DE2746395C3

DE2746395C3 - Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten

Info

Publication number: DE2746395C3
Application number: DE2746395A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokyo Ishizuka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-18
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1981-05-21
Also published as: US4128625A; DE2746395A1; JPS5523201B2; DE2746395B2; JPS5350086A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten, bei dem ein stark kohlenstoffhaltiges Material, vorzugsweise Graphit, und ein als Lösungsmittel für das stark kohlenstoffhaltige Material wirkendes Katalysator-Metall einem Druck und einer hohen Temperatur im Bereich der Diamantstabilität ausgesetzt werden.

Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten sind seit langem bekannt. Erfolgversprechend sind diejenigen Verfahren, bei denen ein stark kohlenstoffhaltiges Material, das nicht in Diamantkonfiguration vorliegt, zumeist Graphit, mit einem als Lösungsmittel wirkenden Katalysator-Metall in Berührung gebracht und dabei einem hohen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Druck und Temperatur müssen dabei im Bereich der Diamantstabilität liegen, d.h. hinsichtlich des Druckes oberhalb der Diamant/ Graphit-Gleichgewichtslinie und hinsichtlich der Temperatur unterhalb der Linie, die den Schmelzpunkt des Katalysator-Metalles angibt. Unabhängig von dem speziellen Katalysator-Metall ist die Entstehungsrate synthetischer Diamanten größer, je tiefer innerhalb des Bereiches der Diamantstabilität die Reaktion vor sich geht. Eine große Entstehungsrate aber bedeutet, daß zwar viele synthetische Diamanten entstehen, daß aber nur geringe Größen und schlechte Qualität erreicht werden.

Angesichts der zuvor erläuterten Problematik ist ein Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten entwickelt worden, das zum Ziel hat, die Entstehungsrate synthetischer Diamanten bzw. die Anzahl von Diamantkristallkeimen wesentlich zu senken, um so ein ausreichendes Wachstum der geringen Anzahl von Diamantkristallkeimen zu gewährleisten. Bei diesem bekannten Verfahren (vgl. die US-PS 30 31 269) müssen Druck und Temperatur so gewählt werden, daß das Verfahren praktisch in unmittelbarer Nähe der Diamant/Graphit-Gleichgewichtslinie abläuft. Das bedeutet, daß bei absoluten Temperaturen über 1000 K die tatsächliche Temperatur um nicht mehr als 50 K von der Diamant/Graphit-Gleichgewichtstemperatur bei dem entsprechenden Druck abweichen darf. Dieses bekannte Verfahren erfordert daher eine außerordentliche feine und genaue Regelung des Druckes und insbesondere der Temperatur, was eine Anwendung dieses bekannten Verfahrens in wirtschaftlich sinnvollem Maßstab schwierig macht

Im übrigen ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten bekannt (vgL die DE-AS 20 32 083), bei dem ein stark kohlenstoffhaltiges Material, nämlich Graphit und ein als Lösungsmittel für das stark kohlenstoffhaltige Material wirkendes Katalysator-Metall einem hohen Druck und einer hohen Temperatur im Bereich der Diamantstabilität ausgesetzt werden. Als Katalysator-Metall wird hier Kupfer bzw. werden hier Kupferverbindungen verwendet Das Verfahren läuft bei einem Druck über 80 kbar und einer Temperatur über 2070 K ab. Dieses bekannte Verfahren unterscheidet sich von dem zuvor erläuterten bekannten Verfahren nur dadurch, daß als Katalysator-Metall kein Metall der Nebengruppe der VIII. Gruppe des periodischen Systems der Elemente, sondern ein Metall der L Gruppe, nämlich Kupfer, verwendet wird. Die geringe Affinität von Kupfer zu Kohlenstoff wird dabei dadurch überwunden, daß dieses Verfahren bei einem extrem hohen Druck und einer extrem hohen Temperatur durchgeführt wird.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem im Vergleich zu den bekannten Verfahren größere Diamanten hergestellt werden können, ohne daß eine besonders feine und genaue und damit aufwendige Regelung des Druckes und insbesondere der Temperatur notwendig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das stark kohlenstoffhaltige Material und das Katalysator-Metall in der Anfangsphase der Reaktion durch ein Metall voneinander isoliert werden, das praktisch keine Affinität zu Kohlenstoff hat. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der gemeinsamen Aufheizung der Ausgangsmaterialien — kohlenstoffhaltiges Material, Katalysator-Metall — auf die eigentliche Verfahrenstemperatur eine erhebliche Menge von Kohlenstoffatomen in das Katalysator-Metall hinein diffundiert, bevor dieses zu schmelzen beginnt, und zwar desto mehr, je mehr sich die Verfahrenstemperatur der Schmelztemperatur des Katalysator-Metalles nähert. Aus einer Vielzahl von Versuchen hat sich dabei ergeben, daß bei Verwendung üblicher Katalysator-Metalle wie Nickel, Kobalt oder einem anderen Metall der Nebengruppe der VIII. Gruppe des periodischen Systems der Elemente diese Diffusion im Temperaturbereich von 1250 K bis 1400 K besonders hoch ist. Diese anfängliche Diffusion von Kohlenstoffatomen in das Katalysator-Metall hinein ist der Grund für die unerwünschte hohe Entstehungsrate von Diamantkristallkeimen. Hier wird nun eine Art »Diffusionsbarriere« zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und dem Katalysator-Metall verwendet, wobei es darauf ankommt, daß diese »Diffusionsbarriere« aus einem Material hergestellt ist, das praktisch keine Affinität zu Kohlenstoff hat und dessen Schmelzpunkt bei oder über einer Temperatur von ca. 1400 K, aber unterhalb der Temperatur des Schmelzpunktes des Katalysator-Metalles liegt.

