DE19955971A1

DE19955971A1 - Verfahren zur dynamisch-chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, diamantartige Kohlenstoffstrukturen und Verwendungen von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen

Info

Publication number: DE19955971A1
Application number: DE19955971A
Authority: DE
Inventors: Christa Schoenefeld; Tejas Schoenefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Carbo-Tec Gesellschaft fur Nano- und Biotechnisch
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2001-01-25

Abstract

Zur dynamisch-chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen wird in einen geschlossenen Behälter eine hybride Kohlenstoffphase gegeben, die mit einem Energieträger zur chemischen Reaktion gebracht wird, um dispersen kondensierten Kohlenstoff als Reaktionsprodukt zu erzielen. Dieses Reaktionsprodukt wird einem atomar wasserstoffgestützten Niedertemperatur-Plasma ausgesetzt, so daß eine Phasenumwandlung von Kohlenstoff in hochreine kubische Gitterstrukturen erzielt wird. DOLLAR A Dadurch sind diamantartige Kohlenstoffstrukturen zu erhalten, die eine Reinheit der kubischen Diamantphase von etwa 100% aufweisen. Die Kristallitgrößen liegen im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm und die Cluster-Größenordnungen zwischen 50 nm und 20 _m. Die Partikeldurchmesser in Dispersion betragen zwischen 40 nm und 500 nm. DOLLAR A Die erfindungsgemäßen Kohlenstoffstrukturen eignen sich zur Oberflächenbearbeitung von harten Werkstoffen, als elektrischer Isolator oder als Wärmeübertragungsmittel. DOLLAR A Hierzu werden die diamantartigen Kohlenstoffstrukturen einer Suspension, einer Dispersion, einer Emulsion, einem Spray, einer Paste, einem Fett, einem Wachs oder einem Lacksystem zugegeben.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur dynamisch chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, bei denen in einen geschlossenen Behälter eine hybride Kohlenstoffphase gegeben wird und mit einem Energieträger zur chemischen Reaktion gebracht wird, um dispersen kondensierten Kohlenstoff als Reaktionsprodukt zu bilden. Die Erfindung betrifft weiterhin verschiedene diamantartige Kohlenstoffstrukturen und Verwendungen derartiger Kohlenstoffstrukturen.

Disperser kondensierter Kohlenstoff wird als phasengewandelte Kohlen stoffstruktur, insbesondere im Rahmen der synthetischen Diamanther stellung, erzeugt. Neben statisch katalytischen Hochtemperatur-Druck-, Stoßdruck-, physikalischen (PVD) und chemischen (CVD) sowie kombi nierten Verfahren finden auch sogenannte dynamische Verfahren Anwen dung, die auf der chemischen Umsetzung energiereicher Stoffe und Ver bindungen beruhen und zur Bildung von hexagonalen und kubischen Carbonstrukturen überwiegend in Form disperser und ultradisperser Systeme führen.

Die Grundlage der dynamisch chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen bilden die Gesetzmäßigkeiten, die sich bei der chemischen Umsetzung von hochenergetischen Stoffen, vorwiegend mit negativer Sauerstoffbilanz, kurzzeitig vollziehen. Sie bestehen im wesentlichen darin, daß der bei der chemischen Reaktion dieser Stoffe freigesetzte und durch die Generatorgas-Reaktion charakterisierte kondensierte Kohlenstoff solchen Bedingungen ausgesetzt wird, daß eine Phasenumwandlung in höher strukturierte Kristallgitter-Strukturen von statten gehen kann.

Die chemische Reaktion kohlenstoffhaltiger Energieträger wird in der Regel durch Explosivstoffe mit negativer Sauerstoffbilanz erreicht und in geschlossenen Hochdruckbehältern unter Bedingungen einer inerten Gas atmosphäre durchgeführt. Der atmosphärische Sauerstoff ist dabei weitest gehend mittels Vakuumierung des Behältersystems zu eliminieren, um eine inerte Gasatmosphäre durch spezielle inerte Gase oder deren Gemische, die jeweils unter funktionalem Druck stehen, zu erzielen. Diese inerte Gas atmosphäre soll einer Regraphitierung der höher strukturierten Kohlenstoff- Phasen entgegenwirken.

Diese Verfahren sind jedoch technisch und technologisch äußerst aufwendig und unökonomisch. Trotz Bereitstellung von ultradispergierten konden sierten Kohlenstoff-Phasen in den Reaktionsprozeß werden nur wirtschaft lich äußerst geringe Bildungsraten von etwa 8,0% bis 10,0% Massenanteil der jeweils hergestellten und erwünschten Kohlenstoffstrukturen, bezogen auf die Masse des eingesetzten Reaktions- bzw. Spendermaterials erreicht. Technologien dieser Art sind damit großtechnologisch und ökonomisch un relevant.

