Verfahren zur Synthese von Diamanten
Seit Ende des vorigen Jahrhunderts wurden immer wieder Versuche zur Synthese von Diamanten unternommen. Oftmals wurde mitgeteilt, dass nun endlich die Synthese künstlicher Diamanten gelungen sei.
Später stellte sich jedoch aber regelmässig heraus, dass diese Mitteilungen nicht der Wahrheit entsprachen. Im Jahre 1955 gab dann die Anmelderin bekannt, dass mehreren ihrer Mitarbeiter die Synthese künstlicher Diamanten geglückt sei. Bekanntlich ist dies mit Hilfe neuartiger Hochdruckapparaturen mög- lich, mit denen bei Temperaturen bis zu 30000 K Drücke von über 100000 at längere Zeit aufrechterhalten werden können. Aus den bisherigen Ver öffentlichungen ergibt sich, dass zur Synthese von Diamanten kohlenstoffhaltiges Material im diamantstabilen Gebiet des Zustandsdiagramms liegenden Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt werden muss, beispielsweise einem Druck von ungefähr 53000 at bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 2500O K.
Es sind mehrere nach thermodynamischen Grundlagen errechnete Graphit-Diamant-Umwandlungskurven bekannt, die im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff das diamantstabile Gebiet vom graphitstabilen Gebiet trennen. Eine der neuesten Umwandlungskurven stammt von Berman und Simon und ist in der Zeitschrift für Elektrochemie 59, 333 (1955) veröffentlicht. Es wurde bisher allgemein angenommen, dass Kohlenstoff in Diamant umgewandelt werden kann, wenn er im diamantstabilen Gebiet liegenden Drücken und Temperaturen ausgesetzt wird.
Es hat sich aber nun herausgestellt, dass keine Diamanten entstehen, wenn man nur kohlenstoffhaltiges Material im diamantstabilen Bereich liegenden Temperatur- und Druckbedingungen aussetzt.
Vielmehr hat sich gezeigt, dass in bestimmten Bereichen des diamantstabilen Gebietes im Zustanddiagramm von Kohlenstoff aus kohlenstoffhaltigem Material Diamanten nur in Gegenwart bestimmter Metalle erhalten werden können.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung, bei welchem kohlenstoffhaltiges Material der gleichzeitigen Einwirkung von erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur im diamantstabilen Gebiet unterworfen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Material in Gegenwart eines Katalysatormetalls der Einwirkung einer Temperatur von mindestens 1200 C und eines solchen Druckes unterworfen wird, dass das kohlenstoffhaltige Material mindestens teilweise in Diamant umgewandelt wird. Geeignete Katalysatormetalle sind Eisen, Kobalt, Nickel, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium, Chrom, Tantal oder Mangan.
Die Bestimmung von Drucken im angegebenen Bereich, das heisst von Drucken über 53000 Atmosphären, kann auf indirektem Wege auf Grund der Messung der Veränderung des elektrischen Widerstandes bestimmter Metalle erfolgen, wie dies z. B. von P. W. Bridgman in Proc. Am. Academy of Arts and Sciences, 81 (1952) 165, beschrieben wurde.
Die im folgenden angegebenen Druckwerte sind nach dem in dieser Literaturstelle beschriebenen Verfahren bestimmt und daher ausdrücklich auf dieses spezielle Eichverfahren bezogen. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden auf das Ausgangsmaterial zweckmässigerweise Drucke von mindestens 75000, vorzugsweise zwischen 80000 und 110000 Atmosphären, angewendet.
Die oben genannten Katalysatormetalle können dabei auch in Form von Verbindungen verwendet werden, die sich unter den Reaktionsbedingungen unter Freigabe des Metalls zersetzen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann aus kohlenstoffhaltigem Material, z. B. amorphem Kohlenstoff oder Graphit, je nach den speziellen Druck- und Temperaturbedingungen und dem jeweils verwendeten Katalysatormetall innerhalb eines Zeitraumes von wenigen Sekunden bis mehreren Stunden Diamant erhalten werden.
Die erfindungsgemäss hergestellten Diamanten sind chemisch, physikalisch und röntgenkristallographisch untersucht worden und besitzen die charakteristischen Eigenschaften natürlich vorkommender Diamanten.
