DE2140139A1

DE2140139A1 - Verfahren zur Synthese der Diamanten

Info

Publication number: DE2140139A1
Application number: DE19712140139
Authority: DE
Inventors: A F Getman; A A Shulzhenko
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1971-08-10
Publication date: 1972-03-16
Also published as: CA958309A; DE2140139C3; IE35509B1; FR2131189A5; BE771233A; SE377327B; GB1315778A; IE35509L; DE2140139B2; CH562162A5

Description

DA-7696

B e s c h r eib ung 21A0 1.3 9

zu der

Patentanmeldung des

Ukrainskij Ordena Trudowowo Krasnowo Snameni Nautschno-issledowatelskij konstruktorskotechnologitscheskij institut Sintetitscheskich swerchtwoordych Materialow i instrumenta Gosplana USSR, UdSSR, Kiew,uliza AwtosawQds&aja,2

betreffend

VERFÄHREN ZUR SYNTiSISB DER DIAMANTEN Prioritäten?

12. August 1970 UdSSR Nr. 1468619

17. November 1970 UdSSR Nr. 1486687

17. November 1970 UdSSR Nr. 1486689

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Prozesse zur Herstellung überharter Stoffe ₉ und insbesondere-Verfahren zur Herstellung von Diamanten auf synthetischem Wege.

Bekannt ist ein Verfahren ssur Synthese von Diamanten,

iö bei dem das kohlenstoffhaltige MaterialVlnwesenheit von Metallen der Einwirkung einer Temperatur von etwa mindestens 1800⁰G und einem Druck unterzogen wird₉ der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität des Diamanten während einer Dauer entspricht, die für die Kristallisation des Diamanten ausreicht. Bekannt ist beispielsweise das Verfahren zur Synthese von Diamanten, vorgeschlagen 1939 von O₀ I₈ Lejpunskij demgemäß zusammen mit dem Graphit ein flüssiges Medium (Lösungsmittel) j insbesondere Eisen bei einem Druck über 45 kbar und

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einer Temperatur von über 150O⁰K (1227°C) zu verwenden empfohlen wurde. Späterhin wurde ein Syntheseverfahren vorgeschlagen, wo als flüssiges Medium Metalle bzw. Legierungen verwendet wurden, die aus folgender Reihe von Elementen Ni, Co, Fe, Mn, Gr, Ta, Eu, Rh, Pd, Os, Ir, Pt gewählt wurden, wobei die Synthese bei einem Druck über 50 kbar und einer Temperatur von über 120O⁰C (Patentschriften der USA NN 2947609, 2947610 und 2947611) bewerkstelligt wurde»

Ein Nachteil der erwähnten Verfahren ist die Tatsache, daß die mit ihrer Hilfe gewonnenen Diamanten in der Regel eine große Menge metallischer Beimengungen enthielten. So kann beispielsweise bei der Synthese von Diamanten aus Graphit in Gegenwart von Nickel die Menge an Beimengungen in den Diamanten 4% erreichen.

Ein anderer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß das Produkt der Synthese, welches Diamanten, Metalle, Verbindungen von Metallen und Graphit darstellt, sich schwer chemisch reinigen läßt, in Anbetracht dessen, daß für die Synthese die aufgezählten Metalle verwendet wurden.

Die vorliegande Erfindung bezweckt eine Beseitigung der erwähnten Nachteile.

Dementsprechend wurde die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Synthese von Diamanten unter Anwendung solcher Metallverbindungen zu entwickeln, die einen minimalen Gehalt an Beimengungen und die Intensivierung der Reinigung des Syntheseproduktes gewährleisten würden.

