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 künst- licher Diamanten geglückt ist. Bekanntlich ist dies mit Hilfe neuartiger Hochdruckapparaturen möglich, mit denen bei Temperaturen bis zu 3000 K Drücke von über 100000 at längere Zeit aufrechterhalten werden können. Aus den bisherigen Veröffentlichungen 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 53 000 at bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 2500 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 Bergman 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. Diese Annahme entspricht jedoch nicht der Wirklichkeit.
Im Schweizer Patent Nr. 365059 wurde erstmalig beschrieben, dal3 zur Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material in Diamant bestimmte Katalysatormetalle vorhanden sein müssen, wenn die Einwirkung einer Temperatur von mindestens 1200 C und eines erhöhten Druckes im diamantstabilen Bereich zur Diamantsynthese führen soll.
Das vorliegende Patent betrifft nun ein Verfahren zur Synthese von Diamanten, wobei ein kohlenstoffhaltiges Material in Gegenwart eines Katalysators der Einwirkung einer Temperatur von mindestens 1200 C und eines erhöhten Druckes im diamantstabilen Bereich unterworfen wird.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Diamantsynthese eine Legierung zugegen ist, die mindestens ein Katalysatormetall enthält.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können Diamanten je nach Temperatur, Druck und Legierung innerhalb weniger Sekunden bis mehrerer Stunden erhalten werden.
In Fig. 1 ist das Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm von Kohlenstoff schematisch dargestellt.
Die Messung von Drucken im diamantstabilen Bereich kann auf indirektem Wege durch Messung der Ver änderung der elektrischen Eigenschaften 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.
Die Bezeichnung diamantstabiler Bereich wird zur Beschreibung der Temperatur-und Druckbedingungen verwendet, bei denen kohlenstoffhaltiges Material theoretisch in Diamant umgewandelt werden kann. Man kann diesen Ausdruck am besten bei Betrachtung von Fig. 1 verstehen, in der die Tempe ratur in Grad Celsius als Abszisse gegen den Druck in Atmosphären als Ordinate aufgetragen ist. In der Zeichnung stellt die schraffierte Fläche zwischen der gestrichelten Linie V-V und der gestrichelten Linie W-W eine bestimmte Gleichgewichtszone dar. In dieser lassen sich keine genauen Grenzen feststellen zwischen den Druck-und Temperaturbedingungen, bei denen Diamant den stabilen Zustand von Kohlenstoff darstellt, und den Druck-und Temperaturbedingungen, bei denen Graphit der stabile Zustand von Kohlenstoff ist.
Die schraffierte Fläche ist als tat sächliche Gleichgewichtszone zu betrachten. Die Lage und Gestalt dieser Zone kann etwas verschieden von der in der Zeichnung gezeigten Zone sein.
Diejenigen Druck-und Temperaturbedingungen stellen den diamantstabilen Bereich dar, die innerhalb oder über der in der Zeichnung dargestellten Gleichgewichtszone liegen. Der graphitstabile Bereich wird durch diejenigen Druck-und Temperaturbedingungen dargestellt, die in der Zeichnung in oder unterhalb der Gleichgewichtszone liegen.. Wenn man daher reinen Diamant Druck-und Temperaturbedingungen aussetzt, die im diamantstabilen Bereich liegen, wird sich der Diamant nicht in Graphit umwandeln. In ähnlicher Weise wird auch reiner Graphit nicht zu Diamant verwandelt, wenn er Druck-und Temperaturbedingungen unterworfen wird, welche im graphitstabilen Bereich liegen.
Die Linie X-X in der Zeichnung zeigt die untere Druckgrenze (ungefähr 50 000 at) und die Linie Y-Y zeigt die untere Temperaturgrenze (un gefähr 1200"C) an, bei denen nichtdiamantförmiger Kohlenstoff nach dem Verfahren der Erfindung noch zu Diamant verwandelt werden kann. Es ist jedoch verständlich, dal3 kohlenstoffhaltige Materialien nicht dadurch zu Diamant verwandelt werden, dal3 man sie im diamantstabilen Bereich auf Drucken und Temperaturen hält, die oberhalb der durch die Linien X-X und Y-Y in der Zeichnung angegebenen Minimalwerte liegen. Man kann Graphit und andere kohlenstoffhaltige Materialien eine unbegrenzte Zeit lang auf diesen Drucken und Temperaturen halten, ohne dass irgendeine Umwandlung auftritt.
