DE2101283A1

DE2101283A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Diamanten

Info

Publication number: DE2101283A1
Application number: DE19712101283
Authority: DE
Inventors: John R Madison Estes Marvin F Lacey Springs Ala Rasquin (V St A )
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1970-01-16
Filing date: 1971-01-13
Publication date: 1971-07-22
Also published as: US3632242A; JPS5442958B1; FR2076129B1; DE2101283B2; CA954018A; GB1333297A; FR2076129A1; DE2101283C3

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. JOACHIM STRASSE 2101283

HANAU · RÖMERSTR. 19 · POSTFACHm · ΤΕΙ_2ΟβΟ3 · TELEqRAMME: HANAUPATENT · TELEX: 41847Mp«C

NATIONAL AERONAUTICS
AIiD SPACE ADMINISTRATION

NASA Headquarters 11. Januar 1971

Washington, D. C, U.S.A. Zo/Me - 10 558

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Diamanten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung synthetischer Industriediamanten mit einer einfachen» aber wirksamen Vorrichtung.

Gegenwärtig werden synthetische Diamanten hergestellt, indem Material aus Kohlenstoff außerordentlich hohen Hitzegraden und Drücken ausgesetzt wird, wobei jedoch von Nachteil ist, daß die Vorrichtungen, die zur Erzeugung der hohen Temperaturen und der hohen Drücke eingesetzt werden, sehr massig, aufwendig und teuer sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen einfacher und wirtschaftlicher als mit bekannten Vorrichtungen und Verfahren gearbeitet werden kann, da eine sehr hoch verstärkte mechanische Schockwelle für den erforderlichen Druck Anwendung findet.

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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird Graphit in eine Vertiefung eines Ambosses eingebracht und eine Druckwelle in den Graphit eingeleitet, indem ein sich verjüngender Exponentialtrichter, der ein breites Ende aufweist, mit seinem schmalen Ende in Kontakt mit dem Graphit steht, vobei eine mechanische Schockwelle im breiten Ende des Trichters erzeugt wird, deren Geschwindigkeit verstärkt wird und die derart konzentriert wird, daß die Gesamtenergie der Schockwelle gleichzeitig am schmalen Ende des Trichters ankommt, wodurch eine Druckwelle auf den Graphit einwirkt, die diesen so stark komprimiert und erhitzt, daß es zur Dildung von Diamanten kommt.

Da der Druckaufbau extrem schnell erfolgt, v/erden durch die Schockwelle ausreichend hohe Temperaturen und hohe Drücke erzeugt, um aus Graphit Diamanten zu erhalten.

Die Erzeugung der Schockwelle erfolgt vorteilhafterweise durch die Betätigung eines Ilagnethammers. Zu Beginn des Herstellungsverfahrens wird vorzugsv/eise eine erste, weniger starke Schockwelle im breiten Ende des Trichters erzeugt, um den Graphit in der Amboßvertiefung abzusetzen und zu verdichten. Bei der Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in einem Stützrahmen der Amboß mit der Vertiefung für die Aufnahme des umzuwandelnden Materials und der Exponentialtrichter, dessen Forn durch die Gleichung y » c e ^ax bestimmt ist, nächst dem Amboß angeordnet, wobei das breite Fnde des Trichters sich zu den eingeschnürten Ende verjüngt, welches in die Vertiefung des Ambosses ragt und eine Platte derart nächst den Trichter vorgesehen ist, daß eine Oberfläche der Platte an den breiteren Ende anliegt und daß ein Ilagnethammer nahe der anderen Oberfläche der Platte angeordnet ist, um gegenläufige und sich abstoßende magnetische Feldkräfte in dem Ilagnethamraer und in der Platte zu erzeugen, wodurch eine Kraftwirkung entsteht, welche auf den Exponentialtrichter übertragen wird

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und eine Schockwelle hervorruft, die den Trichter durchläuft und durch dienen geschwindigkeitsmäßig verstärkt und konzentriert wird, so daß in wesentliehen die Gesantenergie der Schockwelle gleichzeitig das schmale Ende des Trichters, welches in Kontakt nit dem Material steht, erreicht.