Die mit diesem Verfahren hergestellten höher strukturierten Kohlenstoff- Systeme enthalten bis zu 40% hexagonale Diamantstrukturen (minder wertiger Lonstelit) sowie bis zu 30% röntgenamorphe Phasen und restlich kubische Diamantanteile, die jedoch Phasenreinheiten von nicht mehr als 85% bis 95% aufweisen. Damit liegen mechanische Gemenge von unter schiedlichen Carbonstrukturen mit praktisch nicht definierbaren System eigenschaften vor, deren technisch-industrielle Verwendbarkeit in starkem Maße eingeschränkt ist.

Darüber hinaus enthalten diese Stoffkonfigurationen auf der Material oberfläche eine Vielzahl an funktionellen Gruppen sowie Kohlenstoffatome mit freien Bindungen, die zu schwer definierbaren Oberflächenpolaritäten führen und damit erforderliche Vernetzungsprozesse im Verbund mit anderen Stoffen und Materialien erschweren oder sogar unmöglich machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur dynamisch chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstruk turen zu entwickeln, das eine wirtschaftliche Herstellungsweise bei gleich zeitig hoher Phasenreinheit ermöglicht. Darüber hinaus sollen diamantartige Kohlenstoffstrukturen mit definierten Eigenschaften bereitgestellt werden und neue Verwendungen derartiger Stoffe vorgeschlagen werden.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem das Reaktionsprodukt einem atomar wasserstoffgestützten Niedertemperatur-Plasma ausgesetzt wird und eine Phasenumwandlung von Kohlenstoffkombinationen in hochreine kubische Gitterstrukturen erzielt wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines atomar wasserstoffgestützten Niedertemperatur-Plasmas zu einer sehr hohen Prozeßausbeute an hochreinen kubischen Gitterstrukturen führt.

Vorzugsweise wird zusätzlich ein Kohlenstoffspendersystem eingebracht. Dieses Kohlenstoffspendersystem weist vorzugsweise flüssige oder gas förmige Kohlenwasserstoffverbindungen auf, wobei vorallem mit orga nischen Kohlenwasserstoffverbindungen besonders gute Prozeßergebnisse erzielt wurden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß hybride Kohlenstoff systeme, vorrangig flüssige Kohlenwasserstoffverbindungen im Verbund mit, kondensiertem bei der chemischen Umsetzung der Energieträger entstehen dem Kohlenstoff in einen hoch energetischen und kurzzeitlichen chemischen und thermogasdynamischen Prozeß derart eingeführt werden können, daß einerseits die Herausbildung von kondensiertem Kohlenstoff stöchometrisch unterstützt wird und andererseits die Kovaleszens bereits formierter bzw. depositionierter Cluster aus der chemischen Reaktion eines eingesetzten Energieträgers initiiert und optimal im komplexen System vollzogen werden kann.

Der chemisch physikalische Bildungsprozeß wird dabei unter Bedingungen eines atomar wasserstoffgestützten Niedertemperatur-Plasmas bei Anwesen heit von ⁿH ≧ 9,12×10¹⁷ dahingehend unterstützt, daß die Elektronen promovierung mit nachgesetzter Hybridisierung vorwiegend nicht nach Diffusions- sondern nach Martensid-Mechanismus erfolgt.

Dadurch wird es ermöglicht diamantartige Kohlenstoffstrukturen groß technologisch in nano- und mikroskaligen Kristallidbereichen sowie in cluster- und polykristallinen Strukturen mit neuen Herausstellungs eigenschaften ökonomisch zu produzieren. Die derart hergestellten diamant artigen Kohlenstoffstrukturen können technisch so formiert werden, daß sie Ausgangsmaterialien für die Darstellung höher strukturierter Kohlenstoff systeme, wie Fullerene, Hyper-Fullerene, Nano-Tubes, Onion-Like Carbons (OLC) u. a. bilden.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin diamantartige Kohlenstoff strukturen, die sich dadurch auszeichnen, daß die Reinheit der kubischen, Diamantphase bei 99%, vorzugsweise bei 100% liegt (NJC Scan 1/X-Ray- Pattern). Die Kristallitgrößen der Kohlenstoffstrukturen liegen im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm (X-ray diffraction). Clustergrößenordnungen von 50 nm bis 20 µm (scanning electron microskope) wurden erreicht sowie Partikeldurchmesser in Dispersion von 40 nm bis 500 nm (photon correlation spectroscopy). Röntgenamorphe Phasen treten nicht auf.