Nur dann findet die Umwandlung zu Diamant statt, wenn kohlenstoffhaltige Materialien bestimmten Druckund Temperaturbedingungen in Gegenwart von besonderen Katalysatoren gemäss der Erfindung unterworfen werden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden weiter unten ausführliche Beispiele der Umwandlung von Graphit zu Diamant angegeben werden, hauptsächlich deshalb, weil Graphit ein zweckmässiges Ausgangs- material für die Diamantsynthese ist. Es ist jedoch verständlich, dal3 neben Graphit auch andere kohlenstoffhaltige Materialien in Diamant umgewandelt werden können. So ist das Verfahren gemäss der Erfindung auch anwendbar auf amorphen Kohlenstoff, Kohle, Koks, Holzkohle usw. Es ist zusätzlich auch auf Materialien anwendbar, die chemisch gebundenen Kohlenstoff enthalten. Als solche Materialien können sowohl kohlenstoffhaltige anorganische und organische Verbindungen bekannter Struktur und Zusammensetzung als auch organische Materialien verwendet werden.
Beispiele von verschiedenartigen Materialien, die verwendet werden können und die chemisch gebundenen Kohlenstoff enthalten, sind Stoffe wie Steinkohlenteer, Pech, Holz, Papier, Lithiumcarbid und Naphthalin. Obwohl das Verfahren für die Umwandlung von chemisch gebundenem Kohlenstoff in Diamant verwendbar ist, wird dabei nicht angenommen, dass chemisch gebundener Kohlenstoff unmittelbar in Diamant umgewandelt wird. Es ist anzunehmen, dass sich die Kohlenstoffverbindungen zunächst unter dem Reaktionsdruck und der Reaktionstemperatur unter Abscheidung von freiem Kohlenstoff zersetzen und dieser freie Kohlenstoff dann zu Diamant umgewandelt wird.
Zweckmässig enthält die verwendete Legierung als Katalysatormetall ein Metall der VIII. Gruppe des periodischen Systems oder eines der Metalle Chrom, Tantal oder Mangan.
Die Legierung muss nicht notwendigerweise schon dann gebildet sein, wenn das Material in die Reaktionskammer eingebracht wird. Die Legierung muss erst dann als solche vorliegen, wenn die Diamantbildung vor sich geht. Die Zusammensetzung einer Legierung, wie sie beim Verfahren gemäss der Erfindung verwendet wird, kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. So können die verwendeten Legierungen sowohl Legierungen eines Katalysatormetalls und eines Nichtkatalysatormetalls, Legierungen eines Katalysatormetalls und zweier oder mehrerer Nichtkatalysatormetalle, oder Legierungen von zwei oder mehreren Katalysatormetallen und zwei oder mehreren Nichtkatalysatormetallen sein.
Obwohl der genaue Grund für die Überlegenheit der Legierungen über reine Katalysatormetalle nicht völlig verständlich ist, ist anzunehmen, dal3 diese Überlegenheit wenigstens teilweise der Tatsache zuzuschreiben ist, dass viele zwei oder mehrere Metalle enthaltende Legierungen, wobei ein Metall davon ein Katalysatormetall ist, Schmelzpunkte haben, die niedriger als die Schmelzpunkte von reinen Katalysatormetallen oder von wenigstens ein Katalysatormetall enthaltenden Metallmischungen sind. Weiter ist anzunehmen, dass die Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant dadurch erleichtert wird, dal3 die Legierung bei niedrigeren Drucken und Temperaturen als das reine Katalysatormetall schmilzt.
Dies wiederum ermöglicht die Umwandlung von nichtdiamantförmi- gem Kohlenstoff zu Diamant bei niedrigeren Drucken und Temperaturen, als dies bei Verwendung eines reinen Katalysatormetalls oder einer ein reines Katalysatormetall enthaltenden Mischung von Metallen möglich wäre. Diese Anschauung wird weiterhin durch die Tatsache gestützt, dass niedrigere Drucke und Temperaturen bei der Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant angewendet werden können, wenn die Legierung einen niedrigeren Schmelzpunkt bei atmosphärischem Druck hat als das entsprechende Katalysatormetall, das ein Bestandteil dieser Legierung ist.
