Способ синтеза алмазных фаз графита

 

Изобретение относится к области динамического синтеза сверхтвердых материалов, в частности алмазных фаз графита, а также может быть использовано для достижения высоких степеней сжатия материала без их последующего разрушения. Способ заключается в том, что требуемые для осуществления фазового перехода графит - алмаз давления и температуры получают при электровзрыве металлической фольги, нанесенной на диэлектрическую прокладку на внешней поверхности углеродсодержащего образца, имеющего форму цилиндра, полого внутри. Цилиндрическая форма образца обеспечивает наиболее полное протекание реакции и максимальные размеры зоны синтеза при условии, что толщина стенки не менее чем в 4 раза превышает внутренний радиус. Наличие внутренней полости предотвращает схлопывание и разрушение образца вследствие эффекта кумуляции при схождении ударных волн к оси симметрии, причем для избежания внутренних отколов полости заполняют демпфирующим вязким материалом, выдавливаемым через торцовые поверхности при сжатии. На наружную поверхность образца взрываемой фольги наносят уплотняющий слой пластичного диэлектрика, толщина и плотность которого выбирается таким образом, чтобы его масса была не менее массы углеродсодержащего образца. Это дает возможность предотвратить наступление преждевременной разгрузки и обеспечить необходимую длительность удержания давлений и температур на заданном уровне. 3 ил.

Способ относится к области динамического синтеза сверхтвердых материалов, в частности алмазных фаз графита, а также может быть использован для достижения высоких степеней сжатия материалов без их последующего разрушения.

Область фазового перехода графит алмаз лежит в диапазоне давлений и температур 150 600 кБар и 1200-46000 К соответственно (см.например, статью О.И. Лейпунского в журнале "Успехи химии", 1939 г. т.8, стр.1519, статью В.В.Даниленко в журнале "Физика горения и взрыва", 1988 г. N 5, стр. 137, а также справочник под ред. Новикова Н.В. "Физические свойства алмазов" Наук.думка, 1987).

В настоящее время среди методов динамического синтеза алмазов известен, например, способ, основанный на сжатии углеродсодержащего вещества в капсуле биконоидальной формы, помещаемой во взрывчатое вещество, детонирующее при воздействии ультразвука [1] Недостатками данного способа являются, во-первых, сложная технология, включающая продувку капсулы гелием, ее вакуумирование, специальное изготовление и размещение источника ультразвука, а, во-вторых, разрушение синтезируемого веществ за счет кумулятивного усиления ударных волн при их схождении к оси симметрии капсулы и получение в качестве конечного продукта мелкой алмазной пыли, для увеличения размеров которой необходимо производить ее повторное сжатие.

Известен также способ получения искусственных алмазов, в соответствии с которым давление и нагрев осуществляют путем пропускания импульса электрического тока по образцу, содержащему металл с включениями мелкодисперсных частиц графита [2] Недостатком этого способа также является разрушение образца, в результате чего размер синтезированных алмазов не превышает 6-7 мкм.

Из известных способов наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ лазерного синтеза алмазов [3] В указанном способе (прототипе) получение высокого давления и температуры создают в ударной волне, вызванной действием на углеродсодержащий состав лазерного импульса интенсивностью q > 10² ГВт/см² и длительностью τ < 10 нс, причем осуществляют одновременное облучение мишени с нескольких сторон многократным воздействием с интервалом между импульсами, превышающим время просветления возникающей плазмы от предыдущего воздействия.

Недостатки данного способа: вследствие быстрого разлета лазерной плазмы и наступления разгрузки необходимые температуры и давления за фронтом ударной волны удерживаются недостаточно длительное время, в результате чего неполное протекание реакции снижает качество синтезированных алмазов, а воздействие последующих лазерных импульсов приводит к чередованию волн сжатия и разгрузки, что повышает вероятность разрушения образца; для практической реализации требуются уникальные по мощности дорогостоящие лазерные установки.

Настоящее изобретение направлено на увеличение времени удержания параметров ударной волны на заданном уровне до полного протекания реакции фазового превращения, увеличение зоны синтеза до размеров образца, предотвращение дробления получаемых алмазов и снижение их себестоимости.

