DE2226550C3

DE2226550C3 - Verfahren zur Synthese von Diamanten

Info

Publication number: DE2226550C3
Application number: DE19722226550
Authority: DE
Inventors: Walentin Nikolajewitsch Schulshenko Alexandr Alexandrowitsch Getjman Anatolij Fjodorowitsch Kiew Bakul (Swjetumon)
Priority date: 1972-01-13
Filing date: 1972-05-31
Publication date: 1977-09-22

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Diamant auf künstlichem Wege.

Es ist ein Verfahren zur Synthese von Diamant aus einem kohlenstoffhaltigen Material in Gegenwart von Metallen bei hohem Druck und einer Temperatur von über 2000⁰C im Stabilitätsbereich des Diamanten bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Herstellung eines Diamanten mit geringerem Gehalt an Verunreinigungen als Zusatz Verbindungen von Quecksilber und Blei verwendet.

Jedoch sind für die Herstellung von Diamanten nach diesem Verfahren sehr hohe Drücke und Temperaturen erforderlich. Das bekannte Verfahren ist praktisch nicht steuerbar. Außerdem weisen die nach diesem Verfahren erhaltenen Diamanten keine scharf ausgeprägte Facettierung auf. Die Synthese verläuft sehr rasch, was zum Verwachsen der Kristalle führt.

Es ist bekannt, daß bei der Diamantsynthese gewöhnlich als Lösungsmittel für den Kohlenstoff oder als Katalysatoren Übergangsmetalle zur Anwendung kommen wie Eisen, Mangan, Kobalt u. a. Bei der Berührung mit dem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere mit Graphit, bilden diese Metalle bei den Synthesebedingungen, also hohen Temperaturen und Drücken beständige Karbide. Diese Tatsache erschwert in beachtlichem Umfang die chemische Reinigung des Syntheseproduktes, so daß das Syntheseverfahren damit technisch komplizierter wird. Außerdem ist mit dem bekannten Verfahren auch der überflüssige Verbrauch beachtlicher Mengen an Salpetersäure verbunden. Dabei ist festzustellen, daß trotz langwieriger Reinigung es oft nicht möglich ist, sämtliche als Verunreinigung vorliegende !Carbide aus den Diamanten zu entfernen. Demgegenüber wird im erfindungsgemäßen Verfahren als Lösungsmittel für Kohlenstoff 6u vorgeschlagen, Metalle zu verwenden, beispielsweise Magnesium, die unbeständige Karbide bilden und leicht an der Atmosphäre zerfallen. Dadurch entfällt die Reinigung der Stoffe mit Salpetersäure. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit einfacher und führt zu Diamanten ohne Verunreinigungen.

Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, ein Verfahren zur Synthese von Diamant unter Verwendung solcher Metalle zu entwickeln, die eine Senkung der Parameter, Druck und Temperatur, sowie die Erzielung gut facettierter Diamantkristalle gewährleisten. .

Die Lösung der genannten Aufgabe ist ein Verfahren zur Synthese von Diamant aus einem kohlenstoffhaltigen Material in Gegenwart von Metallen und deren Verbindungen bei einem Druck von mindestens 60 kbar und einer Temperatur von über 1700⁰C im Stabilitätsbereich des Diamanten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man unter den neben dem kohlenstoffhaltigen Material verwendeten Metallen einzeln oder in Kombination genommene Metalle verwendet, die aus der aus Zink, Magnesium und ihren Verbindungen bestehenden Gruppe gewählt sind.

Außerdem verwendet man zusammen mit den genannten gewählten Metallen einzeln oder in Kombination genommene Metalle, die aus der Gruppe gewählt sind, welche aus Blei, Bleiselenid, Kadmium, Wismut, Zinn, Indium, Antimon, Thallium, Aluminium und Quecksilberoxid besteht.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an Hand von Beispielen für die Durchführung der Erfindung sowie einer Beschreibung näher erläutert.

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung können als kohlenstoffhaltiges Material Graphit und andere kohlenstoffhaltige Materialien verwendet werden, die bei hohem Druck und hoher Temperatur Kohlenstoff in Freiheit setzen, der sich in Diamant zu verwandeln vermag. Als Reaktionsgemisch kann ein homogenes Gemisch von Pulvern des Graphits spektraler Reinheit und der genannten Legierungen oder der Gemische der Metalle sowie deren Verbindungen verwendet werden. Außerdem können Scheiben aus Graphit und Scheiben z. B. aus einer aus Magnesium und Zink zusammengesetzten Legierung in den Graphiterhitzer schichtenweise eingebracht werden. Das Verhältnis zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material, den genannten Legierungen oder Gemischen (oder deren Verbindungen) ist für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht ausschlaggebend.