Durch die Verfahrensführung können verschiedene Parameter des Materials variiert oder dotiert (cloning) werden: spezifische Oberflächenwerte, spezifische Magnetisierbarkeit, Zeta-Potential, spezifischer elektrischer Widerstand, freie Energie in Bezug auf Wasserdampfaufnahme u. a. Auf diese Weise sind vor allem folgende Merkmale steuerbar: Porositäten und Sorptionseigenschaften, Charakteristika, die definitive Vernetzungs parameter ergeben, Oberflächenpolaritäten in hydrophiler bzw. hydro phober Auslegung, Transfer-, elektrische Isolations- sowie Halbleiter eigenschaften u. a.

Für das Super- und End-Finishing sowie für das Polishing, insbesondere das Nano-Polishing, das Planarisieren und das Trowalieren von harten und superharten Werkstoffoberflächen werden gegenwärtig synthetische hochharte Werkstoffe (Diamant kubisches Bornitrit, Metalloxide u. a.) verwendet, die aufgrund ihrer spezifischen Charakteristika, insbesondere der Blocking-isometrischen Formgebung und der damit in enger Beziehung stehenden Neigung zur Spaltflächenbildung bei entsprechenden mechanischen Belastungen gute abrasive Leistungen gewährleisten. Bei der Erzielung gegenwärtig in zunehmendem Maße geforderter hoher Ober flächengüten, vorwiegend in Nano-Bereichen stoßen diese Materialien je doch an die Grenzen der technischen Machbarkeit. Polykristalline Diamant strukturen der Art MYPOLEX der Firma DuPont (Erzeugung durch externe Explosinssynthese) haben gegenüber natürlichen und konventionell synthetisierten Industriediamanten folgende Vorteile:

- ungeordnete Morphologie ohne bedeutende Spaltflächen ("selbstschärfende Teilchen") mit lateralem Mikroriß oder Spallationsmechanismen,
- gleichbleibende Härtecharakteristika und
- zwei- bis dreimal größere spezifische Oberflächen.

Sie können jedoch den Bereich von 0,005 µRa sowie Polspitzenrezessionen (PTR) von 0,01 µ nicht unterschreiten. Darüber hinaus ist der industrielle Einsatz von Mypolexkonfigurationen und anderen Diamant hochleistungssystemen äußerst kostenintensiv und bei einer Reihe technischer Anwendungen nicht optimal und zielführend.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen diamantartigen Kohlenstoffstrukturen können jedoch durch dynamisch-chemische Hybridtechnologien ökonomisch effizient produziert werden und weisen eine Vielzahl spezifischer Eigen schaften auf, die sie gegenüber konventionellen Industriediamantkonfigura tionen herausstellen.

Aufgrund der spezifischen Eigenschaften, insbesondere von Morphologie und Kornform sowie der spezifischen Oberflächencharakteristika und des mittleren Zeta-Potentials der erfindungsgemäßen diamantartigen Kohlenstoffstrukturen können an superharten Werkstoffoberflächen Finishwerte von Ra = 2 nm bis 10 nm sowie Polspitzenrezessionen von PTR = 0,5 nm bis 2 nm erreicht werden. Außerdem sind polishing Geschwindigkeiten von etwa 0,3 µm bis 5,0 µm pro Minute erzielbar, die optimale, schonende Glättungseffekte zur Folge haben.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Nano- Politur einer vorgeschliffenen Oberfläche aus Siliziumnitritkeramik im Vergleich zu einer Hochleistungsdiamantkörnung. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Siliziumnitritkeramik, die geschliffen wurde und anschließend mit einer handelsüblichen Diamantsuspension poliert wurde. Die Fig. 3 und 4 zeigen im Gegensatz hierzu eine Nano-High-Endpolitur mit einer wässrig-kationisch, kurzkettigen Suspension aus diamantartigen Kohlenstoffstrukturen an einer geschliffenen Siliziumnitritkeramik.

Maßgebend für die vorteilhafte Verwendung von diamantartigen Kohlen stoffstrukturen zur Oberflächenbearbeitung von harten Werkstoffober flächen sind unter anderem die linsenförmige (ogivale) Korngestaltung der Einzelkristallite sowie der Syntheseprozeß, der einen Kristallbildungsprozeß von "unten" gewährleistet. Das heißt, das Korn bzw. die entsprechenden Clusterkonfigurationen wachsen auf eine definierte Größe auf und werden nicht, wie derzeit üblich, mittels Mahlvorgängen aus größeren Kornge bilden gebrochen, was unweigerlich zu schärferen Konturen und zur Herausbildung von kohärenten Spaltebenen bei gleichzeitig verminderter Druckfestigkeit führt.

