способ получения монокристаллов высокотвердых материалов
Классы МПК: | B01J3/06 способы, использующие сверхвысокое давление, например для образования алмазов; устройства для этой цели, например матрицы C01B31/06 алмаз C30B29/04 алмаз |
Автор(ы): | Булгаков Владимир Павлович (RU), Гладченко Василий Евгеньевич (RU), Цапко Людмила Андреевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный технический университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-02-10 публикация патента:
10.05.2007 |
Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов, в частности алмазов, и может быть использовано в инструментальной промышленности, механической обработке металлов, в бурильной технике. Способ осуществляется методом сдавливания порошковых углеродсодержащих веществ в области квазиравновесного состояния системы графит-алмаз и медленном охлаждении в зоне термодинамической стабильности алмаза или другого синтезируемого материала. Нагретую капсулу из вольфрама с чистым углеродсодержащим сырьем заполняют жидким кремнием при температуре 1750 К, герметично закрывают, после чего снижают температуру до 1700 К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 час синтеза высокопрочных материалов. Технический результат изобретения состоит в повышении качества, увеличении размеров монокристаллов, а также в снижении трудоемкости процесса. Получены монокристаллы карбида бора фракции 400-450 мкм, алмаза фракции 40 мкм. 1 з.п. ф-лы.
Формула изобретения
1. Способ получения монокристаллов высокотвердых материалов, включающий загрузку чистого углеродсодержащего сырья в капсулу из вольфрама и ее нагрев, отличающийся тем, что нагретую капсулу заполняют жидким кремнием и герметично закрывают, после чего снижают температуру от 1750 до 1700 К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 ч.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотвердым материалом является алмаз.
Описание изобретения к патенту
Способ получения монокристаллов высокотвердых материалов
Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов, в частности монокристаллов алмаза, методом одноразового сдавливания в ограниченном пространстве порошковых материалов без катализаторов при квазиравновесном термодинамическом состоянии системы за счет изменения объема рабочего тела - кремния жидкофазного в кремний твердофазный кубической модификации и удержания состояния системы до полного диффузионного аллотропического превращения графита в алмаз (Свойства элементов, т. 1. Физические свойства. Справочник под ред. Г.В.Самсонова. М.: Металлургия 1976, 1086 с.).
Изобретение относится к получению искусственных высокотвердых материалов из порошков: карбидов вольфрама, молибдена, кобальта, бора; нитридов бора, углеродсодержащего материала - доменного графита, сажи, ископаемого графита, а также синтезированного углеродсодержащего вещества - фуллерена (имеющего крупную объемноцентрированную кубическую решетку).
Известен способ получения монокристалла алмаза путем воздействия высокого давления и температуры в области термодинамической стабильности алмаза на реакционный объем (А.С. СССР №1605491, 1988).
Недостатком указанного способа является предварительное печное вакуумирование катализатора и послойное расположение катализатора и графита, что исключает образование крупных и чистых ювелирных монокристаллов алмаза, низкий выход годного продукта, весьма сложное оборудование.
Известен способ получения алмазов, включающий воздействие на карбонилы вольфрама и молибдена давлением (30-60 бар) и температуры (См. А.С. №1264521, 1983).
Недостатком этого способа является сложное оборудование, большие энергозатраты, отсутствие возможности регулирования процесса равновесного термодинамического перехода графит-алмаз, мелкие фракции алмаза, низкий выход годного продукта.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ получения алмаза обработкой углеродсодержащего материала (термообработанная канальная сажа) под давлением 100-200 Кбар и температуре 1200-2000°С (А.С. СССР №853956, 1970).
Недостатком способа является сложное и дорогостоящее оборудование для получения давления и температуры, невозможность регулирования процесса термодинамического перехода графита в алмаз, низкий выход годного продукта.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является получение стабильных, регулируемых условий температуры и давления, необходимых для некаталитического синтеза алмаза и других высокотвердых материалов.
Техническим результатом изобретения является повышение качества, увеличение размеров монокристаллов, снижение трудоемкости синтеза высокотвердых материалов. Он достигается способом, включающем загрузку чистого углеродсодержащего сырья в капсулу из вольфрама и ее нагрев, при этом нагретую капсулу заполняют жидким кремнием и герметично закрывают, после чего снижают температуру от 1750 до 1700К в течение 30-40 мин и охлаждают до комнатной температуры в течение 5-6 часов.
Пример 1. Сырье - порошковый материал карбид бора фракции 1-5 мкм - помещают в центральную часть металлической капсулы, которую нагревают в печи и при температуре 1750 К заполняют рабочим телом - жидким кремнием, после чего герметично закрывают крышкой с клиновым затвором. Охлаждение от 1750 до 1700 К осуществляют в течение 30-40 мин. При 1713К идет затвердевание кремния и его плотность изменяется от 2,52 до 2.3 г/см3 (Физические величины. Справочник под ред. Григорьева И.С. М.: Энергоиздат, 1991, 1233 с).
Упругий материал плотно закрытой капсулы сдерживает увеличение объема кремния и развивает давление в капсуле до 12.5-20.0×109 МПа. При охлаждении от 1700 К до комнатной температуры в течение 6 часов происходит самопроизвольный диффузионный процесс синтеза кристаллов карбида бора. После охлаждения и снятия давления производят очистку готового продукта от кремния и сортировку по фракциям.
Синтезирован высокотвердый материал из углеродсодержащего сырья - карбида бора фракции 400-450 мкм с твердостью 22000 МПа. Выход годного продукта по отношению к исходному материалу составил 57%.
Пример 2. Сырье - порошковый графит в количестве 10 моль (120 г) - компактно помещают в центральную часть капсулы и нагревают до температуры 1750+50 К. Прогретая капсула заполняется жидким кремнием и герметично закрывается крышкой, что фиксирует внутренний объем полости капсулы, и помещается в шахтную печь, нагретую до температуры 1800 К. Охлаждение капсулы в печи от 1750 до 1700 К осуществляют за 40 мин, дальнейшее охлаждение до комнатной температуры - за 6 часов.
В процессе затвердевания кремния происходит увеличение молярного объема, а так как капсула изготовлена из вольфрама, ее упругая деформация развивает давление значительно выше линии термодинамического равновесия графит - алмаз. Происходит самопроизвольный диффузионный процесс синтеза алмазов.
После охлаждения и разборки капсулы производят очистку готового продукта. Выход алмазов составил 24% по отношению к объему обрабатываемого графита, средний размер фракции равен 40 мкм.
Класс B01J3/06 способы, использующие сверхвысокое давление, например для образования алмазов; устройства для этой цели, например матрицы