Es ist anzunehmen, dass ein anderer Grund für die Überlegenheit der Legierungen über reine Metallkatalysatoren darin liegt, dass die Legierungen eine keimbildende Wirkung haben, wodurch, besonders bei Drucken und Temperaturen an der Schwelle des diamantstabilen Bereiches, Diamanten bei niedrigeren Drucken mit der vorgebildeten Legierung als mit reinen Metallkatalysatoren gebildet werden und gleichzeitig mehr kohlenstoffhaltiges Material zu Diamant umgewandelt wird.
Im allgemeinen beträgt jeder Bestandteil der Legierung 2 /o oder mehr und vorzugsweise 10 ouzo oder mehr des Gesamtgewichtes der Legierung.
Es kommen z. B. die folgenden Legierungen in Betracht : Nickel-Chrom, Eisen-Mangan, Eisen-Nickel, Eisen-Kobalt, Eisen-Nickel-Kobalt, Aluminium Nickel-Kobalt, Eisen-Iridium, Eisen-Palladium, Eisen Platin, Eisen-Rubidium, Eisen-Rhodium, Eisen Ruthenium, Eisen-Antimon, Eisen-Zinn, Eisen-Titan, Eisen-Vanadium, Eisen-Wolfram, Eisen-Zink, Iridium Platin, Magnesium-Mangan, Nickel-Magnesium, Mangan-Palladium, Mangan-Platin, Molybdän-Nickel, Nickel-Palladium, Nickel-Platin, Nickel-Tantal, Nickel-Zinn, Nickel-Titan, Nickel-Wolfram, Nickel Zink, Platin-Rhodium, Silber-Nickel, Silber-Palladium, Silber-Platin, Aluminium-Kobalt, Aluminium-Chrom, Aluminium-Eisen, Aluminium-Mangan, Gold-Eisen, Gold-Nickel, Gold-Palladium, Gold-Platin, Wismut Eisen, Kobalt-Kupfer, Kobalt-Eisen, Kobalt-Nickel, Kobalt-Platin, Kobalt-Wolfram, Chrom-Eisen,
Chrom Molybdän, Chrom-Palladium, Chrom-Platin, Chrom Wolfram, Kupfer-Eisen, Kupfer-Mangan, Kupfer Nickel, Kupfer-Palladium, Silber-Kupfer-Palladium, Aluminium-Kupfer-Nickel, Aluminium-Eisen-Nickel, Aluminium-Magnesium-Mangan, Beryllium-Kupfer Nickel, Chrom-Eisen-Nickel, Kupfer-Mangan-Zinn, Kupfer-Nickel-Zinn, Kupfer-Nickel-Zink, Eisen Molybdän-Nickel, Eisen-Nickel-Titan, Magnesium Mangan-Zink, Eisen-Nickel-Wolfram usw. Unter den einzelnen Legierungen, die sich besonders gut zur Durchführung der Erfindung eignen, seien erwähnt z. B.
80"/c. Nickel-20 Chrom, 95 o/a Nickel-5"/o Chrom, 40 /o Nickel-60 /o Mangan, 50 /o Eisen-50 /o Mangan,
70% Eisen - 30% Nickel, 40 /o Nickel-60 /o Kupfer, 50 /o Nickel-50 /o Kupfer, 666/o Eisen-30 /o Nickel-4 /o Chromusw.
Die Legierungen sind oberhalb bestimmter Minimalwerte des Druckes und der Temperatur im diamantstabilen Bereich als Katalysatoren bei der diamantbildenden Reaktion wirksam. Der Minimalwert der Temperatur beträgt 1200"C und derjenige des Druckes im allgemeinen 50000 at. Das bedeutet aber nicht, dass alle Legierungskatalysatoren bei allen im diamantstabilen Bereich über den Werten von 50000 Atmosphären und 1200 C liegenden Drucken und Temperaturen wirksam sind. Zum besseren Ver ständnis der Wirkungsweise der Katalysatoren innerhalb des diamantstabilen Bereiches wird wiederum auf Fig. 1 verwiesen.