Die erfindunsgemäßen diamantartigen Kohlenstoffstrukturen eignen sich vor allem für die folgenden Behandlungsverfahren:

- Behandlung hochfester Keramiken, von Edelsteinen und Sonderwerkstoffen für Elemente und Baugruppen der Mikro- und Hochleistungselektronik. Die optimale polishing-speed liegt hierbei zwischen 0,3 µm und 5 µm pro Minute.
- Präzisionspolituren an metallbeschichteten Teilen einer Memory-Disc oder von Metallspiegeln,
- Behandlung von Teilen und Baugruppen aus Polykarbonaten wie Brillengläsern u. a.
- Behandlung von optischen, optronischen und Laserbaugruppen sowie Magnetkopfsystemen,
- Behandlung von orthopädischen und Dentalprothesen,
- für Mikro-Honwerkzeuge, Miniatur- und Präzisionskugellager,
- für mechanische Dichtungs- und Gleitsysteme (wie unter anderem Pumpen, Ventile, Zylinder, Kolben, Lager, Buchsen sowie Oberflächen von Umformstempeln),
- metallurgraphische und kristallographische Präparationen,
- Behandlung von Elementen und Baugruppen aus Polyacryl (zum Beispiel Fenster für Flugzeugkabinen u. a.) sowie von Kontaktlinsen,
- Polituren komplizierter und nichtplanarer Oberflächen mittels Gleitschleifen (Trowalisieren) sowie Planarisieren von Elementen der Hochleistungs- und Mikroelektronik.

Zum Erreichen der angestrebten Kenn- und Leistungscharakteristika sind die erfindungsgemäßen diamantartigen Kohfenstoffstrukturen in speziell dafür ausgelegte Trägermedien einzugeben. Als Trägermedien eignen sich wässrige und organische wasserlösliche Suspensionen, Emulsionen, Trays, Fette, Pasten und Wachse.

Eine weitere vorteilhafte Verwendung von diamantartigen Kohlenstoff strukturen, insbesondere der oben beschriebenen Kohlenstoffstrukturen liegt im Einsatz als elektrischer Isolator. Außerdem können die diamantartigen Kohlenstoffstrukturen als Wärmeübertragungsmittel verwendet werden. Be sonders vorteilhaft ist es, wenn neben der hohen Fähigkeiten zur elek trischen Isolation die Eigenschaften zum optimalen Transfer von Wärme energie von einem Körper auf den anderen genutzt werden können. Dies ist eine typische Aufgabestellung bei verlustbehafteten elektronischen Bauteilen. Die Erfindung beschreibt daher eine vorteilhafte Anwendung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, vorwiegend in Nano- und Mikro körnungsbereichen als elektrische Isolier- oder thermische Transfermittel. Dies wird durch das Einbringen der Kohlenstoffe in Pasten, Kleber, Lacke, Fette, Lote und in kompositäre Werkstoffverbunde vorrangig für den technisch-industriellen Einsatz in Bereichen der Hochleistungselektronik, Mikroelektronik sowie Elektrotechnik und Energetik erreicht.

Bei elektronischen Bauteilen, insbesondere bei Halbleiterbauelementen besteht eine große Temperaturabhängigkeit bezüglich Linearität und Funktionsfähigkeit. Geht man davon aus, daß zum Beispiel Sperrschicht kristalle aus Germanium in Temperaturbereichen zwischen 85°C und 100°C belastbar sind und die Linearität der Bauelemente oft nur in einem begrenzten Bereich schaltungstechnisch ausreichend ist, muß produzierte Wärme nach Außen abgeleitet werden, um die Betriebsbereitschaft zu gewährleisten und den Halbleiter in einem festgelegten Temperaturfenster zu halten.

Gegenwärtig wird mit Hilfe von Kühlkörpern die aktive wärmeabgebende Oberfläche vergrößert. Da jedoch diese Hochleistungsbauelemente nicht plan sind und deshalb eine gewisse Rauhigkeit aufweisen, werden sie mittels eines sogenannten wärmeleitenden Mediums mit dem Kühlkörper verbunden. Diese Medien müssen dabei gleichzeitig eine außerordentlich hohe elektrische Isolierfähigkeit aufweisen und eine optimale Anpassung an die entsprechende Oberfläche garantieren ohne andererseits ein Fließ verhalten zu zeigen.