Durch die »Diffusionsbarriere« werden in der Anfangsphase der Reaktion das kohlenstoffhaltige Material und das Katalysator-Metall effektiv voneinan-

der isoliert, so daß eine Diffusion von Kohlenstoffatomen in das Katalysator-Metall praktisch nicht stattfindet Erst bei Überschreiten der durch den Schmelzpunkt der »Diffusionsbarriere« gegebenen Mindesttemperatur wird die Diffusion von Kohlenstoffatomen in das Katalysator-Metall allmählich möglich, und zwar nach Maßgabe der langsam abschmelzenden »Diffusionsbarriere«. Auf diese Weise wird die Anzahl der Diamantkristallkeime bzw. die Entstehungsrate synthetischer Diamanten gering genug gehalten, um eine wesentlich gesteigerte Größe der tatsächlich entstehenden synthetischen Diamanten zu gewährleisten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das isolierende Metall vorzugsweise in Form einer dünnen Scheibe zwischen das kohlenstoffhaltige Material und das Katalysator-Metall gegeben. Dabei wird zweckmäßigerweise als isolierendes Metall ein Metall der Gruppe Cu, Ag, Au und/oder eine Legierung dieser Metalle verwendet Es ist allerdings nicht erforderlich, daß das isolierende Metall einen sehr hohen Reinheitsgrad hat, ohne weiteres können geringe Mengen an Wismut, Gallium, Germanium, Indium, Blei, Antimon oder Zinn in dem isolierenden Metall enthalten sein.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß aufgrund der »Diffusionsbarriere« die Anzahl der Diamantkristallkeime bzw. die Entstehungsrate synthetischer Diamanten gering gehalten wird, so daß das Anwachsen bestehender Diamantkristalle gegenüber der Entstehung neuer Diamantkristalle bevorteilt ist Damit können relativ große synthetische Diamanten hergestellt werden, ohne daß es einer besonders feinen und genauen und damit aufwendigen Regelung des Druckes und der Temperatur im Laufe des Verfahrens bedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also insbesondere auch in industriellem Rahmen zur Herstellung synthetischer Diamanten ohne weiteres einsetzbar.

Anhand eines Beispiels soll die Erfindung abschließend nochmal verdeutlicht werden:

In einem zylindrischen Behälter aus Agalmatolith mit einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Höhe von 20 mm wurden eine Graphitscheibe von 7 mm, eine Kupferscheibe von 50 μ, eine Kobaltscheibe von 6 mm, eine Kupferscheibe von 50 μ und eine Graphitscheibe von 7 mm Dicke in der genannten Reihenfolge angeordnet, dadurch das Innere des Behälters ausfüllend. Dieser Behälter wurde dann in ein Hochdruck- und Hochtemperaturgerät zur Diamantsynthese eingesetzt und 10 min lang 53 Kb und 1673 K ausgesetzt, wodurch 1,5 g an synthetischen Diamantkörnern entstanden, weiche zu über 50% einen Durchmesser von mehr als 0,4 mm hatten. Diese Diamantkörner wurden radial an den Trennflächen ausgebildet, an denen die Kobaltscheibe und die Graphitscheiben angeordnet waren.

Ein Vergleichstest wurde unter den gleichen Arbeitsbedingungen durchgeführt, ohne daß eine Kupferscheibe in den Behälter eingesetzt wurde. Man erhielt zwar 1,8 g Diamantkörner, jedoch lag ihr Durchmesser insgesamt unter 0,25 mm.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten, bei dem ein stark kohlenstoffhaltiges Material, vorzugsweise Graphit, und ein als Lösungsmittel für das stark kohlenstoffhaltige Material wirkendes Katalysator-Metall einem Druck und einer hohen Temperatur im Bereich der Diamantstabilität ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das stark kohlenstoffhaltige Material und das Katalysator-Metall in der Anfangsphase der Reaktion durch ein Metall voneinander isoliert werden, das praktisch keine Affinität zu Kohlenstoff hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Metall in Form einer dünnen Scheibe zwischen das kohlenstoffhaltige Material und das Katalysator-Metall gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierendes Metall ein Metall der Gruppe Cu, Ag, Au und/oder eine Legierung dieser Metalle verwendet wird.