DE2101283B2

DE2101283B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung synthetischer Kristalle

Info

Publication number: DE2101283B2
Application number: DE2101283A
Authority: DE
Inventors: Marvin F. Lacey Springs Estes; John R. Madison Rasquin
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: 1980-11-27
Also published as: DE2101283C3; US3632242A; FR2076129B1; CA954018A; DE2101283A1; GB1333297A; JPS5442958B1; FR2076129A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung synthetischer Kristalle, wie von Industriediamanten aus reinem Graphit oder von Saphiren aus Aluminiumoxid (AI2O3), durch Einwirkung von mechanischen Schockwellen auf das AusgangsmateriaL

Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kristallen, insbesondere von Diamanten, wird Material aus Kohlenstoff außerordentlich hohen Hitzegraden und Drücken ausgesetzt Die Vorrichtungen zum Erzeugen der hohen Temperaturen und hohen Drücke sind sehr massig, aufwendig und teuer.

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.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die

Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen zusammengefaßt

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Graphit oder das Aluminiumoxid (AI2O3) in eine Vertiefung eines Ambosses eingebracht und eine Dnickweüe in den Graphit oder das Aluminiumoxid eingeleitet, indem ein sich verjüngender Exponentialtrichter, dessen Form durch die Gleichung y = ce" bestimmt ist, der ein breites Ende aufweist, mit seinem schmalen Ende in Kontakt mit dem Graphit oder Aluminiumoxid steht, wobei 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 oder das Aluminiumoxid einwirkt, die diesen so stark komprimiert und erhitzt, daß es zur Bildung von Diamanten bzw. Saphiren kommt.

j5 Da der Druckaufbau extrem schnell erfolgt, werden durch die Schockwelle ausreichend hohe Temperaturen und Drücke erzeugt, um aus dem Ausgangsmaterial Kristalle, nämlich aus Graphit Diamanten oder aus Aluminiumoxid Saphire, zu erhalten

Die Erzeugung der Schockwelle erfoigt vorteilhafterweise durch die Betätigung eines Magnethammers. Zu Beginn des Herstellungsverfahrens wird vorzugsweise 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 crer Exponentialtrichter, dessen Form durch die Gleichung y = ce" bestimmt ist, nächst dem Amboß angeordnet wobei das breite Ende des Trichters sich zu dem eingeschnürten Ende verjüngt, welches in die Vertiefung des Ambosses ragt und eine Platte derart nächst dem Trichter vorgesehen ist, daß eine Oberfläche der Platte an dem breiteren Ende anliegt und daß ein Magnethammer nahe der anderen Oberfläche der Platte angeordnet ist um gegenläufige und sich abstoßende magnetische Feldkräfte in dem Magnethammer und in der Platte zu erzeugen, wodurch eine Kraftwirkung

eo entsteht, welche auf den Exponentialtrichter übertragen wird.

Als elektrische Entladungsanordnung läßt sich ein Kondensatorblock durch Übertragungsleitungen mit dem Magnethammer verbinden.

Bis zum heutigen Zeitpunkt sind keine Diamanten mit Schmuckstein-Qualität hergestellt worden, jedoch hat es sich gezeigt, daß synthetische Industriediamanten beim Gebrauch ils Partikeleinschlüsse in Polierzusam-

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mensetzungen den natürlichen Diamanten üLerlegen sind. Dies rührt daher, daß die synthetischen Diamanten Einzslkristalle sind, die eine grob achtflächige Form mit vielen Schneidkanten aufweisen. Bei der Herstellung von Diamantengries aus Naturdiamanten müssen diese zermahlen werden, wobei eine Vielzahl von Längssplittern und flachen Partikeln erhalten wird, die die Wirksamkeit als Poliermitte! erheblich herabsetzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

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

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Form des auf ü den Magnethammer aufgebrachten Stromstoßes und

F i g. 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 Kondensatorbloek !2 und einer Spannungsquelle 14 durch elektrische Übertragungsle' ungen 16 verbunden ist Im unteren Teil des Magnethammers 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 18 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 Magnethammer w 10 zu verhindern. Ein Exponentialtrichter 22 ist unmittelbar unter der Kupferplatte 18 angeordnet. Der Trichter 22 weist 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 mit einer Rockwellhärte von 50.

