RU2676614C1 - Способ детонационного синтеза наноалмазов - Google Patents

Способ детонационного синтеза наноалмазов Download PDF

Info

Publication number
RU2676614C1
RU2676614C1 RU2017140461A RU2017140461A RU2676614C1 RU 2676614 C1 RU2676614 C1 RU 2676614C1 RU 2017140461 A RU2017140461 A RU 2017140461A RU 2017140461 A RU2017140461 A RU 2017140461A RU 2676614 C1 RU2676614 C1 RU 2676614C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
detonation
charge
explosive
diamond
synthesis
Prior art date
Application number
RU2017140461A
Other languages
English (en)
Inventor
Пётр Яковлевич Детков
Игорь Леонидович Петров
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СКН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СКН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СКН"
Priority to RU2017140461A priority Critical patent/RU2676614C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2676614C1 publication Critical patent/RU2676614C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0095Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25Diamond
    • C01B32/26Preparation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к нанотехнологии. В герметичную взрывную камеру помещают заряд взрывчатого вещества, содержащего исходный материал синтеза, например смесь тротила и гексогена, в форме диска с толщиной, близкой к критическому диаметру заряда, в ледяной оболочке. Затем инициируют детонацию с помощью электродетонатора с заглублением. Детонационный синтез наноалмазов ведут в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации. Изобретение позволяет увеличить выход наноалмазов до 7-9 мас.%. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к технологии детонационного синтеза наноструктурированных графитовых образований, в частности наноалмазов.
Также известен способ промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований (патент RU №2483023) путем подрыва в ледяной бронировке заряда взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом в герметичной взрывной камере в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации, с их последующей очисткой, при этом создается предварительный инициирующий разряд путем подрыва дополнительного детонатора для усиления начального импульса, заряд взрывчатого вещества имеет удлиненную вдоль оси форму и получен холодным прессованием.
Указанное решение по патенту №2483023 выбрано заявителем в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является потеря алмазной фазы в поверхностном слое за счет используемой формы заряда.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа детонационного синтеза наноалмазов обеспечивающего увеличение массового выхода алмазной фазы.
Технически результатом является увеличение массового выхода алмазной фазы.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе детонационного синтеза наноалмазов, включающем инициирование заряда взрывчатого вещества, содержащего исходный материал синтеза, в герметичной взрывной камере в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации, согласно изобретению, используют заряд взрывчатого вещества в форме диска с толщиной, близкой к критическому диаметру заряда.
Инициирование заряда взрывчатого вещества, содержащего исходный материал синтеза позволяет реализовать указанный способ.
Наличие инертной среды в герметичной камере обеспечивает охлаждение разлетающихся продуктов детонации и способствует увеличению массового выхода алмазной фазы.
Использование заряда взрывчатого вещества в форме диска с толщиной, близкой к критическому диаметру заряда, способствует увеличению массового выхода алмазной фазы, что подтверждается приведенными ниже экспериментальными исследованиями.
Заявляемый способ имеет отличия от прототипа и не следует явным образом из уровня техники, т.е. соответствует критерию охраноспособности «новизна» и «изобретательский уровень». Кроме того, предлагаемый способ может быть реализован в промышленных масштабах и найдет применение в области синтеза наноструктурированных графитовых образований, т.е. характеризуется критерием «промышленная применимость».
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена диаграмма фазового состояния углерода, на фиг. 2 - график зависимости удельной поверхности от формы и массы заряда, на фиг. 3 - таблица с указанием результатов опытов с зарядами в форме конуса, цилиндра и диска.
Процесс перехода углерода взрывчатого вещества (ВВ) в алмазную фазу происходит в результате взрывчатого превращения ВВ, т.е. в детонационной волне. Одной из привлекательных особенностей детонационного синтеза алмазов является то, что для этой цели используются заряды из ВВ, получаемые при разборке различных типов боеприпасов. Таким образом, детонационный метод получения искусственных алмазов может являться одновременно методом утилизации взрывчатых веществ, получаемых при расснаряжении боеприпасов.