Bisher bekannte Pasten, Fette, Lacke, Kleber, Lote, Foliensysteme u. a., deren thermische Transfereigenschaften durch ihre spezifische und material abhängige Leitfähigkeit beschrieben werden, können physikalisch bedingt Leitwerte von 2,5 W/mK bisher nicht überschreiten. Außerdem ist bei den bekannten Medienwerkstoffen wie Glimmer, Aluminiumoxid, Bornitrit oder Berylliumoxid nachteilig, daß sie zum Teil hoch toxisch sind (zum Beispiel Berylliumoxid) und einen hohen spezifischen thermischen Leitwiderstand aufweisen. Dies betrifft insbesondere keramische und polimerische Foliensysteme. Viskose Systeme wie Pasten, Fette, Lacke, Kleber u. a. können meist nicht bereits während des Herstellungsprozesses der zu kühlenden elektronischen Komponente aufgebracht werden und sind daher schwer zu handhaben.

Die Verwendung diamantartiger Kohlenstoffstrukturen als elektrischer Iso lator von Wärmeübertragungsmitteln führt zu erheblich verbesserten Kenn- und Leistungscharakteristika und gewährleistet eine optimale Verarbeitung mit dem entsprechenden Medienträger in Anpassung an die jeweilige Komponente. Gleichzeitig stellt dabei das erfindungsgemäße Material einen optimalen elektrischen Isolator dar und führt zur Verbesserung einer Reihe weiterer Leistungscharakteristika des Gesamtsystems wie Härte, Dielektri zitätskonstante, Durchschlagspannung, spezifische Dichte, Zug-, Bruch-, und Durchdrückfestigkeit, Dehnung, Verlustfaktor u. a.

Das erfindungsgemäße Material ist anwendungsspezifisch dotierbar und läßt sich großtechnologisch und kostengünstig herstellen. Die technische Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sowie die Leistungsfähigkeit gängiger Elektronikkomponenten läßt sich darüber hinaus durch optimierte Verlust leistungsabfuhr ohne konstruktive Änderungen der Baugruppen und Bau teile erheblich steigern.

Zum Erreichen der Kenn- und Leistungscharakteristika werden ent sprechenden Trägersystemen diamantartige Kohlenstoffstrukturen in fester hochdisperser Form oder als Suspension, Dispersion oder Emulsion beige geben. Erfindungsgemäß weisen dabei die so beigegebenen Kohlenstoff strukturen hochstrukturierte Oberflächen sowie Formen auf, die insbe sondere eine gezielte Variierung der erforderlichen Vernetzungs-, Suspendier- und Dispergiereigenschaften ermöglichen, um optimale Systemcharakteristika zu gewährleisten.

Im folgenden werden verschiedene Anwendungsbeispiele des erfindungs gemäßen Verfahrens und zur Verwendung der erfindungsgemäßen diamant artigen Kohlenstoffstrukturen dargestellt und näher beschrieben.

Zur dynamisch chemischen Herstellung diamantartiger Kohlenstoff strukturen wird in das Zentrum eines geschlossenen Hochdruck reaktorsystems (autoklav) mit geometrischen Abmessungen im Verhältnis L/H mod 8,6 bis 9,2 (L = Länge, H = Höhe) sowie R/H mod 4 bis 6 (R = innerer Radius) im Volumen 3,0 m³ ein Energieträger wie beispiels weise 2, 4, 6 Tri-Nito-Toluol/Zyklotrimethylentrinitramin (50/50) der Masse 0,5 kg mit zylindrischer Form eingebracht. Die chemische Um setzung des Energieträgers hät dabei unter Bedingungen eines leichten Vakuums (ca. 2 mm Hg) zu erfolgen, das durch eine entsprechende Vakuumpumpe erzeugt wird. Hierbei sind folgende Prozeßparameter einzu halten:

- Druckplateau im chemischen Peak: P = 20 bis 30 Gpa
- Temperaturplateau im chemischen Peak: T ≧ 4.000 K
- Länge des P/T-Plateaus: T ≦ 3 × 10^-6 s
- Umsetzungsgeschwindigkeit: D ≧ 8,32 × 10³ m/s.

Die Initiierung der chemischen Reaktion erfolgt mittels eines elektrisch erzeugten thermischen und dynamischen Impulses (Elektrodetonator).

Beispiel 1

Unter Einhaltung der oben genannten technologischen Rahmenbedingungen wird bei 4.000 K ein atomarwasserstoffgestütztes Niedertemperaturplasma erzeugt:

- Teilchenanzahl in cm³: ⁿH 9,4 × 10¹⁷; ⁿO ≧ 4,7 × 10¹⁷
- Dichte [g/cm³]: 2,3 × 10^-5
- Enthalpie [J/kg]: 3,4 × 10⁴
- spezifische Wärme [J/gK]: 32,5.