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Zur Lösung der erwähnten Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Synthese von Diamanten

das kohlenstoffhaltige Material im Anwesenheit von Metallverbindungen der Einwirkung einer Temperatur von etwa zumindest 1800 C und einem Druck unterzogen der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität

des Diamanten während einer Zeitspanne entspricht, die zur

ist

Bildung eines Diamanten ausreicht; es auch dadurch gekennzeichnet ist, daß zwecks Verminderung des Aufwands an Reagenzien,

für Intensivierung der Reinigung des Syntheseproduktes und zur Gewinnung von Diamanten mit geringerem Gehalt an Beimengungen neben dem kohlenstoffhaltigen Material auch die in unmittelbarem Kontakt mit ihm stehenden Alkalimetallverbindungen, die Verbindungen von Thallium ₉ Indium, Gallium, Barium und Beryllium! beispielsweise Oxyde, Karbonate und Karbide der erwähnten Einwirkung einzeln oder gemeinsam ausgesetzt werden. Eben das gewährleistet einen hohen Reinheitsgrad der gewonnenen Diamanten und erleichtert bedeutend die chemische Reinigung des Syntheseproduktes ' ■ , Dementsprechend werden in einer der . ■ Varianten der Erfindung zusammen mit kohlenstoffhaltigem Material Metalloxide verwendet. Noch eine Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit kohlenstoffhaltigem Material Karbonate angewandt werden. Eine weitere Variante kennzeichnet die Tatsache, daß zusammen mit kohlenstoffhaltigem Material Karbide verwendet werden.

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Weiterhin wird die vorliegende Erfindung ausführlich anhand der Beispiele veranschaulicht.

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung kann als kohlenstoffhaltiges Material Graphit und andere kohlenstoffhaltige Materialien verwendet werden, die "bei hoher !Temperatur und hohem Druck freien Kohlenstoff ausscheiden, der fähig ist, sich in Diamanten umzusetzen.

Die "besten Ergebnisse wurden bei der Verwndung von

Graphit als kohlenstoffhaltiges Material erzielt. Als Medium (Lösungsmittel) wurden einzeln oder in Kombination genommene Verbindungen von Thallium, Gallium, Barium, Beryllium, Alkalimetallen, ihre Oxyde, Karbonate und Karbide verwendet.

Als Reaktionsgemisch kann ein homogenes Gemisch von Graphitpulver mit spektraler Reinheit mit Verbindungen der erwähnten Metalle verwendet werden. Außerdem können Scheiben aus Graphit und Scheiben beispielsweise aus Thalliumoxid im Graphiterhitzer schichtweise untergebracht werden. Die Metallverbindungen, beispielsweise das Thallium, Indium oder Gallium, können an den Stirnseiten des Reaktionsgefäßes angeordnet werden. Das wichtigste ist dabei, daß der Graphit bzw. das kohlenstoffhaltige Material sich in unmittelbarem Kontakt mit den Verbindungen dieser Metalle im Moment der Durchführung der Reaktion befinde».Das mengenmäßige Verhältnis von kohlenstoffhaltigem Material und den Verbindungen dieser Metalle ist für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht bestimmend.

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_ 5 —

Das erwähnte Reaktionsgemisch wird in eine Anlage mit hohem Druck und hoher Temperatur von beliebig passendem Typ untergebracht, die fähig ist , den Druck und die Temperatur zur .Durchführung einer Synthese von Diamanten zu gewährleisten. Unter anderem kann eine Vorrichtung mit zylindrischem Reaktionsraum verwendet werden, an deren Grundfläche Teile aus festen Legierungen oder Stahl anschließen, während die Seitenfläche aus einem Material besteht, das Wärmeelektroisoliereigenschaften besitzt wie beispielsweise das Pyrophyllit.

Die Erwärmung des Reaktionsgemisches unter Druck kann nach einem der bekannten Verfahren durchgeführt werden. Unter anderem mit Anwendung eines speziellen Graphiterhitzers

θ/
durch den elektrischer Strom guerbet wird₀

Der Druck in der Hochdruckanlage wurde mit Hilfe bekannter Verfahren nach einer Veränderung unter Druck des Elektro= Widerstandes solcher Metalle wie Wismut (Β^-ττ^ττΐ"^''⁷ ^BiIII-IV~⁸9 kbar,Thallium (3? ¹^j„m-37 kbar) , Barlran -59 kbar) bestimmt.

Die Meßgenauigkeit des Drucks in der Hochdruckanlage betrug bei einer Temperatur"von 2O⁰C + 10 kbar.

Die Temperatur in der Hochdruckanlage wurde nach den Schmelzpunkten solcher Metalle wie Mangan, Nickel, Titan und Platin bestimmt. Die Meßgenauigkeit der Temperatur in der Hochdruckanlage betrug bei einem Druck von etwa 80 kbar in der Anlag© + 150⁰C.