Eine Isolierplatte ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen der Platte und dem Ilagnethammer zur Verhinderung der Ausbildung eines elektrischen Bogens vorgesehen. Vorteilhafterweise ist eine elektrische Entladungsanordnung in Form eines Kondensatorenblocks durch Ubertragungsleitungen mit dem jL· ilagnethammer verbunden. Die Platte besteht vorzugsweise aus Kupfer.

Bis zum heutigen Zeitpunkt sind keine Diamanten mit Schmuckstein-Qualität hergestellt worden, jedoch hat es sich gezeigt, daß synthetische Industriediamanten bein Gebrauch als Partikeleinschlüsse in Polierzusammensetzungen den natürlichen Diamanten überlegen sind. Dies rührt daher, daß die synthetischen Diamanten Einzelkristalle sind, die eine grob achtflächige Form mit vielen Schneidekanten aufweisen. Bei der Herstellung von Diamantengrieß aus liaturdiamanten müssen diese zermahlen werden, wodurch eine Vielzahl von Längssplittern und flachen Partikeln erhalten wird, die die Wirksamkeit φ

als Poliermittel erheblich herabsetzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels nclher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung Oer Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Oarstellung der Form des auf den MagnethariP.er iufgc^racbter. "tronstoPos und

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Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht der Anordnung des sich verjüngenden Endes des Exponentialtrichters und des Graphits in der Amboßvertiefung.

In Fig. 1 ist ein Magnethammer 10 dargestellt, der mit einem Kondensatorenblock 12 und einer ßpannungsquelle 14 durch elektrische Übertragungsleitungen 16 verbunden ist. Im unteren Ende des Hagnethammers 10 befindet sich eine große (nicht dargestellte) Spule. Eine Kupferplatte 18 grenzt mit einem bestimmten Abstand an das untere Ende des Magnethammers 10 an. Die Kupferplatte IH und der Hammer 10 sind durch eine Kunststoffplatte 20 voneinander getrennt, um die Ausbildung eines Lichtbogens während des Betriebs zwischen der Kupferplatte 18 und dem Hagnethammer 10 zu verhindern. Ein Exponentialtrichter 22 ist unmittelbar unter der Kupferplatte 18 angeordnet. Der Trichter 22 v/eist ein breites Ende 24 auf, das sich nach unten hin zu einem schmalen Ende 26 verjüngt, welches in eine in einem Amboß 30 ausgebildete Vertiefung 28 paßt. Der Trichter 22 besteht aus extrem hartem Stahl, vorzugsweise einem maraging Stahl (maraging steel) mit einer Rockwellhärte von 50.

Die Krümmung der Trichterfläche 23 ist durch die Gleichung y — c e gegeben, wobei χ und y Punktkoordinaten in einer von zwei Koordinatenachsen definierten Ebene, c eine Konstante, e die Basis des natürlichen Logarithmus und a eine Konstante sind. Die Form des Trichters 22 wird genau dann erhalten, wenn eine der Exponentialgleichung entsprechende Kurvenform um die x-Achse rotiert, um einen Drehkörper entsprechend der Trichterform zu erhalten. Diese Form ist kritisch, und es hat sich herausgestellt, daß selbst kleine Abweichungen in der Form die Wirksamkeit bei der übertragung und Konzentration der in breiten Ende des Trichters 22 erzeugten Energie der Schockwelle herabsetzen. Für die Herstellung von Diamanten wird reiner Graphit 32 in die Vertiefung unterhalb den schmalen Endes 2(5 des Trichters 22 eingebracht.