Die in der Zeichnung durch A-A und B-B bezeichneten Kurven zeigen für zwei bestimmte Legierungskatalysatoren die angenäherten Minimalwerte von Druck und Temperatur und die Fläche im diamantstabilen Bereich, in der sich diese Katalysatoren wirksam bei der Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant erwiesen haben. Wie durch die Kurven A-A und B-B gezeigt wird, scheint es nach oben hin keine Grenze für den Druck zu geben, bei dem ein gegebener Katalysator beim Verfahren gemäss der Erfindung wirksam ist. Die Kurven zeigen jedoch in veränderlichem Masse die Begrenzung für die Maximaltemperatur, bei der die diamantbildende Reaktion stattfinden kann. Normalerweise wurde die Wirtschaftlichkeit die Verwendung von Drucken und Temperaturen fordern, die nicht zu hoch oberhalb der gezeigten Minimalwerte liegen.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass es für die bestmögliche Durchführung des Erfindungsverfahrens einen weiten Temperatur-und Druckbereich gibt.
Die Kurve A-A gibt die angenäherten Minimalwerte für Druck und Temperatur an und zeigt auch das Hauptgebiet, in dem eine Legierung von 66 ouzo Eisen, 30 0/G Nickel und 4 /o Chrom als Katalysator für die Umwandlung von Graphit zu Diamant wirkt.
Die Kurve B-B zeigt in ähnlicher Weise diese Minimalwerte des Drucks und der Temperatur und ein Hauptgebiet für eine aus 80 ouzo Nickel und 20 /o Chrom bestehende Legierung.
Die Kurven A-A und B-B zeigen also, dass es einen bestimmten Minimalwert des Drucks und der Temperatur gibt, unterhalb dem ein bestimmter Katalysator beim Verfahren gemäss der Erfindung unwirksam ist. So liegt z. B. der Minimaldruck, bei dem ein aus 660/o Eisen, 301/o Nickel und 4 /ol Chrom bestehender Katalysator noch wirksam ist, bei ungefähr 55 000 Atmosphären. Für eine Legierung, die aus 80 /o Nickel und 20 I/o Chrom besteht, beträgt der Minimaldruck ungefähr 63000 at.
Die Kurven für viele verwendbare Katalysatoren haben dieselbe Form wie die in Fig. 1 gezeigten Kurven A-A und B-B, obwohl natürlich der Wirkungsbereich für jeden besonderen Katalysator verschieden sein wird. In der untenstehenden Tabelle sind eine Anzahl von Katalysatoren und die angenäherten Druckbereiche und die angenäherten Temperaturbereiche angegeben, in denen sich jeder dieser Katalysatoren als wirksam für die Umwandlung von Graphit zu Diamant herausgestellt hat.
UngefÏhrer Druckbereich UngefÏhrer Temperaturbereich
Katalysator at ¯C 80" Ni-20"/o Cr63000-1000001400-2200 95% Ni - 5% Cr 65000- 90000 1500-1600 40 Ni- Ni-60 /o Mn 70 000100 000 13001600 70% Fe - 30% Ni 63000- 90000 1300-1700 50 Cu-50 Mn75000-920001200-1700
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Reaktion bei einem Druck von ungefähr 50000 bis ungefähr 110000 at oder noch bei einem höheren Druck und bei Temperaturen von ungefähr 1200 bis 2600 C oder noch höheren Temperaturen durchgeführt, wobei die Drucke und Temperaturen so ausgewählt werden, dass sie innerhalb des Wirkungsbereiches des verwendeten Katalysators liegen.
Ein besonders zweckmϯiger Druckbereich liegt bei ungefähr 70000 bis ungefähr 100000 at mit einer Temperatur von ungefähr 1400 bis 1800 C, wobei der Druck und die Temperatur, bei denen die Reaktion durchgeführt wird, wieder für den entsprechenden verwendeten Katalysator gewählt wird.
Obwohl der genaue Mechanismus des Verfahrens gemäss der Erfindung nicht vollkommen ver ständlich ist, ist anzunehmen, dass es bei der Anwendung der Legierungskatalysatoren erforderlich ist, dal3 der Reaktionsdruck und die Reaktionstemperatur so ausgewählt werden müssen, dass der Legierungskatalysator sich im flüssigen Zustand befindet. So traten alle Umwandlungen von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant mit allen Legierungskatalysatoren dann auf, wenn der Katalysator sich im flüssigen Zustand befand. Es ist weiterhin anzunehmen, dass die wirksamsten Bedingungen für die Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant oberhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Katalysators liegen, vorzugsweise ungefähr 50 bis 200 C oberhalb des Schmelzpunktes.