Способ осуществляется следующим образом: заряд ВВ подрывается в герметичной защитной бронекамере, конденсированные продукты взрывчатого превращения, в том числе и алмазы, после подрыва остаются в камере, откуда они извлекаются и очищаются от примесей. Примесями являются частицы металлов, из которых изготовлены бронекамеры и конструктивные элементы, необходимые для установки и подрыва заряда (подвески, провода, капсюли-детонаторы и т.д.), а также неалмазные формы углерода. Конденсированный неалмазный углерод в различной форме образуется как в процессе детонации наряду с алмазной фазой, так и при последующем разлете продуктов детонации, когда алмазная фаза подвергается частичной графитизации. Под графитизацией понимается переход углерода алмазной фазы в другие (неалмазные) формы.
На фиг. 1 использованы следующие обозначения:
СГ - область существования углерода в форме графита;
CA H - область существования алмаза с дефектами в кристаллах наряду с существованием нестабильного графита;
СА КР - область существования алмаза с достаточно правильной кристаллической структурой;
СЖ - область жидкого состояния углерода;
CA D - область существования кристаллов алмаза, формирующихся в структуре детонационного комплекса. Значения точек получены экспериментальным путем с применением метода прозрачного окна и электромагнитного датчика.
Согласно диаграмме фазовых состояний углерода (фиг. 1) условие существования алмазной фазы реализуется в волне детонации мощных смесевых составов на основе гексогена и октогена. Выход алмазной фазы (отношение массы НА к массе заряда) по данным разных источников колеблется в пределах 0…7,5% и зависит от многообразия отличных друг от друга характеристик, описывающих как сам заряд, так и среду, в которой он детонирует (процесс детонационного превращения взрывчатого вещества).
В настоящее время в производстве детонационных алмазов в качестве взрывчатого материала чаще всего используются смеси тротила и гексогена. Тротил (тринитротолуол) представляет собой взрывчатое вещество с большим отрицательным кислородным балансом (КБ=-74%). При взрывчатом разложении тротила выделяется значительное количество свободного углерода. Поэтому в смесях тротила с гексогеном тротил является основным источником углерода для алмазной фазы. Гексоген (триметилентринитрамин) является более мощным взрывчатым веществом (КБ=-22%), чем тротил, и позволяет поддерживать параметры детонационного процесса смесей тротила с гексогеном на нужном уровне.
Для примера можно рассмотреть взрывчатую смесь тротил : гексоген = 40:60%. Уравнение химической реакции, протекающей при взрывчатом превращении этой смеси, имеет следующий вид:
C20,44H25,03O26,79N21,51=2,71CO2+11,12СО+10,25Н2О+2,20Н2+10,75N2+6,61С
Как следует из приведенного уравнения, в результате реакции взрывчатого превращения образуются газообразные продукты: углекислый газ CO2, окись углерода СО, вода в парообразном состоянии H2O, водород Н2 и азот N2. Эти газообразные продукты выбрасываются в атмосферу.
Из твердых (конденсированных) продуктов в соответствии с приведенной реакцией образуются только частицы углерода С. При взрыве заряда ВВ углерод образуется преимущественно в виде ультрамалых частичек алмаза. Кроме алмазной формы, меньшая часть твердого углерода образуется в виде графита и других, переходных от алмаза к графиту форм углерода, которые получили общее название «неалмазные формы углерода» (НФУ).
Образующиеся при детонационном синтезе алмазные частицы имеют размеры 2-6 нм (1 нм=10-9 м). Частицы детонационного алмаза имеют кубическую кристаллическую решетку с параметром элементарной ячейки α=0,3575 нм (у природного алмаза α=0,3566 нм). Из-за малых размеров частиц детонационные алмазы получили название ультрадисперсных алмазов (УДА) или наноалмазов.
Порошок УДА имеет сложную многоуровневую структуру. Первичные наноалмазные частицы (d ~ 2-6 нм) объединены в прочные кластерные агрегаты, имеющие размер от 40 до 400 нм. В свою очередь первичные агрегаты объединяются во вторичные агрегаты и агломераты с размером 0,4-4 мкм. Остатки неудаленных при окислении неалмазных форм углерода распределяются преимущественно на поверхности кристаллитов внутри агрегатов. На поверхности алмазных частиц установлено наличие в значительном количестве разнообразных кислородсодержащих групп: гидроксильных, карбоксильных и др., а также в меньшей мере метальных и нитрильных группировок. В целом вся совокупность экспериментальных фактов позволяет предполагать, что УДА относятся к фрактальным системам и важнейшими стадиями механизма структурообразования УДА является фракталообразование по типу "кластер - частица" и "кластер - кластер" с формированием многоуровневых макроструктур.