Verbindungen der oben aufgezählten Metallkatalysatoren, welche sich unter den Reaktionsbedingungen unter Bildung des Metalls zersetzen, sind beispielsweise die Carbide, Sulfide, Carbonyle, Cyanide, Eisen-II-Wolframate, Eisen-III-Wolframate, Oxyde, Nitride, Nitrate, Hydride, Chloride, Molybdate, Arsenate, Acetate, Oxalate, Carbonate, Chromate, Phosphide, Permanganate, Sulfate, Wolframate usw. Einzelne Beispiele der zersetzbaren Verbindungen, die sich unter den Reaktionsbedingungen unter Freisetzung des als Katalysator dienenden Metalls zersetzen, sind Eisencarbonyl, Palladiumchlorid, Chromcarbid, Tantalhydrid, Nickelpermanganat, Cobaltacetat und dergleichen.
Alle erwähnten Verbindungen zersetzen sich in Gegenwart von Kohlenstoff bei Drucken von über 75000 at und bei Temperaturen von mindestens 12009 C unter Freisetzung des metallischen Bestandteils.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeten Anteile der verschiedenen Komponenten sind nicht kritisch, so dass das Verhältnis von nichtdiamantartigem Kohlenstoff zu Katalysator innerhalb eines extrem weiten Bereiches ver ändert werden kann. Vorzugsweise wird jedoch volumenmässig mehr Kohlenstoff als Katalysator verwendet. Die für die Umwandlung erforderliche Zeit ändert sich etwas mit dem jeweils verwendeten Reaktionssystem. Aber schon mit Zeiten von 30 Sekunden bis 3 oder 4 Minuten wurden mit allen verwendeten Systemen befriedigende Umformungsergebnisse erzielt. Es wurde jedoch beobachtet, dass mit einer längeren Einwirkung hoher Drucke und hoher Temperaturen auf die Reaktionsteilnehmer keine nachteiligen Wirkungen verbunden sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit jeder Apparatur durchgeführt werden, in der die erforderlichen Drucke und Temperaturen erzeugt werden können. Vorzugsweise wird eine Hochdruckeinrichtung verwendet, die zwischen die Stempel einer hydraulischen Presse eingeführt werden kann. Die Hochdruckeinrichtung besteht aus einem ringförmigen Körper, der eine im wesentlichen zylindrische Reaktionszone begrenzt, und aus zwei konischen kolbenartigen Gliedern oder Stempeln besteht, die in den im wesentlichen zylindrischen Teil des ringförmigen Gliedes von beiden Seiten eingepasst sind. Ein in das ringförmige Glied passendes Reaktionsgefäss kann durch die beiden kolbenartigen Glieder zur Erzeugung des notwendigen Druckes komprimiert werden.
Die erforderliche Temperatur kann durch irgendein passendes Mittel, wie beispielsweise Induktionsheizung, Durchleitung eines elektrischen Stromes (Gleichstrom oder Wechselstrom) durch das Reaktionsgefäss oder durch Umwicklung des Reaktionsgefässes mit Heizspiralen erzeugt werden.
Das eben erwähnte Reaktionsgefäss -kann aus Pyrophyllit, einem gebräuchlichen metallischen Baustoff oder Graphit bestehen. Wenn das Reaktionsgefäss aus Metall besteht, kann man hierzu mit Vorteil ein Katalysatormetall verwenden. Ein solches Gefäss kann mit nichtdiamantartigem Kohlenstoff gefüllt und komprimiert werden, so dass das Metall des Reaktionsgefässes als Katalysator für die Diamantumwandlung wirkt. Wenn das Reaktionsgefäss aus Graphit besteht, kann es mit Katalysator gefüllt werden, worauf die Kompression des mit Katalysator gefüllten Graphitgefässes mit dem erforderlichen Druck zur Umwandlung in Diamant führt. Katalysator und nichtdiamantartiger Kohlenstoff können auch ohne Rücksicht auf das Baumaterial des Reaktionsgefässes innerhalb dieses Gefässes vermischt sein.
So können Mischungen aus pulverförmigem Graphit und Metall oder Metallverbindungen als Charge für das Reaktionsgefäss verwendet werden, worauf die Kompression von Gefäss und Charge bei der erforderlichen Temperatur die Umwandlung in Diamant bewirkt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht das Reaktionsgefäss aus einem Pyrophyllit-Zylinder, der einen Graphit-Zylinder umgibt, welcher als Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei die Achse des Hohlzylinders auch die des Reaktionsgefässes ist. In diesen Graphit Zylinder wird eine pulverförmige Mischung aus Graphit und dem verwendeten Katalysator eingebracht.
