eine Auflösung aller Stoffe des Endproduktes
mit Ausnahme von Diamant bewirkte. Die gebildeten Diamanten wurden wenigstens nach
einer der folgenden Methoden geprüft um sicher zu sein, daß das gebildete Produkt
tatsächlich Diamant war: Röntgenstrahlenkristallographie Brechungsindex, Dichte,
chemische Analyse, lufrarotanalyse und Härteversuche.
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In der folgenden Tabelle sind für jedes Beispiel der angewandte Druck
und die angewandte Temperatur, die Zeit, währerLd der das Reaktionsgefäß diesem
Druck und dieser Temperatur ausgesetzt war, und die Ergebnisse der ;9iele angeführt.
| Tempe- Zeit |
| Beispiel Druck ratur Zeit Ergebnis |
| Atm. °C Minuten |
| 1 90000 2050 3 Diamantenbildung |
| 2 90000 2500 3 Diamantenbildung |
| 3 97000 2050 4 Diamantenbildung |
| 4 97000 2500 6 Diamantenbildung |
| 5 100000 2150 2 Diamantenbildung |
| 6 100000 2400 2 Diamantenbildung |
| 7 110000 2150 3 Diamantenbildung |
| 8 110000 2400 3 Diamantenbildung |
| 9 115000 2400 3 Diamantenbildung |
| 10 85000 2400 3 keine |
| Diamantenbildung |
| 11 100000 2000 3 keine |
| Diamantenbildung |
| 12 95000 2700 3 keine |
| Diamantenbildung |
Wie durch das Beispiel 10 gezeigt wird, werden keine Diamanten gebildet, wenn zwar
die Temperatur innerhalb des Bereiches von 2050 bis 25000 C liegt, aber der Druck
unter dem Mindestwert des Druckes von 90000Atmosphären liegt. In ähnlicher Weise
wird durch das Beispiel 11 gezeigt, daß keine Diamanten gebildet werden, wenn zwar
der Druck 100000 Atmosphären beträgt, aber die Temperatur nur 20000 C beträgt, was
unterhalb der Mindesttemperatur von 20500 C liegt. Wie Beispiel 12 zeigt, werden
auch keine Diamanten gebildet, falls die Temperatur über 25000 C liegt.
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Die Produkte des Beispiels 5 wurden zur Bestätigung, daß Diamanten
gebildet wurden, durch röntgenkristallographische Verfahren geprüft. Röntgenstrahlenbeugungsbilder
der in diesem Beispiel hergestellten Diamanten erhielt man dadurch, daß man mit
CuKa-Strahlung in einer zylinderförmigen Kamera von 5 cm Radius eine Debye-Scherrer-Aufnahme
machte. Diese Aufnahme zeigte ausdrücklich, daß Diamanten gebildet worden waren.
In der folgenden Tabelle sind die durch diese Aufnahmen gemessenen Abstände der
Kristallflächen (d in Angström) mit den theoretischen Werten für Diamanten verglichen.
| Abstände der Kristallflächen (d in Angström) |
| Fläche [ Gemessen I Theoretischer Wert |
| 110 2,06 2,060 |
| 220 1,26 1,262 |
| 331 1,075 1,076 |
| 400 0,89 0,8920 |
Da die nach dem Verfahren der Erfindung synthetisierten Diamanten sich nicht von
den in der Natur vorkommenden Diamanten unterscheiden, können sie in derselben Weise
wie Naturdiamanten verwendet werden, z. B. als Edelsteine in Schmuckartikeln, als
Schneide in einem Glas schneider, als s chieifender Bestandteil in Schleifscheiben.