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Die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend durch folgende Beispiele veranschaulicht;

Beispiel 1

Ein homogenes Gemisch von Graphit mit spektraler Reinheit und TIpO in einem Volumenverhältnis 1:1 wurden in einem Erhitzer aus spektral reinem Graphit untergebracht und beiderseits durch Graphitscheiben abgedeckt. Es wurde der Einwirkung eines Drucks von 95 kbar und einer Temperatur von 2100°C unterzogen und unter diesen Bedingungen 3 Minuten gehalten. Unter den erwähnten Bedingungen wurden 30 Versuche durchgeführt. In jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 2

Ein homogenes Gemisch von naturreinem Graphit und TIpGOο in einem Volumenverhältnis 2:1 wurde in einem Erhitzer aus spektral reinem Graphit untergebracht und beiderseits durch Graphitseheiben abgedeckt. Es wurde der Einwirkung eines " Drucks von 85 kbar und einer Temperatur von 1900⁰C unterzogen und unter solchen Bedingungen 2 Minuten gehalten. Insgesamt wurden 33 Versuche durchgeführt. In jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 3

Scheiben aus spektralreinem Graphit und Scheiben aus 1^0 wurden schichtweise in einem Graphiterhitzer untergebracht unter Einwirkung eines Drucks von 89 kbar und einer Temperatur von 2000⁰C ausgesetzt. Man hielt sie unter diesen

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Bedingungen 10 Minuten. Unter den erwähnten. Bedingungen wurden 20 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 4

Der Versuch wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Nur als Lösungsmittel G-a₂0 verwendet. Dieses Beispiel wurde einige Male mit geringen DrucMind Temperaturveränderungen wiederholt. In jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt»

Beispiel 5

Ein homogenes Gemisch von Graphit und das Gemisch. (Tl₂O + TIpCOO in einem Volumenverhältnis 2s1 wurden in einem Erhitzer untergebracht, der Einwirkung eines Drucks von 95 kfea und einer Temperatur von 2300⁰G ausgesetzt und unter solchen Bedingungen 15 Minuten gehalten^. Unter d©a erwähnten Bedingungen wurden 10 Versuche durchgeführte In jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 6

Ein homogenes Gemisch von naturreinem Graphit und BaCOo in einem Volumenverhältnis 2:1 wurden in einem Erhitzer aus spektralreinem Graphit untergebracht _t beiderseits mit Graphitscheiben abgedeckt, einem Druck von 85 kbar und einer Temperatur von 190O⁰C.ausgesetzt und unter diesen Bedingungen 2 Minuten gehalten. Insgesamt wurden 33 Versuche durchgeführt. In jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

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Beispiel 7

Scheiben aus spektralreinem Graphit und Scheiben aus o wurden schichtweise in einem Graphiterhitzer untergebracht und einem Druck von 89 kbar und einer Temperatur von 2000⁰C ausgesetzt. Sie wurden unter diesen Bedingungen 10 Minuten gehalten. Auf solche Weise wurden 20 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 8

gearbeitet es wurde unter · den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1j nurwurde als Lösungsmittel " BeO verwendet. Dieses Beispiel wurde einige Male mit geringen Druck- und Temperaturveränderungen wiederholt. In jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 9

Das homogene Gemisch von Graphit und das Gemisch (BaO, BaCOo) in einem Volumenverhältnis 2:1 wurden in einem Erhitzer untergebracht, einem Druck von 95 kbar und einer Temperatür von 230O⁰C ausgesetzt. Man hielt es unter diesen Bedingungen 15 Minuten. Auf solche Weise wurden 9 Versuche durchgeführt, in jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 10

Das homogene Gemisch von Graphit mit spektraler Reinheit und BaO in einem Volumenverhältnis 1:1 wurden in einem Erhitzer aus spektralreinem Graphit untergebracht, beiderseits mit Graphitscheiben abgedeckt und einem Druck von 95 kbar und einer Temperatur von 230O⁰C ausgesetzt. Man hielt es unter