Dieses Reaktionsgefäss wird an seinen Enden durch Metallscheiben dicht verschlossen, die gegebenenfalls auch als Reaktionskatalysatoren wirken können. In die Enden des Reaktionsgefässes können vor dem Verschliessen stopfenartige Körper aus nichtdiamantartigem Kohlenstoff oder Metall eingebracht werden.
Das verschlossene Reaktionsgefäss wird dann in die oben beschriebene Apparatur gebracht und den für die Umwandlung in Diamant erforderlichen erhöhten Temperaturen und Drucken ausgesetzt.
Alternativ kann anstelle eines Reaktionsgefässes ein Zylinder aus kohlenstoffhaltigem Material wie Graphit verwendet werden, der zwischen zwei Scheiben gelegt wird, die aus Katalysatormetall bestehen, worauf diese Mehrschichten-Anordnung in die Druckapparatur gebracht und den für die Umwandlung erforderlichen Reaktionsbedingungen ausgesetzt wird. Eine weitere alternative Ausführung besteht darin, dass ein metallisches Reaktionsgefäss mit kohlenstoffhaltigem Material in Pulverform oder in Form grösserer Körper gefüllt und dann verschlossen wird, wobei der Reaktionskatalysator entweder dem pulverförmigen Kohlenstoff beigemischt ist oder in Form von Endscheiben das Reaktionsgefäss verschliesst, und dass schliesslich die gesamte Anordnung den Reaktionsbedingungen unterworfen wird.
Ein Reaktionskörper kann schliesslich auch durch Komprimieren einer Mischung aus nichtdiamantartigem Kohlenstoff und Katalysator zu einem Zylinder gebildet werden, der in die im wesentlichen zylindrische Öffnung passt, welche im Zusammenhang mit der im USA-Patent Nr. 2941 248 offenbarten Apparatur beschrieben ist. Die in der erwähnten Patentanmeldung beschriebene Apparatur kann aber auch in der gewöhnlichen Weise bei erhöhten Temperaturen und Drucken zum Bewirken der Umwandlung verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Synthese von Diamant ist die Messung des auf die Reaktionskomponenten einwirkenden Druckes und der Temperatur wegen der extrem verwendeten Drucke auf direktem Wege schwierig. Daher wird zweckmässigerweise jede dieser Reaktionsbedingungen auf indirektem Wege bestimmt. Zur Messung des Druckes wird zweckmässig, wie in der oben erwähnten Ver öffentlichung von Bridgman eingehend beschrieben, von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass der elektrische Widerstand bestimmter Metalle bei bestimmten Drucken deutliche Änderungen zeigt. So zeigt Wismut eine Phasenänderung mit einer dadurch hervorgerufenen Änderung des elektrischen Widerstandes bei 24800 at; Thallium zeigt diese Phasen änderung bei 43500 at, Cäsium bei 53500 at und Barium bei 77400 at.
Es wurde nun gefunden, dass der Schmelzpunkt von Germanium über einen sehr weiten Druckbereich bis zu 110000 at und dar über direkt druckabhängig ist und dass Germanium überdies beim Übergang der flüssigen in die feste Phase eine ausgeprägte Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des Widerstandes erfährt. So kann durch Bestimmung der für eine Phasenänderung eines Metalls wie Wismut notwendigen Druckleistung (Pressenbelastung) einer hydraulischen Presse ein Punkt auf einer Druck-Belastungskurve bestimmt werden.
Durch Füllung des in der oben beschriebenen Apparatur verwendeten Reaktionsgefässes mit Germanium und Anwendung der Belastung, welche die Phasenänderung bei Wismut bewirkt, und darauf folgendes Erhitzen des Germaniums bis zur Schmelztemperatur, bestimmt durch die ausgeprägte Verminderung des elektrischen Widerstandes, kann ein Punkt auf einer Druck-Schmelzpunktkurve für Germanium festgelegt werden. Durch Wiederholung desselben Verfahrens mit anderen Metallen wie Thallium, Cäsium und Barium, deren Phasenänderungspunkt bekannt ist, kann eine Reihe von Punkten auf der Schmelzpunkt-Druck-Kurve von Germanium festgelegt werden. Es zeigt sich, dass diese Schmelzpunkt Druck-Kurve eine Gerade ist.