Die Krümmung der Trichterfläche 23 ist durch die Gleichung y = ce" gegeben, wobei χ und y Punktkoordinaten in ev.ter 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 Trichttrform zu erhalten. Diest Form ist einzuhalten, da Abweichungen in der Form die Wirksamkeit bei der Übertragung und Konzentration der im breiten Ende des Trichters 22 erzeugten Energie der Schockwelle herabsetzen. Für ti^:e Herstellung von Diamanten w wird reiner Graphit 32 in die Vertiefung 28 unterhalb des schmabn Endes 26 des Trichters 22 eingebracht Die Vorrichtung wird von einer unteren Platte 34 und einer oberen Platte 36 zusammengehalten, wobei die obere Platte 36 in der Mi(te 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 412 miteinander verbunden, welche an beiden Enden Gewinde aufweisen, die mit Muttern 44 verschraubt werden können. Die &o 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 F i g. 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

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 wis der Svrom im Magnethammer 10 verlaufen. Die Wirbelströme erzeugen ebenfalls ein starkes magnetisches Feld, weiches gegen das durch die Spule im Magnethammer 10 erzeugte Magnetfeld wirkt Als Koige davon treten zwischen Magnethammer 10 und Kupferplatte 18 Kräfte auf. Zum Auffangen dieser Kräfte dient der Stützrahmen. Bei einer elektrischen Entladung mit einer sehr kurzen Anstiegszeit des der Spule zugeleiteten Stromstoßes bewirkt die soeben beschriebene Reaktion eine Schockwelle im Exponentialtrichter 22. Während 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 Ende 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 hergestel\

Es wurden verschiedene Versuchsdurchgänge mit der Vorrichtung unter Anwendung von unterschiedlichen elektrischen Spannungen gemacht Der eingesetzte Kondensatorbloek 12 besaß dabei eine Kapazität von 360 Mikrofarad. Die von dem Kondensatorenblock 12 auf die Vorrichtung aufgebrachte Energie ist durch die Gleichung J = '/2 Clfl bestimmt, wobei Jdie Energie in Joules, C die Kapazitiit in Farad und U die an den Kondensatorenblock 12 angelegte elektrische Spannung in Volt ist Bei jedem Versuchsdurchgang wurde der Graphit zunächst durch eine 1000-Volt-EntIaduwg verdichtet und anschließend eine höhere Spannung angelegt. Bei einer Entladung des Kondensatorenblocks 12 bei 3000 Volt wurden nur gelbe Diaman'en erhalten. Bei einer 4000-Volt-En (ladung ergaben sich Diamanten von einem helleren Gelb, und bei 5000 Volt wurden klare, durchsichtige Diamanten gewonnen.

Die zuvor bescl'riebene Vorrichtung kann auch zur Herstellung von Saphiren benutzt werden, wenn der Graphit durch Aluminiumoxid (AbOj) ersetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

21 Ol 283 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung synthetischer Kristalle, wie von Industriediamanten aus reinem Graphit oder von Saphiren aus Aluminiumoxid (AI2O3), durch Einwirken von mechanischen Schockwellen auf dieses Ausgangsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit oder Aluminiumoxid in eine Vertiefung eines Ambosses eingebracht und eine Druckwelle in den Graphit oder das Aluminiumoxid eingeleitet wird, indem ein sich verjüngender Exponentialtrichter, dessen Form durch die Gleichung y = ce" bestimmt ist, der ein breites Ende aufweist, mit seinem schmalen Ende in Kontakt mit dem Graphit oder dem Aluminiumoxid steht, wobei eine mechanische Schockwelle im breiten Teil des Trichters erzeugt wird, deren Geschwindigkeit verstärkt wird und die derart konzentriert wird, daß die Gesamtenergie der Schockweise gleichzeitig am schmalen Ende des Trichters ankommt, wodurch eine Druckwelle auf den Graphit oder das Aluminiumoxid einwirkt, die diesen oder dieses so stark komprimiert und erhitzt, daß es zur Bildung von Diamanten oder Saphiren kommt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Schockwelle in dem Exponentialrichter durch die Betätigung eines Magnethammers erfolgt.

3. Verfahr ?n nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Herstellungsverfahrens eine erste weniger starke Schockwelle im breiten Ende des Trichters erzeugt wird, um den Graphit in der Amboßvertiefuii_b abzusetzen und zu verdichten.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 3, das mit elektrischer Energie für die Erzeugung und das Aufbringen einer hochkonzentrierten mechanischen Schockwelle auf ein umzuwandelndes Material arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Stützrahmen (34, 36. 40,42) der Amboß (30) mit der Vertiefung (23) für die Aufnahme des umzuwandelnden Materials und der Exponentialtrichter (22), dessen Form durch die Gleichung y = ce" bestimmt ist, nächst dem Amboß (30) angeordnet sind, wobei das breite Ende (24) des Trichters (22) sich zu dem eingeschnürten Ende (26) verjüngt, welches in die Vertiefung (28) des Ambosses (30) ragt und eine Platte (18) derart nächst dem Trichter (22) vorgesehen ist, daß eine Oberfläche der Platte (18) an dem breiteren Ende (24) anliegt und daß ein Magnethammer (10) nahe der anderen Oberfläche der Platte (18) angeordnet ist, und eine Isolierplatte (20) zwischen der Platte (18) und dem Magnethammer (10) zur Verhinderung der Ausbildung eines elektrischen Bogens vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (18) aus Kupfer besteht,