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diesen Bedingungen 3 Minuten. Auf solche Weise wurden 30 Versuche durchgeführt, "bei jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 11

Das homogene Gemisch von Graphit spektraler Reinheit und LiOp in einem Volumenverhältnis 1i1 wurden in einem Erhitzer aus spektralreinem Graphit untergebracht_s beiderseits mit Graphitscheiben abgedeckt und einem Druck von 96 kbar und einer Temperatur von 2100⁰G ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen hielt man es 3 Minuten» Auf solche Weise wurden 30 Versuche durchgeführt. In jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 12

Das homogene Gemisch von naturreinem Graphit mit Li^CO-in einem Volumenverhältnis 2s1 wurden in einem Erhitzer aus spektralreinem Graphit untergebracht₈ beiderseits mit Graphitscheiben abgedeckt und einem Druck von 85 kbar und einer Temperatur von 1900⁰C ausgesetzt. Man hielt es unter diesen Bedingungen 2 Minuten. Insgesamt wurden 33 Versuche durchgeführt, in jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt,

Beispiel 13

Scheiben aus spektralreipam Graphit und Scheiben aus NapCO-3 wurden schichtweise in einem Graphiterhitzer untergebracht, dem Druck von 89 kbar und einer Temperatur von 2000⁰C ausgesetzt und unter diesen Bedingungen 10 Minuten gehalten»

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- ίο -

Auf solche Weise wurden 20 Versuche durchgeführt, in jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 14

Der Versuch wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 10 durchgeführt, nur als Lösungsmittel wurde Na₂O verwendet. Dieses Beispiel wurde mit geringen Druck- und ) Temperaturveränderungen einige Male wiederholt. In jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 15

Der Versuch wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 10 durchgeführt, nur ^E:2^C03

verwendet« Insgesamt wurden 10 Versuche durchgeführt. In allen Versuchen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 16

Der Versuch wurde unter den gleichen Bedingungen wie in ^ Beispiel 10 durchgeführt, nur · · K^O verwendet. Dar Versuch wurde einige Male wiederholt, in jedem von ihnen wurden Diamanten entdeckt.

Beispiel 17

Das homogene Gemisch von Graphit und das Gemisch (LipO + LioCOO in einem Volumenverhältnis 2ϊ1 wurde in einem Erhitzer untergebracht und dem Druck von 95 kbar und einer Temperatur von 2300⁰C ausgesetzt. Man hielt es unter diesen Bedingungen 15 Minuten. Auf solche Weise wurden 10 Versuche durchgeführt, und in jedem Versuch wurden Diamanten entdeckt.

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Beispiel 18

Das homogene Gemisch von Graphit und Li C in einem VoIu-

2 2

menverhältnis 1:2 wurden in einem Graphiterhitzer untergebracht und einem Druck von 100 kbar und einer Temperatur von 250O⁰C ausgesetzt. Man hielt es unter diesen Bedingungen 30 Minuten. Auf diese Weise wurden 15 Versuche durchgeführt ₉ in einem jeden Versuch wurden Diamanten entdeckt«

Diamanten, die dem erfindungsgemäßen Verfahren nach gewonnen wurden, enthielten O_S1% Beimengungen,,

Die Verwendung der erwähnten Verbindungen gestattete vollständig die Reinigung des Syntheseproduktes mit Salpeter säure auszuschließen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

1· Verfahren zur Synthese von Diamanten aus kohlenstoffhaltigem Material in Anwesenheit von Metallverbindungen bei einer Temperatur von über 1800⁰C und einem Druck, der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität des Diamanten entspricht, dadurch gekennzeichnet , " daß als erwähnte Metallverbindungen die Verbindungen von Alkalimetallen, Verbindungen von Indium, Thallium, Gallium, Barium und Beryllium, einzeln genommen oder in Kombination, verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Metallverbindungen Oxyde der erwähnten Metalle, einzeln genommen oder in Kombination, verwendet werden·
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e fc kennzeichnet, daß als Metallverbindungen Karbonate der erwähnten Metalle, einzeln genommen oder in Kombination, verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Metallverbindungen Karbide der erwähnten Metalle, einzeln genommen oder in Jfombination, verwendet werden·

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