Эта цель достигается тем, что требуемые для осуществления фазового перехода графит алмаз давления и температуры получают при электровзрыве металлической фольги, нанесенной на диэлектрическую прокладку на внешней поверхности углеродсодержащего образца, имеющего форму цилиндра, полого внутри. Цилиндрическая форма выбрана для того, чтобы уменьшить затухание ударной волны при ее движении вглубь образца и увеличить тем самым размеры зоны синтеза. Кроме того, такая форма наиболее близка к форме так называемых кимберлитовых трубок, в которых алмазы образуются в природных условиях.

На фиг. 1 схематическое изображение способа синтеза алмазов. На фиг.2 представлены результаты компьютерного моделирования, иллюстрирующие динамику затухания давления по глубине в образцах различной геометрической формы: 1 - плоская пластина без внешнего уплотняющего слоя, 2 плоская пластина с внешним уплотняющим слоем, 3 цилиндр с отношением толщины стенки к внутреннему радиусу, равным 0,1; 4 цилиндр с отношением толщины стенки к внутреннему радиусу, равным 10. Видно, что в последнем случае зона фазового перехода (область с давлениями от 150 до 600 кБар) охватывает всю толщину стенки образца, тогда как в первых трех только 30, 45 и 75% соответственно. Проведенные исследования показали, что для увеличения зоны синтеза и повышения качества синтезируемого продукта толщина стенки цилиндра должна не менее чем в 4 раза превышать его внутренний радиус. Наличие внутренней полости предотвращает схлопывание и разрушение образца за счет эффекта кумуляции при схождении ударных волн к оси симметрии, причем для избежания внутренних отколов полость заполняют демпфирующим вязким материалом, выдавливаемым через торцевые поверхности при сжатии. На наружную поверхность образца поверх взрываемой фольги наносится уплотняющий слой пластичного диэлектрика, толщина и плотность которого выбирают таким образом, чтобы его масса была не менее массы углеродсодержащего образца. Это дает возможность предотвратить наступление преждевременной разгрузки и обеспечить необходимую длительность удержания давлений и температур на заданном уровне. Наличие диэлектрической прокладки между фольгой и поверхностью образца необходимо для того, чтобы замыкание электрической цепи осуществлялось только через взрываемую фольгу во избежании терморазрушения примыкающих слоев графита и излишних потерь энергии.

Позиции на фиг.1 обозначают: 1 углеродсодержащий образец, 2 - металлическая фольга, 3 диэлектрическая прокладка, 4 демпфирующий вязкий заполнитель, 5 уплотняющий слой пластичного диэлектрика.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, обеспечивающими соответствие критерию "новизна", являются: (1) синтез алмазных фаз графита осуществляют при электровзрыве металлической фольги, (2) нанесенной на диэлектрическую прокладку (3) с внешней стороны углеродсодержащего образца, (4) имеющего форму цилиндра, (5) полого внутри, (6) с толщиной стенки не менее чем в 4 раза превышающей внутренний радиус, причем (7) внутреннюю полость заполняют демпфирующим вязким материалом (8), а с наружной стороны наносят уплотняющий слой пластичного диэлектрика (9), толщину и плотность которого выбирают такими, чтобы его масса была не менее массы углеродсодержащего образца.

Из изложенного ясно, что заявляемый способ обладает совокупностью признаков и свойств, не совпадающих с признаками и свойствами известных решений, что позволяет квалифицировать отличительные признаки предлагаемого способа как существенные. Указанные отличительные признаки в совокупности обеспечивают достижение требуемого технического результата.

Приведем пример конкретного выполнения способа. Образец из углеродсодержащего материала изготавливается в виде полого цилиндра высотой 4 см с толщиной стенки 1,5 см и диаметром внутренней полости 3 мм. Внутренняя полость заполняется вязким демпфирующим материалом, таким, как, например, полиэтилен, пластилин, или подогретый воск. Внешняя поверхность образца закрывается диэлектрической прокладкой, на которую наносится металлическая фольга, замыкаемая на источник импульсного тока. Проведенные исследования показали, что толщина алюминиевой фольги 30 мкм является оптимальной с точки зрения получения наибольших давлений и температур. При данной толщине фольги и указанных размерах углеродсодержащего образца необходимая для достижения требуемых степеней сжатия сила и длительность пропускаемого через фольгу импульса тока равны соответственно 2,5 МА и 0,1 мкс. Толщина диэлектрической прокладки выбирается исходя из ее диэлектрических свойств и силы тока, подаваемого на фольгу, и лежит в пределах 1-4 мм.