Конденсированные продукты взрыва, извлекаемые из бронекамеры после подрыва заряда ВВ, кроме алмазной фазы, содержат неалмазные модификации углерода, а также примеси металлов. В зависимости от способа синтеза содержание алмазной фазы в конденсированных углеродных продуктах взрыва составляет от 30% до 75% от массы данных продуктов.
Исследование влияние формы заряда на массовый выход алмазной фазы проводился с зарядами в форме цилиндра (∅=120 мм и высотой Н=60, 120 мм) и диска (∅=200 и толщиной S=10, 20 мм). Во всех опытах плотность окружающей заряд среды составляла 1 г/см3.
На фиг. 3 представлены форма, масса, способ инициирования детонации, процентное соотношение тротила и гексогена. Проведенные опыты показали следующие результаты: а) заряд №1 - выход алмазной фазы 7%; б) заряд №2 - выход алмазной фазы 7%; в) заряд №3 - выход алмазной фазы 7%; г) заряд №4 - выход алмазной фазы 9%;
Теория взрывчатых веществ рассматривает, как правило, стационарный режим детонации, однородность среды ее распространения и неограниченные геометрические размеры заряда и среды. Для практических целей используют заряды конкретной геометрической формы и размеров (часто весьма малых), к тому же, применяется разнообразные способы возбуждения детонационной волны. Перечисленные факторы формируют нестационарный режим детонационного процесса, и это означает, что давление и температура в ПВ детонационной зоны не имеют постоянного значения в объеме заряда, причем, особый детонационный комплекс реализуется у его свободной поверхности (зона контакта с внешней по отношению к заряду средой).
Для понимания механизма массовой потери алмазной фазы в поверхностном слое δ массой ΔМ проведем оценку:
ΔМ=ρ0⋅δ⋅S, где
где ρ0 - начальная плотность, a S - поверхность заряда. Поделив левую и правую часть равенства на М (масса заряда), получим:
ΔМ/М=ρ0⋅δ⋅S/M,
где ΔМ/М - относительная масса, не формирующая алмазной фазы;
S/M=Sуд - удельная поверхность, которая имеет специфическую зависимость от формы и массы заряда (фиг. 2).
Как видно, ход (Sуд=f(M)) кривых 1 и 2 на фиг. 2 практически совпадает для зарядов в форме шара и цилиндра, при этом по абсолютному значению Sуд у цилиндра больше, то есть потери алмазной фазы в слое δ у таких зарядов выше. Отметим также, что для малогабаритных зарядов рассматриваемой формы (М<0,5 кг) относительные потери алмазной фазы будут увеличиваться, о чем наглядно свидетельствует спад на фиг. 2 (кривая 2). На этом же графике ход пунктирной кривой качественно воспроизводит возможные относительные массовые потери детонационного алмаза с увеличением Sуд.
Заряды в форме цилиндра и шара наиболее часто применяются для практических целей. Заряды другой формы, также применяемые на практике, будут иметь большие значения Sуд по отношению к цилиндру при одинаковой массе, что отражено в таблице на фиг. 3.
С учетом изложенного были проанализированы представления о механизме массовой потери алмазной фазы в поверхностном слое δ у зарядов конкретной формы и размеров, результаты представлены в таблице на фиг. 3.
Анализ данных позволяет сделать некоторые промежуточные выводы:
- как видно из таблицы (фиг. 3) незначительное изменение Sуд (ΔSуд=0,1) не влияет на массовый выход алмазной фазы (η), что хорошо согласуется с графической зависимостью Sуд=Sуд(М) на фиг. 2;
- как следует из зависимости Sуд=Sуд(М), уменьшение габаритов (массы) заряда приводит к количественному увеличению Sуд, а это должно приводить к снижению массового выхода алмазной фазы (η).
Таким образом, при использовании зарядов одного состава близкой массы (М~1 кг), детонирующих в среде ρ0=1,0 г/см3, выход η увеличивается с 7 до 9% при переходе от цилиндра диаметром ∅120 мм и высотой Н60 мм к диску диаметром ∅200 мм и толщиной S10 мм. Такое изменение формы увеличивает Sуд приблизительно в 1,7 раза.
Заявленный способ можно проиллюстрировать примером конкретного выполнения.
В камеру для детонационного синтеза объемом 4 м2 помещалась шашка из смеси тротила (40%) и гексогена (60%) массой 1 кг в форме диска с размерами ∅200 мм × S10 мм в ледяной оболочке. Инициирование производилось электродетонатором. После очистки содержание алмаза в конденсированном углероде составило 9% от массы взрывчатого вещества.
Таким образом, заявленный способ детонационного синтеза наноалмазов позволяет увеличить массовый выход алмазной фазы.