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Die Vorrichtung wird von einer unteren Platte 3Ί und einer oberen Platte 36 zusammengehalten, wobei die obere Platte 36 in der Mitte ein Loch 38 für die Durchführung der elektrischen Übertragungsleitungen 16 zum Magnethammer 10 aufweist. Die zwei Platten 34, 36 sind durch eine Anzahl langer Stäbe 40 und 42 miteinander verbunden, welche an beiden Enden Gewinde aufweisen, die mit Muttern 44 verschraubt v/erden können. Die Anzahl der Stäbe 40, 42 zum Zusammenhalten der Vorrichtung ist beliebig wählbar. Bei der dargestellten Vorrichtung wurden vier Stäbe verwendet und erfolgreich getestet.

Für die Umwandlung von Graphit in Diamant wird Graphit in die Vertiefung 28 des Ambosses 30 eingebracht. Der Kondensatorenblock 12 wird von der Spannungsquelle 14 aufgeladen und entladen, wobei ein Stromstoß mit der in Fig. 2 dargestellten Charakteristik in die nicht dargestellte Spule im Magnethammer eingeleitet wird. Der wirksame Anteil des Stromstoßes dauert etwa die ersten 75 Mikrosekunden des Impulses. Die Spule ist nahe der Kupferplatte 18 angeordnet.

In der US-Patentschrift Mr. 3 360 972 vom 2. Januar 1968 ist ein Magnethammer beschrieben, der dem in der vorliegenden

Vorrichtung benutzten sehr ähnlich ist. Jk

Der Entladestrom fließt von dem Kondensatorenblock 12 durch die Spule in den Magnethammer 10 und erzeugt dort ein starkes magnetisches Feld, welches starke Wirbelströme in der Kupferplatte 18 induziert, die in umgekehrter Richtung wie der Strom im Magnethammer 10 verlaufen. Die Wirbel3tröme erzeugen ebenfalls ein starkes magnetisches Feld, welches gegen das durch die Spule im Magnethammer 10 erzeugte Magnetfeld wirkt. Als Folge davon neigen der Magnethammer 10 und die Kupferplatte 18 dazu, beiseite zu"treiben. Dies wäre auch tatsächlich der Fall, wenn sie nicht der Stützrahmen zusammenhielte. Bei einer elektrischen Entladung mit einer sehr kurzen

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Anstiegszeit des der Spule zugeleiteten Stromstoßes bewirkt die soeben beschriebene Reaktion eine Schockwelle im Exponential trichters 22.Ehrend die Schockwelle sich durch den Trichter 22 fortsetzt, wird sie durch dessen Form in ihrer Geschwindigkeit verstärkt und konzentriert, so daß die gesamte Energie im wesentlichen gleichzeitig am schmalen ünde 26 des Trichters 22 ankommt und in den Graphit 32 gelangt. Die in den Graphit 32 eindringende Schockwelle wirkt sich als eine sehr starke und schnelle Druckfront aus, die den Graphit 32 ausreichend komprimiert und erhitzt, um die Bildung von Diamanten herbeizuführen.

Bei Versuchen mit der Vorrichtung wurde zuerst eine kleine Schockwelle erzeugt, um den Graphit 32 in der Amboßvertiefung 28 zu verdichten und anschließend mit einer zweiten Schockwelle die Diamanten hergestellt.

Es wurden verschiedene Versuchsdurchgänge mit der Vorrichtung unter Anwendung von unterschiedlichen elektrischen Spannungen gemacht. Der eingesetzte Kondensatorenblock 12 besaß dabei eine Kapazität von 360 Mikrofarad. Die von dem Kondensatorenblock 12 auf die Vorrichtung aufgebrachte Energie ist durch