Für die unterstützende chemische Formierung kubischer Kohlestoff- Strukturen wird über eine, das Energieträgersystem umgebende Wasser vorlage unter Einwirkung der oben angegebenen Prozeßparameter (Druck, Temperatur, Zeit) ein Wasserdampfplasma erzeugt. Die Dicke der Wasser vorlage entspricht hierbei dreimal dem Durchmesser des zylindrischen Körpers des eingesetzten Energieträgers.

Die im Ergebnis dieses Prozesses formierten diamantartigen Kohlenstoff strukturen zeichnen sich durch folgende Parameter und Charakteristika aus:

- Prozeß-Output (Prozeßausbeute) an erfindungsgemäßen diamantartigen Kohlenstoffstrukturen 10,43% (bezogen auf die eingesetzte Masse des Energieträgers)
- Reinheit der kubischen Kristallgitter-Phase: 2 θ = 100%, kein Nachweis röntgenamorpher Phasenanteile (vgl. Fig. 5)
- spezifische Oberfläche: 267,85 m²/g
- Zeta-Potential: +10 mV
- Oberflächenpolarität: hydrophob
- weitere Parameter entsprechend den Fig. 1 und 2.

Beispiel 2

Unter Beibehaltung der generellen technologischen Rahmenbedingungen sowie der Bedingungen zur Erzeugung eines atomarwasserstoffgestützten Niedertemperatur-Wasserdampf-Plasmas gemäß Beispiel 1 sind vor der Initiierung der chemischen Umsetzungsreaktion gas-/flüssige Träger gemische wie beispielsweise Äthylen/Butan/Propan im Volumenverhältnis 20/40/40 mit einem Druckniveau im Bereich von 0,3 Mpa bis 0,8 Mpa in das Hochdruckreaktorsystem einzubringen oder einzublasen.

Dadurch ändern sich die Kenn- und Leistungscharakteristika der erzeugten diamantartigen Kohlenstoffstrukturen wie folgt:

- Prozeß-Output an erfindungsgemäßen Kohlenstoffstrukturen: 12,42%
- Reinheit der kubischen Kristallgitter-Phase: 100%
- spezifische Oberfläche: 298,85 m²/g
- Zeta-Potential: +5,6 mV
- Oberflächenpolarität: schwach hydrophob

Beispiel 3

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden unter Beibehaltung der oben beschriebenen Bedingungen zur Erzeugung eines atomarwasserstoff gestützten Niedertemperatur-Wasserdampf-Plasmas vor der Initiierung der chemischen Umsetzungsreaktion flüssige organische Kohlenstoffspender systeme der aliphatischen Reihe, wie Grenzkohlenwasserstoffe oder ein- oder mehrwertige Alkohole (zum Beispiel Ethylenglycol) in Form einer Ummantelung zwischen zylindrischem Körper des Energieträgers und Wasservorlage in das System eingebracht.

Die Masse (M_KS) des Kohlenstoffspendersystems ist dabei wie folgt zu ermitteln:

M_KS = A × M/100 - A, [g]

A = %-Anteil des Kohlenstoffspendersystems im Gesamtreaktionssystem und M = Masse Energieträger + Masse Kohlenstoffspender, wobei A (%) in Bereichen von 13,8 bis 15,1 liegen muß.

Dieser Verfahrensschritt liefert erfindungsgemäße diamantartige Kohlen stoffstrukturen mit überwiegend nachstehenden Eigenschaften:

- Prozeß-Output: 31,6%
- Reinheit der kubischen Kristallgitter-Phase: 100%
- spezifische Oberfläche: 325,65 m²/g
- Zeta-Potential: -4,5 mV
- Oberflächenpolarität: schwach hydrophil.

Beispiel 4

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden sämtliche Parameter des Beispiels 3 beibehalten und als Kohlenstoffspendersysteme ungesättigte Alkohole (wie beispielsweise Propargylalkohol oder Allylalkohol) bzw. aromatische Verbindungen (wie beispielsweise Benzol, Nitrobenzol oder Acetonitril) eingesetzt. Der dabei einzusetzende Wert von A (%) muß im Bereich zwischen 12,8 und 17,3 liegen.

Die dadurch zu erzeugenden diamantartigen Kohlenstoffstrukturen weisen folgende Charakteristika auf:

- Prozeß-Output: 52,4%
- Reinheit der kubischen Kristallgitter-Phase: 100%
- Zeta-Potential: +10,0 mV
- spezifische Oberfläche: 348,50 m²/g
- Oberflächenpolarität: stark hydrophil.

