JPH0330828A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はダイヤモンド種結晶を用いて高温高圧下でダイ
ヤモンドを合成する方法に関し、殊に研削や切断の為に
用いられる工具用砥粒や切削工具用刃先等の材料として
有用な良質の大粒ダイヤモンド単結晶を合成する方法に
関するものであ［従来の技術］ 大粒のダイヤモンド単結晶を目標とする合成方法は種々
知られているが、その代表例としてはバーバード・エム
・ストロング（）１．Ｍ、Ｓｔｒｏｎｇ）がＪ、Ｐｈｙ
ｓ、Ｃｈｅｍ、７５．　（１９７１）　１８３３に発表
したいわゆる温度差法を挙げることができる。

この方法は、ある方法で得られたダイヤモンドを原料と
しこれを更に大粒化する技術に関するものであフて、何
らかの方法によって製造された合成ダイヤモンドを炭素
源として高温側に配置すると共に低温側には金属触媒を
前記炭素源に接触する様に配置し、更に金属触媒の最も
低温となる部分にダイヤモンド種結晶を配置しておき、
最高温部と最低温部の温度差を約５０℃に保ち、この温
度差によって炭素源が金属触媒中を拡散しつつ前記種結
晶上にダイヤモンドの晶出を促して大粒ダイヤモンド単
結晶に成長させるものである。しかしながら、この方法
では大粒ダイヤモンド単結晶を得るのに長時間を要する
という欠点があり、例えば１ｍｍの大きさまで成長させ
るのに２〜５時間もの長時間が必要であった。

一方比較的短時間にダイヤモンド（但し後述の如く小粒
径ダイヤモンド）を合成する方法としては薄膜合成法が
知られており、上記結晶成長技術よりも古く、例えば特
公昭３７−４４０７号に開示された技術がある。この方
法は上記結晶成長技術と同じくバーバード・エム・スト
ロングによるものであり、周期律表第■族（鉄族、白金
族）に属する元素若しくはクロム、タンタル、マンガン
等の元素或はこれらの元素を含む合金を触媒とし、該触
媒に炭素物質（黒鉛）を共存させた状態にして両者の共
融温度以上の温度で且つダイヤモンド−黒鉛平衡線以上
の圧力（ダイヤモンドの熱力学的に安定な条件）下に保
持して合成するものである。この様な構成を採用するこ
とによって、３０分以下という短時間で高強度のダイヤ
モンドを合成することに成功しているが、当該方法は元
々ダイヤモンド粉末を得る目的で行なわれるものであり
、０．５ｍｍ以上の大粒ダイヤモンド単結晶を得ること
はほとんど不可能である。

そこでこの方法を応用して大粒のダイヤモンドを比較的
早く合成する試みとして、例えば特公昭５５−１１６０
５号や特開昭５９−２０３７１７号等に示す技術が提案
されている。これらの技術はダイヤモンド種結晶を用い
、この種結晶上にダイヤモンドを成長させることによっ
て、大粒のダイヤモンド単結晶を合成しようとするもの
である。またダイヤモンド種結晶を用いる合成方法では
、その圧力としてダイヤモンドが自発核を形成し得る最
低の圧力を超えない圧力（特開昭５９−２０３７１７号
）や、黒鉛−ダイヤモンド平衡線付近（２キロバール以
内）の圧力（特公昭５５−１１６０５号）等に設定され
るのが一般的である。これは自発核を生成し得る最低の
圧力以上の圧力では、ダイヤモンド車結晶以外の部分で
核生成が頻繁に起こり、大粒のダイヤモンド単結晶が得
られないと考えられていた為である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら本発明者らの研究によると、上記いずれの
方法によっても希望する大粒結晶を短時間で得ることは
できなかった。即ち本発明者の実験によると、前者の方
法では０．１ｍｍのダイヤモンド種粒子を用いて、およ
び後者の方法では０．３ｍｍのダイヤモンド種結晶を用
いて、いずれも保持時間３０分間で合成したところ、い
ずれの方法によっても０．８ｍｍ以上の大粒ダイヤモン
ド単結晶を得ることはできなかった。

