DE2244254C2

DE2244254C2 - Verfahren zum Herstellen synthetischer Diamanten

Info

Publication number: DE2244254C2
Application number: DE19722244254
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Harvey Crawley Down Sussex Greenhalgh; Pieter Willem Gideon de Johannesburg Transvaal Jager; Roger John Wedlake
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1972-09-08
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE2244254A1

Description

Gruppen von Kohlenstoffatomen freigegeben werden. Man behält diese Bedingungen für eine gewisse Zeitdauer bei, wo dann die Umwandlung der freigegebenen Kohlenstoffatome oder Kohlenstoffatomgruppen zu Diamant erfolgt Anschließend hebt man den Druck auf und läßt die Temperatur im wesentlichen auf Umgebungstemperatur absinken. Schließlich wird der Diamant aus dem Inhalt der Reaktionszone gewonnen.

Bei den genannter. Zusammensetzungen handelt es sich um die Hexahalobenzole der Formel Cs(HaI)₆, die Hexahaloäthane der Formel C₂(HaI)₆ und die Tetrahalochinone der Formel CeO^Halji». In all diesen Formeln steht »Hai« für ein Halogenatom. Im einzelnen haben sich die Chlorderivate dieser Verbindungen, d. h. Hexachlorbenzol, Hexachloräthan und Tetrachlorchinon (Chloranil) als am besten geeignet erwiesen.

Wenn diese halogenisierten Verbindungen als Kohlenstoffquelle verwendet we/den, wird bei der Zersetzung eine große Menge Halogengas erzeugt, und es können Explosionen auftreten. Um Explosionen zu vermeiden, wird ein Fangstoff aus Alkali- oder Erdalkalimetall (z. B. Lithium) für das Halogengas vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme der einzigen Figur ausführlicher erläutert

In der Figur ist als Linie A eine Kurve der Berman-Simon-Linie gezeigt wobei der Druck in Kilobar über der Temperatur in Grad Celsius aufgetragen ist Wie oben erwähnt ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschenderweise möglich, Diamanten unter Temperatur- und Druckbedingungen unterhalb der Berman-Simon-Linie herzustellen, beispielsweise bei den nachfolgend detaillierter beschriebenen Bedingungen der Punkte 1 bis 4 in der Figur. Dort ist erkennbar, daß die angewandten Bedingungen innerhalb eines großen Bereiches schwanken können, wobei allgemein jedoch die Temperaturen unter 2000⁰C und die Drücke unter 100 Kilobar liegen.

Durch die Kurve B in der Figur sind die Druck- und Temperaturbedingungen beim Stand der Technik gezeigt

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die Bedingungen unterhalb der Berman-Simon-Linie stufenweise hergestellt, wie durch die Linie C gezeigt.

Nachfolgend werden Beispiele zur Erläuterung der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Hexachlorbenzolpulver wurde zu Scheiben kompri miert und in einen Pyrophyllitbecher gebracht Der Becher wurde mit einer Tantalfolie umwickelt und in eine Hochdruckkapsel in einer Belt-Vorrichtung der in der US-PS 29 41 248 beschriebenen Art gebracht

Die Vorrichtung wurde in bekannter Weise so bedient, daß der Druck in der Reaktionszone rasch auf ca. 50 Kilobar angehoben wurde. Danach wurde die Temperatur der Reaktionszone allmählich mit einer Geschwindigkeit von ca. 20⁰C bis 30⁰C pro Minute auf einen Wert von ca. 1600⁰C angehoben (vgl. Punkt 1 in der Figur). Die Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks wurden ca. 15 bis 30 Minuten beibehalten. Dann wurde der Druck aufgehoben, und man ließ den Inhalt der Kapsel bis auf Umgebungstemperatur abkühlen.

Der Inhalt wurde aus der Kapsel entnommen, und unter Anwendung bekannter Gew'nnungstechniken wurde aus dein Inhalt eine Anzahl kleiner Kristalle gewonnen, die mit Hilfe der Röntgenanalyse als Diamant identifiziert wurden.

Beispiele 2bis4

Es wurde das gleiche Verfahren wie beim Beispiel 1 angewandt außer daß folgende Temperatur- und Druckbedingungen angewandt wurden und ein stufenweiser Weg, wie ihn die Linie C in der Figur zeigt, befolgt wurde, um die Reaktionszone auf die festgelegten Bedingungen zu bringen (vgl. Punkte 2 bis 4 in der Figur 1).