Das genannte Reaktionsgemisch bringt man in eine Hochdruck- und Hochtemperatureinrichtung beliebigen Typs ein, die es gestattet, die für die Durchführung der Diamantsynthese erforderlichen Drücke und Temperaturen zu erzeugen. Es kann insbesondere eine Einrichtung mit zylindrischem Reaktionsraum verwendet werden, an deren Grundplatten sich Teile aus einer harten Legierung oder aus Stahl anschließen und deren Seitenfläche aus einem Material, das Wärme- und Elektroisoliereigenschaften aufweist, z. B. aus Lithografiestein ausgeführt ist.

Die Erhitzung des Reaktionsgemisches unter Druck kfann nach einem der bekannten Verfahren, insbesondere unter Verwendung eines speziellen Graphiterhitzers durchgeführt werden, durch den elektrischer Strom geleitet wird.

Den Druck in der Hochdruckeinrichtung bestimmt man in an sich bekannter Weise nach der Veränderung des elektrischen Widerstandes unter dem Druck Druck solcher Metalle wie Wismut (Biii-111 27 kbar, Bim-v 89 kbar),Thallium(Tl|i-Mi37 kbar),Bariumui59 kbar.

Die Meßgenauigkeit des Druckes in der Hochdruckeinrichtung beträgt ±6 kbar. Die Temperatur in der Hochdruckeinrichtung bestimmt man nach den Schmelzpunkten verschiedener Metalle. Die Meßgenauigkeit der Temperatur in der Hochdruckeinrichtung bei einem Druck in der Einrichtung von etwa 80 kbar

ΙΛ.

beträgt ±1OO°C.

Die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung wird durch folgende Beispiele illustriert.

Beispiel 1

Ein homogenes Gemisch von Pulvern des spektral reinen Graphits und einer Legierung, die aus 55 Gew.% Zink und 45 Gew.% Magnesium in einem Volumverhältnis von 9 : 1 besteht, bringt man in einen Erhitzer aus spektralem Graphit ein, setzt der Einwirkung eines Druckes von etwa 63 kbar und einer Temperatur von etwa 1750° C aus und hält unter diesen Bedingungen 5 Minuten. Unter den genannten Bedingungen wurden 25 Versuche durchgeführt. In jedem Veiiuch wurden Diamanten nachgewiesen. ,₅

Beispiel 2

Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen jedoch unter Verwendung eines Gemisches von Zink mit Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 als Lösungsmittel wurden 19 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 3

Ein homogenes Gemisch von Pulvern des spektral reinen Graphits und einer Legierung, die aus 80 Gew.% Blei und 20 Gew.% Magnesium in einem Voiumverhältnis von 5 : 1 besteht, bringt man in einen Erhitzer aus dem spektral reinen Graphit ein, setzt der Einwirkung eines Druckes von etwa 77 kbar und einer Temperatur von etwa 1900°C aus und hält unter diesen Bedingungen 3 Minuten. Es wurden 20 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 4

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 1, man verwendet aber als Lösungsmittel ein Gemisch von Kadmium und Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von 3 :2. Es wurden 12 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 5

Scheiben aus spektral reinem Graphit und Scheiben aus einer Legierung, die aus 20 Gew.% Wismut, 20 Gew.% Magnesium, 10 Gew.% Kadmium, 10 Gew.% Zinn, 20 Gew.% Blei und 20 Gew.% Indium besteht, bringt man schichtenweise in einen Graphiterhitzer ein, setzt sie der Einwirkung eines Druckes bis zu 80 kbar und einer Temperatur von etwa 2000⁰C aus und hält unter diesen Bedingungen 2 Minuten. Unte, den genannten Bedingungen wurden 10 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 6

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 5, man verwendet jedoch als Lösungsmittel ein Gemisch von Indium und Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von 3 :2. Es wurden 15 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 7

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 5, man verwendet jedoch als Lösungsmittel eine Legierung von Zinn und Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von 3:2. Es wurden mehrere Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 8

Ein homogenes Gemisch des spektral reinen Graphits und eines Metallgemisches, das aus 55 Gewichtsprozent Zink und 45 Gew.% Magnesium in einem Volumverhältnis von 6 :1 besteht, bringt man in einen Graphiterhitzer ein, setzt es der Einwirkung eines Druckes von 60 bis 90 kbar und einer Temperatur von 1700°C bis 2700°C aus und hält unter diesen Bedingungen 1 bis 15 Minuten. Unter diesen Bedingungen wurden gegen 100 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 9