上記技術を改良したものとして、例えば「ニューダイヤ
モンド」　（第１１号第３２頁、ニューダイヤモンドフ
ォーラム出版、昭和６３年１０月２５日発行）に示す様
な方法も提案されている。この技術はダイヤモンド種結
晶のみが成長する領域で一旦保持した後、更に過剰圧を
加えることによりダイヤモンドの大粒化を図る２段階昇
圧法である。この方法によれば過剰圧によって成長速度
が増大するので、短時間でダイヤモンドの大粒化が達成
される。しかしながらこの方法によっても、条件の如何
によってはダイヤモンドの性能に差異を生じ、ダイヤモ
ンド単結晶の内部に欠陥が生じるという欠点があった。

本発明は上述した技術的課題を解決する為になされたも
のであって、その目的は、高温・高圧での保持時間が３
０分以内と比較的短時間であるにも拘らず良質な（内部
欠陥のない）大粒ダイヤモンド単結晶が得られる様なダ
イヤモンドの合成方法を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明方法とは、金属触媒、炭素
物質およびダイヤモンド種結晶を用いて高温高圧下でダ
イヤモンドを合成する方法において、金属触媒と炭素物
質の共融温度以上および黒鉛−ダイヤモンド平衡線より
も高い圧力下で、ダイヤモンドの自発核生成最低圧力以
下の圧力から出発して、２〜１５バール／分の昇圧速度
で昇圧しつつ前記ダイヤモンド種結晶を成長させる点に
要旨を有するものである。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるが、要は高温・高圧下で
ダイヤモンド種結晶上にダイヤモンド阜結晶を成長させ
る２段階昇圧法を基本とし、温度および圧力条件並びに
昇圧速度を適切に設定すれば従来法よりも短時間で良質
の大粒ダイヤモンド単結晶が成長することを見出したこ
とに基づくものである。

第１図は炭素の状態図を示し、図中ラインＡは黒鉛−ダ
イヤモンド平衡線、ラインＢは金属触媒−炭素共融温度
線、ラインＣは炭素物質からダイヤモンドが自発核を形
成し得る最低の圧力を示す線である。

上記ラインＣは、炭素物質と金属触媒の間にダイヤモン
ド種結晶を配置した場合に、一定圧の下で一定温度に数
分間保持してダイヤモンド種結晶の成長と該種結晶以外
の部分でのダイヤモンド生成を確認するという方法で、
そのときの圧力を様々に設定して種結晶のみが成長する
最高の圧力として求めることができる。即ちラインＣは
、各温度において種結晶以外の部分でダイヤモンドが生
成する最低の圧力に相当する。

ダイヤモンドの成長速度は一般に圧力が高いほど大きく
なることが知られているが、木発明者らによると、ライ
ンＡよりも高くラインＣよりも低い圧力条件下では確か
にダイヤモンド種結晶の成長は誌められるものの、成長
速度が小さく目的とする大粒のダイヤモンド単結晶を短
時間で得ることは難しいとの事実が実験により確認され
た。またこのことが、特開昭５９−２０３７１７号や特
公昭５５−１１６０５号に示された方法によっても大粒
のダイヤモンド単結晶を短時間で得ることのできない原
因と考えられた。

一方、上述した２段階昇圧法では、過剰圧がダイヤモン
ド成長への大きな駆動力となるので、比較的短時間で大
粒のダイヤモンド単結晶が合成できる。しかしながら本
発明者らが実験によフて確認したところによると、２段
目の圧力に達するまでの昇圧速度の大小によフては合成
されたダイヤモンドの品質がかなり異なることが判明し
た。

即ち昇圧速度が大きい条件でダイヤモンドを合成した場
合、得られたダイヤモンドの断面を研摩してみると、内
部には微細なダイヤモンドや未変換のグラファイト、或
は金属触媒等を取り込んだ欠陥が発生していることが分
かった。これは昇圧速度が大きい場合には、昇圧時に微
細なダイヤモンドの自発核生成が生じると共に、ダイヤ
モンド種結晶の成長速度が大きくなる為に、上記各種の
欠陥原因物質を取り込む様にしてダイヤモンドが成長す
るからと考えられる。