Прокладка может быть изготовлена из равномерно намотанной изоляционной ленты, полиэтилена или пластилина. С внешней стороны образца поверх взрываемой фольги наносится уплотняющий слой пластичного диэлектрика, в качестве которого также может быть использован полиэтилен или пластилин. Толщина уплотняющего слоя должна быть выбрана таким образом, чтобы его масса была не менее массы углеродсодержащего образца. При подаче импульса тока на фольгу происходит очень быстрый ее разогрев, плавление и испарение (за время порядка 0,1 мкс). Образовавшийся слой плазмы с температурой порядка сотни тысяч градусов и давлением 0,6 0,7 Мбар начинает взрывообразно расширяться, сжимая при этом образец и формируя в нем ударную волну. Первоначально давление за фронтом ударной волны в образце примерно равно максимальному давлению в плазменном слое, а температура имеет значительно более низкие значения (4000 4500 К) вследствие того, что пpоцесс теплопроводности за такие короткие пpомежутки времени не успевает сыграть существенной роли и нагрев образца пpоисходит за счет адиабатического сжатия. В дальнейшем, по мере движения вглубь образца ударная волна начинает затухать. Геометрия образца подобрана таким образом, чтобы в процессе затухания ударной волны температура и давление за ее фронтом не выходили за пределы зоны фазового перехода графит алмаз, т.е. не падали ниже 1200 К и 120 кБар соответственно. Внешний уплотняющий слой при этом задерживает разлет продуктов абляции фольги и способствует более длительному удержанию давлений и температур на заданном уровне, обеспечивая тем самым более полное протекание реакции синтеза и улучшение качества синтезируемого продукта. Наличие внутренней полости предотвращает чрезмерное усиление ударных волн пpи их схлопывании на оси симметрии, причем для избежания внутренних отколов полость заполняют демпфирующим вязким материалом, выдавливаемым через торцевые поверхности при сжатии.

На фиг. 3 приведена фазовая диаграмма графита, полученная в работе В.В. Даниленко (см. журнал "Физика горения и взрыва", 1988 г. N 5, с.137), на которой показаны параметры за фронтом ударной волны, реализуемые в различные моменты времени при лазерном воздействии (□) и при электровзрыве фольги (o). Хорошо видно, что при электровзрыве фольги давление и температура в углеродсодержащем образце удерживаются в области фазового перехода графит - алмаз более стабильно и более длительное время в сравнении с лазерным воздействием.

Таким образом, за счет специально подобранной геометрии углеродсодержащего образца и демпфирующих свойств поглотителей снаружи и во внутренней полости предлагаемый способ обеспечивает достижение следующих преимуществ по сравнению с известными ранее: удержание давлений и температур на заданном уровне достаточно длительное время для полного протекания реакции и повышение качества синтезируемого продукта; увеличение размеров зоны синтеза; предотвращение разрушения образца и дробления продуктов синтеза; эффективное использование энергии взрыва за счет специального выбора параметров разрядного тока и толщины взрываемой фольги; упрощение технологии и снижение себестоимости синтеза алмазов за счет простоты технического решения, доступности используемых материалов и оборудования.

Формула изобретения

1 Способ синтеза алмазных фаз графита, включающий импульсное воздействие высокого давления и температуры на углеродсодержащий образец, отличающийся тем, что высокое давление и температуру получают при электровзрыве металлической фольги, нанесенной на диэлектрическую прокладку, помещенную на внешнюю поверхность углеродсодержащего образца, который выполнен в форме полого цилиндра с внутренней полостью с толщиной стенки цилиндра не менее чем в 4 раза превышающей его внутренний радиус, причем внутренняя полость цилиндра заполнена демпфирующим вязким материалом, а с наружной стороны образца на поверхность металлической фольги наносят уплотняющий слой пластичного диэлектрика с массой не менее массы углеродсодержащего образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3