Beispiel

Druck (Kilobar)

Temperatur (°C)

25 30 40

800
1000
1100

In jedem Fall wurden Diamantkristalle, die mit Hilfe der Röntgenanalyse als solche identifiziert wurden, aus dem Inhalt der Reaktionskapsel gewonnen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Verfahren zum Herstellen synthetischer Diamanten, bei dem ein halogenierter Kohlenwasserstoff zersetzt und der erhaltene elementare Kohlenstoff in Diamant umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der halogenierte Kohienwassersioif ein Hexahalöbenüoi, ein Hexahäioäthan oder Tetrahalochinon ist, und daß dieser in Gegenwart von Alkali oder Erdalkalimetall solchen unter der Berman-Simon-Linie liegenden Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, daß die Zersetzung des Kohlenwasserstoffes und die Umsetzung zum Diamant erfolgt
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb der Berman-Simon-Linie liegenden Temperatur- und Druckbedingungen durch stufen-veises Anheben der Temperatur und des Druckes eingestellt werde"
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Druck und Temperatur-Werte eingestellt werden:

Druck (Kilobar)

Temperatur (⁰C)

25

oder 30
oder 40

800
1000
1100
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 20⁰C bis 30° C pro Minute angehoben wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen synthetischer Diamanten, bei dem ein halogenierter Kohlenwasserstoff zersetzt und der erhaltene elementare Kohlenstoff in Diamant umgesetzt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 19 06 719 bekanntgeworden. Dort wird eine kohlenstoffhaltige Zusammensetzung aus halogeniertem Kohlenstoff mit Lösungen von Alkali- oder Erdalkalimetallen auf elektrolytischem Wege zersetzt und der erhaltene elementare Kohlenstoff auf einem Substrat zu einem Diamanten gezüchtet. Das Substrat besitzt hierbei eine Struktur, die das richtungsorientierte Wachstum des Diamanten gestattet, wie z. B. Halogenkohlenstoffe mit einem Kohlenstoffskelett, kristallisierte Stoffe, die ein dem Diamanien isomorphes Gitter besitzen sowie auch Diamanten selbst, z. B. in Form einer polykristallinen Masse aus Diamantpulver. Für die elektrolytische Zersetzung der kohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen wurde Wechselstrom bzw. impulsförmiger Gleichstrom verwendet Nachteilig an diesem Verfahren ist die Verwendung eines Substrates, auf dem die Diamanten gezüchtet werden und weiterhin die Tatsache, daß die Elektrodenspannung sehr schwierig aufrechterhalten

ίο werden kann und es schwierig ist eine Polarisierung oder Vergiftung der Elektroden zu verhindern.

Ein weiteres Verfahren zum Herstellen synthetischer Diamanten ist aus der DE-AS 11 45 151 bekannt Dort wird kohlenstoffhaltiges Material in Gegenwart eines bestimmten Metalles (ζ. B. Platin) Druck- und Temperaturbedingungen unterworfen, die oberhalb der Berman-Simon-Linie (vgl. »Zeitschrift für Elektrochemie«, 59, S. 333, 1955) liegen. Die Berman-Simon-Linie in einem Druck-Temperatur-Diagramm trennt nach herrschender Meinung ein diamantstabiles Gebiet von einem diamant-instabilen Gebiet Das diamantstabile Gebiet liegt dabei oberhalb der Berman-Simon-Linie, d. h. bei hohen Drücken und hohen Temperaturen. Bei der DE-AS 1145 151 wurden beispielsweise Drücke von über 88 Kilobar und Temperaturen von über 2050° C verwendet Bei der US-PS 29 47 609 wurden Drücke über 55 Kilobar und Temperaturen im Bereich von 1200° C bis 2500° C vorgeschlagen.

Eine Vorrichtung .aim Ausführen der Diamantsynthese, mit der diese hohen Drücke und Temperaturen erreicht werden können, ist in der US-PS 29 41 248 beschrieben.

Abweichend von der DE-AS 11 45 151, bei der die Diamantsysthese in Gegenwart eines bestimmten Metalls erfolgt, wird bei der US-PS 34 88 153 vorgeschlagen, das kohlenstoffhaltige Material in Abwesenheit der metallischen Lösungsmittel unter Anwendung äußerst hoher Drücke und Temperaturen von beispielsweise 120 Kilobar und 3500° C umzuwandeln.

All diesen mit hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeitenden Verfahren ist ,f^meinsam, daß die verwendeten Vorrichtungen sehr schweren technischen Bedingungen unterworfen sind, was ihre Lebensdauer verkürzt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu synthetischen Diamanten bei deutlich niedrigeren Temperaturen und Drücken möglich ist

so Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst

Grundgedanke der Erfindung ist es somit unter Verwendung von Hexahalobenzol, Hexahaloäthan oder Tetrahalochinon mit Drücken und Temperaturen auszukommen, die unter der Berman-Simon-Linie liegen, wobei dieser Vorgang in Gegenwart von Alkali oder Erdalkalimetall durchgeführt wird.

Die genannten kohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen sind hierbei frei von kovalenten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen.

Die Herstellung der synthetischen Diamanten erfolgt dann im wesentlichen mit folgenden Schritten: Man schafft eine Reaktionszone, bringt eine Zusammensetzung, wie sie oben beschrieben wurde, in diese

b5 Reaktionszone und setzt sie solchen unterhalb der Berman-Simon-Linie liegenden Temperatur- und Druckbedingungen aus, daß die Zersetzung der Zusammensetzung erfolgt und Kohlenstoffatome oder