Beispiel 5

Unter Beibehaltung der generellen technisch-technologischen Parameter wird in der Hochdruckreaktoreinheit in Form einer Ummantelung des zylindrischen Energieträgersystems ein wässriger Slurry aus DLSC- Material (zum Beispiel mit den Technologiestufen der Beispiele 1 bis 4 hergestellt) und 5 bis 8% Wasser (entionisiert) etabliert. Die Masse des Slurry-Systems hat mindestens dem 1,35-fachen der Masse des Energie trägers zu entsprechen. Die hierdurch entstehenden diamantartigen Kohlen stoffstrukturen stellen sich in polykristalliner Form (PK-DLSC) mit typisch gespreizten X-ray-Pattern-Peaks bei (111), (220) und (311) dar. Das X-ray- Muster ist in Fig. 6 gezeigt.

Die Kristallitgrößen liegen in Bereichen von 5 bis 20 nm und sind über sp³- Hybridisierung entsprechend polykristallisiert. Die somit vorliegenden Polykristalle mit einer 100%-igen Reinheit der kubischen Kristallgitter- Phase bewegen sich in Korngrößenbereichen von etwa 0,5 µm bis 15 µm, wobei ein Medianwert von 3,43 µm sowie Standardabweichungen von weniger als 2,41 µm erreicht werden können. Die Fig. 7 zeigt das Korn größenverteilungsdiagramm. Der Prozeß-Output dieses technologischen Verfahrens beträgt ca. 50%.

Die folgenden Kenn- und Leistungscharakteristika werden von den diamantartigen Kohlenstoffstrukturen sämtlicher Beispiele 1 bis 5 erreicht:

Prototyp 1

hydrophilisierte spezifische Oberflächenparameter
spezifische Magnetisierbarkeit: (-0,4) Lambda × 10^-8

m³

/kg
spezifischer elektrischer Widerstand: 1,6 × 10¹⁰

Ohm × m
freie Energie (Wasserdampfaufnahme): -973,2 mJ/g × Mol

Prototyp 2

hydrophobisierte spezifische Oberflächenparameter
spezifische Magnetisierbarkeit: (0,36) Lambda × 10^-8

m³

/kg
spezifischer elektrischer Widerstand: 6,6 × 10¹⁰

Ohm × m
freie Energie (Wasserdampfaufnahme): -2,22 mJ/g × Mol

Die beschriebenen sogenannten DLSC-Materialien in mono- sowie poly kristalliner Darstellungsform stellen eine neue Generation von hoch strukturierten Kohlenstoffsystemen dar, deren generelle Kenn- und Leistungscharakteristika der kubischen Kristallgitter-Phase des reinen Diamant entsprechen und darüber hinaus eine Reihe spezifischer, chemisch- physikalischer und vor allem dotiert variierbarer Eigenschaften aufweisen. Das vorliegende Material gestattet es somit, aus morphologischer Sicht relevante technische Schnittstellen für den Übergang zu hyperstrukturierten Kohlenstoffsystemen, insbesondere zu Fulleren, Hyper-Fulleren in Form von Onion-Like-Carbons sowie Nano-Tubes zu realisieren.

Unter additiver Einbringung der oben genannten und vorliegend darge stellten Eigenschaften ist das Material sowohl in eigenständiger Form als auch im Verbund mit anderen Werkstoffen (Composites) vorteilhaft gegen über bekannten Stoffen sowie konventionellen Substanzen, vor allem für die im folgenden aufgeführten Applikationsfelder einsetzbar:

- Abrasive und tribologische Systeme für Nano-High-Finishing von hochvergüteten Werkstoffoberflächen
- Transfer- und Isolationssysteme
- Ingenieur-Composite
- Beschichtungssysteme
- ausgewählte bio- und gentechnische Werkstoffe.

Für die Oberflächenbehandlung von harten und superharten Werkstoffen sind die DLSC in speziell dafür ausgelegte Trägermedien einzugeben. Dies wird anhand der folgenden Beispiele exemplarisch erläutert:

Beispiel 1 Wässrige Suspensionen von Sprays auf der Basis kationischer kurzkettiger Suspendierhilfsmittel (Dispergier- und Stabilisierungssysteme) mit Polyrisationsgraden von ca. 100 bis 5.000 (1) Suspension: DLSC - S/0,n . . ., n

Inhaltsstoffe:

- DLSC, monokristallin, Korngrößenklassierung 0,n . . ., n: 0,1-25,0%
- Poly-Dimethyldiallylammoniumchlorid
Natriumpolyacrylat
Chitosan: 1,0-8,0%
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil
- PH-Wert: 4-12

(2) Suspension: DLSC - SI/0,n . . . n

Inhaltsstoffe:

- DLSC, polykristallin, Korngrößenklassierung 0,n . . . n: 0,1-10,0%
- Poly-Dimethyldiallylammoniumchlorid: 2,0-4,0
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil
- PH-Wert: 4-12