So kann durch Anwendung anderer Belastungen mit der hydraulischen Presse unter Verwendung einer mit Germanium gefüllten Reaktionskammer und durch Bestimmung des Schmelzpunktes von Germanium bei verschiedenen Belastungen, der durch eine bestimmte Belastung der Kammer erzeugte Druck bestimmt werden.
Die Temperatur im Reaktionsgefäss kann durch bekannte Mittel, wie beispielsweise die Anordnung eines Thermoelementes im Reaktionsgefäss und Temperaturmessung am Thermoelement, bestimmt werden. Der Apparatur wird ein bestimmter Strom zugeführt und die dadurch bewirkte Temperatur mit dem Thermoelement gemessen. Dieses Verfahren wird mehrmals mit verschiedenen Strömen durchgeführt und liefert eine Eichkurve von Stromaufnahme gegen Temperatur im Reaktionsgefäss. Nach Eichung der Apparatur mit dieser Methode kann die Temperatur des Inhalts des Reaktionsgefässes mittels der Eichkurve durch die Stromaufnahme der Apparatur bestimmt werden.
Im allgemeinen wird zur Erzeugung einer Temperatur von 16000 C in der beschriebenen Apparatur eine Wechselspannung von ungefähr 1 bis 3 Volt bei einer Stromstärke von ungefähr 800 Ampere verwendet, um den Inhalt des Reaktionsgefässes die erforderlichen 700-800 Watt zuzuführen. Die Temperatur der Reaktionskammer kann auch durch Messung des Widerstandes einer Heizwicklung, wie beispielsweise einer um die Reaktionskammer gewickelten Platin-Heizspirale, bestimmt werden. Die Temperatur von Platin wird aus dem bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes dieses Metalls bestimmt.
So kann die Temperatur innerhalb des Reaktionsgefäss es in relativ einfacher Weise während der Reaktion bestimmt und der im Reaktionsgefäss herrschende Druck aus der Eichkurve, welche die Beziehung zwischen der von den Platten der Presse ausgeübten Kraft und dem Druck innerhalb des Reaktionsgefässes wiedergibt, abgelesen werden.
Die mit den beschriebenen Methoden gemessenen Temperaturen, auf welche in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, sind die Temperaturen im heissesten Teil des Reaktionsgefässes. Es ist jedoch zu betonen, dass die Temperatur zwischen zwei voneinander entfernten Punkten innerhalb des Reaktionsgefässes innerhalb eines Bereiches von 100 bis 2000 C variieren kann.
Im folgenden werden einige beispielsweise Ausführungsformen des Verfahrens gemäss der Erfindung beschrieben. In den Beispielen 1-15 wurde die oben beschriebene Apparatur und Wechselstromheizung verwendet. In allen Fällen wurde ein Graphitzylinder oder Graphitrohr mit spektoskopisch- oder reaktorreinem Graphit mit oder ohne Katalysator vollgepackt. In allen Beispielen sind die Anteile der Komponenten einer jeweiligen Charge in Volumteilen angegeben. Die in den Beispielen 16-22 verwendete Apparatur unterschied sich von der oben beschriebenen Apparatur dadurch, dass der Graphitzylinder entfällt.
Die in jedem Beispiel entstehenden Diamanten wurden durch mindestens eine der folgenden Methoden untersucht, um zu belegen, dass das Reaktionsprodukt tatsächlich Diamant war: Röntgenkristallo graphie, Brechungsindex, Dichte, chemische Analyse, Infrarotanalyse und Härteproben. Die Diamanten wurden aus ihrer Muttersubstanz durch Auflösung der Muttersubstanz in roter, rauchender Salpetersäure abgetrennt.
Beispiel I
Ein zylindrisches Graphitrohr wurde mit 5 Teilen pulverförmigem Graphit, einem Teil Eisenpulver, einem drittel Teil Mangan und einem drittel Teil Vanadiumpentoxyd gefüllt. Das zylindrische Rohr wurde an seinem oberen Ende mit einem Stopfen aus Graphit und an jeder Seite mit einer Tantalscheibe verschlossen. Dieses Rohr wurde in die beschriebene Apparatur gebracht, einem Druck von ungefähr 95000 at bei einer Temperatur von ungefähr 1700"C während ungefähr 2 Minuten unterworfen und darauf während 8 weiteren Minuten auf ungefähr 15000 C abgekühlt. Es entstanden zahlreiche Diamanten mit vielen verschiedenen oktaedrischen Flächen und Ecken. Diese Diamanten wurden von der Matrix, in der sie entstanden waren, durch Auflösen der Matrix in roter rauchender Salpetersäure isoliert.