そこで本発明者らが上記知見に基づき更に鋭意研究を重
ねたところ、内部欠陥を可及的に少なくする為に、昇圧
速度をある程度以下に抑える必要があることを見出した
。そして本発明者らが実験によって確認したところによ
ると、昇圧速度を１５バール／分以下で昇圧すれば内部
欠陥のない大粒ダイヤモンドが合成できることが分かっ
た。

但し、昇圧速度を２バール／分未満にすれば、昇圧の為
に時間がかかってしまい短時間でダイヤモンドを合成で
きなくなる。また長時間かけても成長速度が小さく大粒
化はむずかしい。従って本発明では昇圧速度を２〜１５
パ一ル／分と定めた。

尚昇圧後の最終圧力については、成長速度を太きくする
ためにラインＣよりも高くする必要がある。

本発明で用いる金属触媒としては炭素物質からダイヤモ
ンドを合成し得るものであればよく特に限定しないが、
例えば白金、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、ロジ
ウム、ルテニウム、パラジウム、クロム、マンガン等が
挙げられ、特に鉄族金属およびそれらの合金が好ましい
。また原料となる炭素物質としては、黒鉛、非晶質炭素
、熱分解黒鉛等が挙げられる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下
゛記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前
・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発
明の技術的範囲に含まれるものである。

［実施例］ 直径１０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの黒鉛板と、厚さ０．２
ｍｍのコバルト板を積層し、これらの境界部分に約０．
５ｍａ＋のダイヤモンド単結晶を配置し、これをベルト
型超高圧発生装、置内に設置した後、ＮａＣ１を圧力媒
体として油圧によって４５．５キロバールまで加圧しつ
つ１４００℃まで加熱した（第２図のＸ点）。そこから
、下記第１表および第２図に示す様に昇圧速度を５通り
に設定して、最終圧力を４６．５キロバールとなる様に
ダイヤモンドを合成し、得られたダイヤモンドの性状に
ついて調査した。

その結果を第１表に示す。向上記キロバールで表示した
圧力値は、室温でＢｉ、ＴＩ、Ｂａを圧力定点として求
めた検量線から計算したものであり、１４００℃での圧
力は圧力媒体として用いたＮａＣ１の高温での増圧効果
によってこれらの値より数キロバール高くなる。これを
前記第１図と対応させると、開始時圧力（Ｘ点）はライ
ンＡとラインＣの間の圧力領域の内に該当し、最終圧力
はラインＣをこえた圧力領域内に夫々該当する。

尚Ｘ点から直ちに減圧した場合についても実験を行なっ
たが（第２図のＮｏ、６）、自発核生成は全く生じてい
なかった。

第１表から次の様に考察できる。

本発明方法（実験Ｎｏ、３．４．５）では、内部欠陥の
ない１．３〜１．８ｍｍの大粒ダイヤモンド単結晶が短
時間で得られている。これに対し、昇圧速度の大きい実
験Ｎｏ、１．２では内部欠陥を生じており、またサイズ
も小さいものであった。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、大粒で良質のダイヤモ
ンド単結晶が比較的短時間で合成できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は炭素の状態図を示すグラフ、第２図は実施例に
おける各実験での昇圧の様子を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属触媒、炭素物質およびダイヤモンド種結晶を
   用いて高温高圧下でダイヤモンドを合成する方法におい
   て、金属触媒と炭素物質の共融温度以上および黒鉛−ダ
   イヤモンド平衡線よりも高い圧力下で、ダイヤモンドの
   自発核生成最低圧力以下の圧力から出発して、２〜１５
   バール／分の昇圧速度で昇圧しつつ前記ダイヤモンド種
   結晶を成長させることを特徴とするダイヤモンドの合成
   方法。