(3) Spray: DLSC - Sp/0,n . . . n

Inhaltsstoffe: - wie (1) -
Träger-/Treibmittel: Polyglykol, Propan, Butan

(4) Spray: DLSC - SpI/0,n . . . n

Inhaltsstoffe: - wie (2) -
Träger-/Treibmittel: - wie (3) -

(5) Slurry: DLSC - PRM/0,n . . . n

Inhaltsstoffe:

- Komposit Graphit-Kohlenstoff/DSC (70/30): 0,1-20%
- Poly-Dimethyldiallylammoniumchlorid: 1,0-8,0
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil
- PH-Wert: 4-12

(6) Slurry: DLSC - SL/0,n1 . . . n1/0,n2 . . . n2

Inhaltsstoffe:

- DLSC, monokristallin, Körnungsklassen 0,n1 . . . n1: 0,1-15%
- Industriediamant, monokristallin, Körnungsaklassen 0,n2 . . . n2: 0.05-2,0%
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil
- PH-Wert: 4-12

Beispiel 2 DLSC-Emulsionen auf der Basis wasserlöslicher organischer Verbindungen (1) Emulsion: DLSC - E/0,n . . . n.

Inhaltsstoffe:

- DLSC, monokristallin, Körnungsklassen 0,n . . . n: 1,0-8,0%
- Silikonöl AK 360: 6,0%
- Hoechtswachs S: 5,0%
- Olein: 0,7%
- Testbenzin: 20,0%
- Diethylaminoethanol: 1,3%
- Ethylenglykol: 5,0%
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil

(2) Emulsion: DLSC - EI/0,n . . . n

Inhaltsstoffe:

- DLSC, polykristallin, Körnungsklassen 0,n . . . n 0,5-6,0%
- - wie (1) -

Beispiel 3 DLSC-Pasten/-wachse auf der Basis wasserlöslicher organischer Verbindungen (1) Paste: DLSC - P/0,n . . . n

Inhaltsstoffe:

- DLSC, monokristallin, Körnungsklassen 0,n . . . n,0: 4,0-12
- Hoechstwachs KSL: 5,0%
- Stearinsäure, technisch: 4,0%
- Petroleum: 10,0%
- Zitronensäure: 5,0%
- Kaliumhydoxid (86%): 6,0%
- Destilliertes Wasser: %-Restanteil

(2) Paste: DLSC - PI/0,n . . . n

Inhaltsstoffe:

- DLSC, polykristallin, Korngrößenklassen 0,n . . . n: 1,0-10%
- - wie (1) -

Der Kundennutzen für verschiedene Anwendungsgebiete relativ zum besten Stand der Technik ist im folgenden dargestellt:

Wärmeleitsysteme als Folien, Kleber, Vergußmassen, Pasten, Lote, Tapes

Abrasive und Tribologische Systeme als Suspensionen, Emulsionen, Wachse, Sprays, Trockenmittel . . .

Ingenieurkeramiken, Ingenieurpolymere, Tapes, Beschichtungen, Nano- Composites . . .

Oberflächenbeschichtungen als Pulver-, Galvanische-, oder Polymerbeschichtungen

Claims

1. Verfahren zur dynamisch chemischen Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen,

- bei dem in einen geschlossenen Behälter eine hybride Kohlenstoff phase gegeben wird und
- mit einem Energieträger zur chemischen Reaktion gebracht wird, um dispersen kondensierten Kohlenstoff als Reaktionsprodukt zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt einem atomar wasserstoffgestützen Niedertemperatur-Plasma ausgesetzt wird und eine Phasenumwandlung von Kohlenstoffkombinationen in hochreine kubische Gitterstrukturen erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Kohlenstoffspendersystem eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffspendersystem flüssige oder gasförmige Kohlenwasser stoffverbindungen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffspendersystem organische Kohlenstoffverbindungen aufweist.

5. Diamantartige Kohlenstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinheit der kubischen Diamantphase bei 99% vorzugsweise bei 100% liegt.

6. Diamantartige Kohlenstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallitgrößen im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm liegen.

7. Diamantartige Kohlenstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster-Größenordnungen zwischen 50 nm und 20 µm liegen.

8. Diamantartige Kohlenstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeldurchmesser in Dispersion zwischen 40 nm und 500 nm liegen.

9. Verwendung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Oberflächenbearbei tung von harten Werkstoffen.

10. Verwendung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, als elektrischer Isolator.

11. Verwendung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, als Wärmeübertragungsmittel.

12. Verwendung von diamantartigen Kohlenstoffstrukturen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, als Zusatz zu einer Suspension, Dispersion, Emulsion, einem Spray, einer Paste, einem Fett oder einem Wachs.