Von den erhaltenen Diamanten wurden mittels einer zylindrischen Debye-Scherrer Kammer von 5 cm Radius und unter Verwendung von CuK a -Strahlung Röntgenbeugungsdiagramme angefertigt, welche die Bildung von Diamant überzeugend bewiesen. Die aus diesen Aufnahmen ermittelten Kristallflächenabstände (d in ngström- Einheiten) sind in der folgenden Tabelle mit den theoretischen Werten von Diamant verglichen.
Flächenabstände (d in Angström-Einheiten)
Ebene gemessen natürlicher Diamant (111) 2,05 2,060 (220) 1,26 1,262 (311) 1,07 1,076 (400) 0,89 0,8920 (331) 0,82 0,8185
Die Brechungsindices einer Anzahl von in diesem Beispiel gebildeten Diamanten wurden in weissem Licht gemessen und lagen im Bereich von 2,40 bis 2,50. Der Brechungsindex natürlicher Diamantsplitter ergab bei gleichzeitiger Untersuchung ebenfalls einen Wert im Bereich von 2,40-2,50. Mehrere Proben der in diesem Beispiel gebildeten Diamanten wurden durch Mikro-Verbrennungsanalyse auf Kohlenstoff untersucht. Die Ergebnisse zweier Versuche lagen bei 86 bzw. 81 0/0 Kohlenstoff. Der Rückstand beider Versuche enthielt Eisen, Aluminium, Silicium, Mangan und Vanadium; in einem Rückstand fanden sich auch Spuren von Tantal.
Dies steht in Über- einstimmung mit den Untersuchungsergebnissen natürlicher Diamanten, die Kohlenstoffkristalle wechselnder Reinheit darstellen und bis zu 20 ovo mineralische Rückstände enthalten, die im wesentlichen aus Oxyden von Silicium, Eisen, Calcium, Magnesium, Aluminium und Titan bestehen. Die in diesem Beispiel gebildeten Diamanten ritzten eine polierte Borcarbid-Platte.
Beispiel 2
Ein Graphitrohr wie oben beschrieben wurde mit einer Mischung aus einem Volumteil Nickelpulver und drei Volumteilen Graphitpulver beschickt. Die Rohrenden wurden mit Tantalscheiben verschlossen und 6 Minuten lang einem Druck von ungefähr 95000 at bei einer Temperatur von ungefähr 1700" C ausgesetzt. Die Untersuchung des Reaktionsgemisches ergab viele kleine Diamanten.
Beispiel 3
Es wurde wie in Beispiel 2 gearbeitet, das Nickelpulver jedoch durch Manganpulver ersetzt. Auch in diesem Fall ergab das Reaktionsgemisch viele Diamanten. Diese Arbeitsweise wurde auch zur Herstellung von Diamanten in einem mit vier Teilen Graphitpulver und einem Teil Palladiumspänen gefüllten Graphitrohr angewendet.
Beispiel 4
Nach der allgemeinen Arbeitsweise von Beispiel 2 wurde ein Graphitrohr mit zwei Teilen Graphitpulver und einem Teil Cobaltpulver beschickt und mit Tantalendscheiben versehen, Nachdem die Reaktionskammer auf 1700"C unter einem Druck von 95000 at zwei Minuten lang erhitzt worden war, wurde sie unter demselben Druck in den darauffolgenden 12 Minuten auf 1400"C abgekühlt. Auch bei dieser Arbeitsweise bildeten sich Diamanten.
Beispiel 5
Das mittlere Drittel eines Graphitzylinders wurde mit Chrommetall, die beiden äusseren Drittel mit Graphitpulver gefüllt. Dieser Zylinder wurde mit Tantalendscheiben verschlossen und während einer Dauer von ungefähr 5-10 Minuten einem Druck von ungefähr 95000 at und einer Temperatur von 1500-2000"C ausgesetzt. Dies führte zur Bildung einer grossen Zahl relativ kleiner Diamanten.
Beispiel 6
Ein Graphitrohr wurde mit Graphitpulver gefüllt, an den Enden mit Tantalscheiben verschlossen und den Reaktionsbedingungen von Beispiel 5 unterworfen. Das Reaktionsprodukt ergab einige Diamanten.