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die Gleichung J » 1/2 CV bestimmt, wobei J die Energie in Joules, C die Kapazität in Farad und V die an den Kondensatorenblock 12 angelegte elektrische Spannung ist. Bei jedem Versuchsdurchgang wurde der Graphit zunächst durch eine 1000-Volt-Entladung verdichtet und anschließend eine höhere Spannung angelegt. Bei einer Entladung des Kondensatorenblocks 12 bei 3000 V wurden nur gelbe Diamanten erhalten. Bei einer 4000-Volt-Entladung ergaben sich Diamanten von einem helleren Gelb, und bei 5OQO V wurden klare, durchsichtige Diamanten gewonnen.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann auch zur Herstellung von anderen kristallinen Materialien benutzt werdon, wenn

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der Graphit durch andere Ilaterialion ersetzt wird. Beispielsweise könnton aus Aluminiumoxid (Al-O₃) Gaphire hergestellt

Ansprüche :

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Claims

Ansprüche :

1. Verfahren zur Ilnrsteilung synthetischer Industriediamanten, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit (32) in eine Vertiefung (28) eines Ambosses (30) eingebracht und eine Druckwelle in den Graphit (32) eingeleitet wird, indem ein sich verjüngender Exponentionaltrichter (22), der ein breites Ende (24) aufweist, mit seinem schnalen Ende (26) in Kontakt mit dem Graphit (32) steht, wobei eine mechanische Schockwelle im breiten Ende (24) des Trichters (22) erzeugt wird, deren Geschwindigkeit verstärkt wird und die derart konzentriert wird, daß die Gesamtenergie der Schockwelle gleichzeitig am schmalen Ende (26) des Trichters (22) ankommt, wodurch eine Druckwelle auf den Graphit (32) einwirkt, die diesen so stark komprimiert und erhitzt, daß es zur Bildung von Diamanten kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Erzeugung der Schockwelle in dem Exponentialtrichter (22) durch die Betätigung eines Magnethammers (10) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zu Beginn des Herstellungsverfahrens eine erste weniger starke Schockwelle im breiten Ende (24) des Trichters (22) erzeugt wird, um den Graphit (32) in der Amboßvertiefung (28) abzusetzen und zu verdichten .

4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 3, die mit elektrischer Energie für die Erzeugung und das Aufbringen einer hochkonzentrierten

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mechanischen Schockwelle auf ein umzuwandelndes Material arbeitet , dadurch gekennzeichnet, daß in einem Stützrahmen (34, 36, 40, 42) der Amboß (30) mit der Vertiefung (28) für die Aufnahme des umzuwandelnden Materials und der Exponentialtrichter (22), dessen Form durch die Gleichung y =* c e bestimmt ist, nächst dem Amboß (30) angeordnet sind, wobei das breite Ende (24) des Trichters (22) sich zu den eingeschnürten Ende (26) verjüngt, welches in die Vertiefung (28) des Ambosses (30) ragt und eine Platte (13) derart nächst dem Trichter (22) vorgesehen i3t, daß eine Oberfläche der Platte (18) an dem W breiteren Ende (24) anliegt und daß ein Magnethammer (10) nahe der anderen Oberfläche der Platte (10) angeordnet ist, um gegenläufige und sich abstoßende magnetische Feldkräfte in dem itagnethammer (10) und in der Platte (13) zu erzeugen, wodurch eine Kraftwirkung entsteht, welche auf den Exponentialtrichter (22) übertragen wird und eine Schockwelle hervorruft, die den Trichter (22) durchläuft und durch diesen geschwindigkeitsmäßig verstärkt und konzentriert v/ird, so daß im wesentlichen die Gesamtenergie der Schockwelle gleichzeitig das schmale Ende (25) des Trichters (22),welches in Kontakt mit dem Material steht, erreicht . g|

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Isolierplatte (20) zwischen der Platte (18) und dem Magnethammer (1O) zur Verhinderung der Ausbildung eines elektrischen Dogens vorgesehen ist.

6· Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Entladungsanordnung in Form eines Kondensatorenblocks (12) durch übertragungsleitung^ (16) mit dem nagnethanmer (1O) verbunden ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch ■! uno L> , dadurch gekonnzeichnet, daß die Platte (13) aus Kupfer besteht.

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