Ein homogenes Gemisch des Graphits und eines Metallgemisches, welches aus 50 Gew.% Antimon und 50 Gew.% Magnesium besteht, setzt man der Einwirkung eines Druckes von etwa 75 kbar und einer Temperatur von etwa 2000⁰C aus und hält unter diesen Bedingungen 5 Minuten. Es wurden insgesamt 5 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 10

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 9, man verwendet jedoch als Metalle ein Gemisch, welches aus 50 Gewichtsprozent Thallium und 50 Gew.% Magnesium besteht. Es wurden insgesamt 3 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen,

Beispiel 11

Ein homogenes Gemisch des Graphits und eines Metallgemisches, welches aus 20 Gew.% Blei und 80 Gew.% Zink in einem Volumenverhältnis von 5 : 1 besteht, bringt man in einen Behälter aus Lithografiestein ein, setzt der Einwirkung eines Druckes bis zu 80 kbar und einer Temperatur bis zu 1950⁰C aus und hält unter diesen Bedingungen 5 Minuten. Es wurden unter diesen Bedingungen 10 Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 12

Ein homogenes Gemisch aus Graphit und einem Metallgemisch, welches aus 50 Gew.% Kadmium und 50 Gew.% Zink in einem Volumenverhältnis von 4 : 1 besteht, bringt man in einen Graphiterhitzer ein, setzt der Einwirkung eines Druckes bis zu 82 kbar und einer Temperatur bis zu 185O⁰C aus und hält unter diesen Bedingungen 4 Minuten. Es wurden insgesamt 12 Versuche durchgetührt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 13

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 12, man verwendet jedoch als Metalle Aluminium und Zink. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 14

Ein homogenes Gemisch aus Graphit und aus einem Gemisch von Verbindungen, das aus 70 Gew.% Bleiselenid und 30 Gew.% Zinkoxid in einem Volumverhältnis von 4: i besieht, bringt man in einen Graphiterhitzer ein, setzt der Einwirkung eines Druckes bis zu 78 kbar und einer Temperatur von 1900⁰C aus und hält unter diesen Bedingungen 6 Minuten. Unter den genannten Bedingungen wurden 15 Versuche

durchgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 15

Die Bedingungen sind analog zu denen des Beispiels 14, man verwendet jedoch als Metalle ein Gemisch, welches aus 60 Gew.% Bleiselenid, 10Gew.% Zinkoxid, 20 Gew.% Kadmium, 10 Gew.% Quecksilberoxid besteht. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 16

Ein homogenes Gemisch von Graphit- und Magnesiumpulver wird im Volumenverhältnis von 8 : 1 in einen Graphiterhitzer eingebracht und auf eine Temperatur von 1850⁰C bei einem Druck von 75 kbar erhitzt und im Laufe von 3 Minuten bei diesen Bedingungen gehallen. Unter den oben erwähnten Bedingungen wurden 466 Versuche durchgeführt und in jedem Versuch Diamanten erhalten. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei niedrigeren Parametern ( T) erhaltenen Diamanten st-llten ein/eine durchsichtige und halbdurchsicniigc nut facettierte Kristalle des kubischen und des kubsich-okiaedrischen Habitus dar. Durch Spektralanalyse können in den nach dem erfmdungsgemaßen Verfihrcn hergestellten Diamanten Verunreinigungen von'Magnesium. Zink und der anderen genannten Metalle in Mengen von mindestens 0,001% nachgewiesen werden. ,,-IW I

Die besten Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Zink oder Kadmium. Zinn oder Blei zusammen mit dem Magnesium erhalten. |edoch führt die Verwendung •indercr leichtschmelzendcr Metalle, ob sie mit dem M-ignesium ein Euteklikum bilden oder nicht, ebenfalls zu einer Senkung der Parameter des Syntheseprozcsses. Die Verwendung von Zink zusammen mit Kadmium. Blei Zinn und anderen führt ebenfalls zu einer Senkung der Parameter des Synlhescprozesscs.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Synthese von Diamant aus einem kohlenstoffhaltigen Material in Gegenwart von S Metallen und deren Verbindungen bei einem Druck von mindestens 60 kbar und einer Temperatur von über 1700⁰C im Stabilitätsbereich des Diamanten, dadurch gekennzeichnet, daß man unter den neben dem kohlenstoffhaltigen Material verwendeten Metallen einzeln oder in Kombination genommene Metalle verwendet, die aus der aus Zink, Magnesium und ihren Verbindungen bestehenden Gruppe gewählt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zusammen mit den genannten gewählten Metallen einzeln oder in Kombination genommene Metalle verwendet, die aus der aus Blei, Bleiselenid, Kadmium, Wismut, Zinn, Indium, Antimon, Thallium, Aluminium und Quecksilberoxid bestehenden Gruppe gewählt sind.