Beispiel 7
Aus Graphit und Eisen wurden Diamanten dadurch synthetisiert, dass ein zylindrisches Graphitrohr mit einer Mischung aus 98 Teilen Graphitpulver und 2 Teilen Eisenpulver gefüllt, mit Tantalendscheiben verschlossen, während ungefähr 2 Minuten einem Druck von ungefähr 95000 at bei einer Temperatur von 1800 C unterworfen und dann in den folgenden 11 Minuten auf 1400 C abgekühlt wurde.
Beispiel 8
Es wurden Diamanten bei denselben physikalischen Bedingungen wie in Beispiel 5 dadurch hergestellt, dass ein zylindrisches Graphitrohr mit einer Mischung aus 4 Teilen Kaliumpyrosilicat-Monohydrat, 4 Teilen einer äquimolaren Mischung aus Eisen und Eisen-II-oxalat-dihydrat und einem Teil Russ gefüllt wurde. Ein Ende des Rohres wurde mit einem Graphitstopfen versehen und beide Enden mit Tantalscheiben dicht verschlossen.
Beispiel 9
Unter den in Beispiel 6 angegebenen Druck-, Temperatur- und Zeitbedingungen wurden Diamanten dadurch erhalten, dass ein zylindrisches Graphitrohr mit 15 Teilen Graphitpulver, 3 Teilen Eisenpulver, einem Teil Manganpulver und einem Teil Vanadiumpentoxydpulver gefüllt und an beiden Enden mit Tantalscheiben dicht verschlossen wurde.
Beispiel 10
Es wurden Diamanten dadurch synthetisiert, dass ein zylindrisches Graphitrohr 3 Minuten einem Druck von 95000 at bei einer Temperatur von ungefähr 19000 C ausgesetzt und dann in den darauffolgenden 11 Minuten auf ungefähr 1400"C abgekühlt wurde.
Das Graphitrohr war mit einer Mischung aus 5 Teilen Graphitpulver, 2 Teilen Eisenpulver und einem Teil Manganpulver gefüllt und an beiden Enden mit Wolframscheiben verschlossen. Auch bei Wiederholung dieses Versuches unter Verwendung von Titanendscheiben anstelle der Wolframscheiben wurden Diamanten gebildet, wobei ein kleines Stück Pyrophyllit ( wonderstone ) in das Rohr in der Nähe des
Rohrendes gebracht wurde.
Beispiel 11
Ein zylindrisches Graphitrohr wurde mit einer Mischung aus 92 Teilen Graphitpulver, 5 Teilen Eisenpulver und 3 Teilen Manganpulver gefüllt. Nach Abdichtung mit Tantalendscheiben wurde das Rohr 2 Minuten lang einem Druck von 95000 at und 1700"C ausgesetzt und unter Aufrechterhaltung des Druckes in ungefähr 20 Minuten auf ungefähr 12000 C abgekühlt.
Beispiel 12
Gemäss der Arbeitsweise von Beispiel 2 wurde zur Diamantsynthese ein zylindrisches Graphitrohr mit einer Mischung aus 2 Teilen Eisenpulver, einem
Teil Manganpulver und 2 Teilen feinen Kupferpulvers, welches Kupferoxyd enthielt, und 18 Teilen
Graphit gefüllt. Dieses Rohr wurde 2 Minuten lang bei einem Druck von 95000 at auf 1700 C gehalten und dann in den folgenden 21 Minuten auf 14000 C abgekühlt.
Beispiel 13
Zur Diamantbildung wurde ein zylindrisches
Graphitrohr mit technischem Eisen-II-sulfid gefüllt und mit Tantalscheiben dicht verschlossen. Dieses
Rohr wurde 2 Minuten einem Druck von 95000 at bei einer Temperatur von 1620"C unterworfen und darauf unter Druck 10 Minuten lang abgekühlt.
Beispiel 14
Zur Diamantsynthese wurde ein Graphitrohr verwendet, welches einen mit Graphitpulver eingebetteten Eisenstab enthielt und mit Platinendscheiben dicht verschlossen war. Dieses Rohr wurde 4 Minuten lang bei 95000 at einer Temperatur von 1450"C unterworfen und dann unter Druck 10 Minuten lang abgekühlt.