Claims (4)

1. Способ детонационного синтеза наноалмазов, включающий инициирование заряда взрывчатого вещества, содержащего исходный материал синтеза, в герметичной взрывной камере в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации, отличающийся тем, что используют заряд взрывчатого вещества в форме диска с толщиной, близкой к критическому диаметру заряда.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве взрывчатого вещества используют смесь тротила и гексогена.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инициируют детонацию с помощью электродетонатора с заглублением.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряд взрывчатого вещества помещают в ледяную оболочку.
RU2017140461A 2017-11-21 2017-11-21 Способ детонационного синтеза наноалмазов RU2676614C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140461A RU2676614C1 (ru) 2017-11-21 2017-11-21 Способ детонационного синтеза наноалмазов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140461A RU2676614C1 (ru) 2017-11-21 2017-11-21 Способ детонационного синтеза наноалмазов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2676614C1 true RU2676614C1 (ru) 2019-01-09

Family

ID=64958717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140461A RU2676614C1 (ru) 2017-11-21 2017-11-21 Способ детонационного синтеза наноалмазов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676614C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814424C1 (ru) * 2020-03-27 2024-02-28 Дайсел Корпорэйшн Взрывчатая композиция для синтеза алмазов

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483023C1 (ru) * 2011-11-24 2013-05-27 Открытое акционерное общество "Завод "Пластмасс" Способ промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований, устройство и заряд для их получения

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483023C1 (ru) * 2011-11-24 2013-05-27 Открытое акционерное общество "Завод "Пластмасс" Способ промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований, устройство и заряд для их получения

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BUNDY F.P. et al., The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994, Carbon, 1996, v. 34, no. 2, p. 141-153, fig. 1. *
ВЕРЕЩАГИН А.Л. Свойства детонационных наноалмазов, Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 2005, с. 35, рис. 3. *
ДОЛМАТОВ В.Ю. Разработка рациональной технологии получения детонационных наноалмазов высокого качества, Журнал прикладной химии, 2006, т. 79, вып. 12, с. 1937-1941. *
ПЕТРОВ Е.А. Применение конденсированных охладителей для повышения технологического выхода детонационных наноалмазов. Ультрадисперснве порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. Материалы Всеросийской научно-технической конференции, Красноярск, 2003, с. 55-57. *
ПЕТРОВ Е.А. Применение конденсированных охладителей для повышения технологического выхода детонационных наноалмазов. Ультрадисперснве порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. Материалы Всеросийской научно-технической конференции, Красноярск, 2003, с. 55-57. ВЕРЕЩАГИН А.Л. Свойства детонационных наноалмазов, Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 2005, с. 35, рис. 3. ДОЛМАТОВ В.Ю. Разработка рациональной технологии получения детонационных наноалмазов высокого качества, Журнал прикладной химии, 2006, т. 79, вып. 12, с. 1937-1941. BUNDY F.P. et al., The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994, Carbon, 1996, v. 34, no. 2, p. 141-153, fig. 1. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814424C1 (ru) * 2020-03-27 2024-02-28 Дайсел Корпорэйшн Взрывчатая композиция для синтеза алмазов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4483836A (en) Method of producing diamond and/or diamond-like modifications of boron nitride
Dolgoborodov et al. Detonation in an aluminum-teflon mixture
JP5553991B2 (ja) ナノダイヤモンド及びその製造方法
EP2222619B1 (en) Method for creating diamonds via detonation by utilizing explosive formulation with a positive to neutal oxygen balance
Danilenko Specific features of synthesis of detonation nanodiamonds
Dolmatov The influence of detonation synthesis conditions on the yield of condensed carbon and detonation nanodiamond through the example of using TNT-RDX explosive mixture
RU2676614C1 (ru) Способ детонационного синтеза наноалмазов
Dolgoborodov et al. Explosive compositions based on the mechanoactivated metal-oxidizer mixtures
Arkhipov et al. Effect of ultrafine aluminum on the combustion of composite solid propellants at subatmospheric pressures
Streletskii et al. Defective structure and reactivity of mechanoactivated magnesium/fluoroplastic energy-generating composites
Anisichkin On the mechanism of the detonation of organic high explosives
Trofimov et al. On detonation in Zn-S blends
CN105481621A (zh) 制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法
RU2327637C1 (ru) Способ получения детонационных наноалмазов
RU2331578C2 (ru) Способ получения кубического нитрида кремния
Dolmatov et al. The influence of aqueous armor composition for TNT–RDX explosive charge on the yield and quality of detonation nanodiamond and diamond-containing soot in detonation synthesis
JP2017154960A (ja) 熱伝導性に優れたダイヤモンド焼結体及びその製造法。
RU2359902C2 (ru) Алмаз-углеродный материал и способ его получения
RU2483023C1 (ru) Способ промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований, устройство и заряд для их получения
JP6558897B2 (ja) 熱伝導性に優れたダイヤモンド構造体の製造法。
US4014979A (en) Method of producing wurtzite-like boron nitride
Gavrilkin et al. Effective detonation synthesis of cubic boron nitride
Zhu et al. Thermal decomposition kinetics of hexanitrohexaazaisowurtzitane/ammonium perchlorate
RU121497U1 (ru) Устройство для промышленного получения наноалмазов, заряд для их получения
Kozyrev et al. Influence of HMX particle size on the synthesis of nanodiamonds in detonation waves

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201122