Beispiel 15
Dieses Beispiel zeigt die Umwandlung von Graphit in Diamant unter Verwendung von Nickel als Katalysator. In diesem Beispiel wurden die Diamanten unter Anwendung verschiedener Drucke und verschiedener Temperaturen gebildet. Die Probe bestand aus einem Nickeldraht, der mit einer Graphithülse umgeben war. Diese Hülse wurde in die Öffnung eines hohlen Pyrophyllitzylinders eingeführt. Die Gesamtanordnung wurde mit Nickelendscheiben versehen, die mit dem Nickeldraht in Berührung standen.
Das so aufgebaute Reaktionsgefäss wurde dann dadurch geheizt, dass ein elektrischer Strom durch die Nickelendscheiben und durch den in der Mitte liegenden Nickeldraht hindurchgeschickt wurde. In jedem Versuchslauf wurde die Anordnung dem gewünschten Druck ausgesetzt, in zwei oder drei Sekunden auf Reaktionstemperatur gebracht, ungefähr drei Minuten auf Reaktionstemperatur gehalten und dann in ungefähr drei Sekunden abgekühlt. In der folgenden Tabelle sind die zur Diamantsynthese verwendeten Drucke und Temperaturen angegeben. ungefährer Druck ungefähre Temperatur at oC
105000 1750
100000 1650
81000-83000 1700
75000 1650
Beispiel 16
Mangan wurde als Katalysator zur Umwandlung von Graphit in Diamant in einem Reaktionsgefäss verwendet, das aus einem hohlen Pyrophyllitzylinder bestand, in dessen Mittelteil ein Kohlenstoffstab gebracht.
Der restliche Raum der zylindrischen Öffnung war mit Manganstäben ausgefüllt. Diese Anordnung wurde mit Tantalendscheiben versehen. Diese Anordnung wurde bei einem Druck von ungefähr 95000 at 3 Minuten auf ungefähr 1600dz erhitzt, wobei im Bereich der Grenzflächen zwischen Graphit und Mangan eine Umwandlung von Graphit in Diamant stattfand.
Beispiel 17
In einem Verfahren nach Beispiel 16 wurde Palladium anstelle von Mangan als diamantbildender Katalysator verwendet. Wenn diese Anordnung unge fähr drei Minuten lang einem Druck von ungefähr
105000 at und einer Temperatur von ungefähr 1800"C unterworfen wurde, bildeten sich an den Berührungsflächen von Kohlenstoff und Palladium Diamanten.
Beispiel 18
Das Verfahren von Beispiel 17 wurde mit der Abänderung wiederholt, dass Palladium durch Ruthenium ersetzt war und Endscheiben aus Molybdän anstelle von Tantal bestanden. Auch hier bildeten sich Diamanten an den Berührungsflächen zwischen Kohlenstoff und Ruthenium.
Beispiel 19
Das Verfahren von Beispiel 16 wurde wiederholt, wobei jedoch Kobalt anstelle von Mangan verwendet wurde und die Temperatur ungefähr 18000 C anstelle von ungefähr 1600 C betrug. Dies führte zur Bildung von Diamanten an der Grenzfläche zwischen Graphit und Kobalt.
Beispiel 20
Das Verfahren von Beispiel 16 wurde wiederholt, wobei Rhodium anstelle von Mangan verwendet wurde und der Druck ungefähr 100000 at, die Temperatur ungefähr 1900"C betrug. Dabei ergab sich an der Grenzfläche zwischen Rhodium und Graphit eine Anzahl von Diamanten.
Beispiel 21
Das Verfahren von Beispiel 19 wurde wiederholt, wobei Chrom anstelle von Kobalt verwendet wurde.
Dies führte zur Bildung einer Vielzahl von Diamanten an der Grenzfläche zwischen Chrom und Graphit.
Obwohl in den vorangehenden Beispielen als nichtdiamantförmiger Kohlenstoff und als Katalysatoren verschiedene Ausgangsstoffe verwendet wurden, so können auch natürlich vorkommende Stoffe, die zugleich nichtdiamantartigen Kohlenstoff und wenigstens einen der oben beschriebenen Katalysatoren enthalten, unter den oben beschriebenen Bedingungen in Diamant umgewandelt werden. Beispiele für solche natürlich vorkommenden Stoffe sind Anthrazit und Steinkohle mit hohem Mineralgehalt, graphitartiger Kohlenstoff mit hohem Mineralgehalt, und dergleichen.