Bei Verwendung einer aus 80 ouzo Nickel und 20 /n Chrom bestehenden Legierung als Katalysator und bei einem Druck von ungefähr 95000 at schmilzt die Legierung in Gegenwart von Graphit bei einer Temperatur von etwas unterhalb 1350b C. Bei Verwendung dieser speziellen Legierung als Katalysator zieht man es deshalb vor, die Reaktion bei einer Temperatur von etwa 1400 C bis ungefähr 1650 C durchzufiihren.
In der nachstehenden Tabelle sind die ungefähren Schmelzpunkte einer Anzahl von Katalysatoren, die beim Verfahren gemäss der Erfindung verwendet werden können, bei einem Druck von ungefähr 95 000 at angegeben, wobei der Katalysator mit Graphit in Berührung steht. Die Schmelzpunkte dieser Legierungs- katalysatoren ändern sich etwas mit dem Druck und steigen, wenn der Druck steigt. Im allgemeinen jedoch beträgt die Änderung des Schmelzpunktes nur unge fähr 0, 5 bis 2 C pro 1000 at.
Katalysator Ungefährer Schmelzpunkt OU 80% Ni - 20% Cr 1350 95% Ni - 5% Cr 1400 70 /e Fe-30 /o Ni 1250 40 /o Ni-60 /o Mn 1200 50 /e Ni-50 /o Cu 1250 50 /o Cu-50 /o Mn 1100
Es hat sich herausgestellt, dass die bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten Verhältnisse von Katalysator zu kohlenstoffhaltigem Material innerhalb eines sehr weiten Bereiches verändert werden kön- nen, z. B. von 0, 1 bis 10 Volumteile Katalysator pro Teil kohlenstoffhaltiges Material. Vorzugsweise werden jedoch je Teil kohlenstoffhaltiges Material unge fähr 0, 5 bis 2 Volumteile Katalysator verwendet.
Beispielsweise bringt man bei der Durchführung des Verfahrens den Katalysator und das kohlenstoffhaltige Material miteinander in Berührung, dann auf den erforderlichen Druck und auf die erforderliche Temperatur und hält sie auf diesen Reaktionsbedingungen, bis die Reaktion abgelaufen ist. Die Reaktionszeit ist sehr kurz, und in den meisten Fällen ist die Umwandlung innerhalb von 1 bis 2 Sekunden bis zu wenigen Minuten vollendet. Um sicher zu sein, dass die Umwandlung vollkommen abgeschlossen ist, setzt man eine Zeit von ungefähr 2 bis 4 Minuten bei dem Umwandlungsdruck und der Umwandlungstemperatur an. Man konnte keine Schädigung des Endproduktes beobachten, als man die reagierenden Stoffe eine längere Zeit hohen Drucken und Temperaturen unterwarf.
Zur Durchführung des Verfahrens genügt jede Apparatur, in der die erforderlichen Drucke und die erforderlichen Temperaturen erreicht werden können, da die Erfindung offensichtlich nicht von einer besonderen Art der Apparatur abhängig ist.
Ohne Rücksicht auf die besondere Anordnung der Füllung im Reaktionsgefäss hat sich herausgestellt, dass die Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material zu Diamant nur vom Druck und von der Temperatur innerhalb des Reaktionsgefässes abhängt und nicht von der im einzelnen verwendeten Modifikation.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Umwandlung viel wirkungsvoller ist, wenn die gesamte zugeführte Menge sowohl des Katalysators als auch des kohlenstoffhaltigen Materials im Reaktionsgefäss nur in Form eines Körpers oder in Form von zwei Körpern vorhanden ist, im Unterschied von der Verwendung eines pulverisierten Gemisches des Legierungskatalysators und des kohlenstoffhaltigen Materials im Reaktionsgefäss.
In den folgenden Beispielen war der verwendete Graphit entweder Graphit von spektroskopischer Reinheit oder Reaktorgraphit. Bei allen Beispielen war der Druck an jeder Stelle des Reaktorgefässes derselbe. Die in den Beispielen angegebene Temperatur war die heisseste Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Legierungskatalysator und dem kohlenstoffhaltigen Material. Die Temperatur kann natürlich um mehrere hundert Grad zwischen auseinanderliegenden Punkten im Reaktionsgefäss schwanken und die Umwandlung scheint durch dieses Temperaturgefälle erleichtert zu werden.
In allen Beispielen wurde das Reaktionsprodukt im Reaktionsgefäss mit rauchender roter Salpetersäure behandelt, die die Auflösung aller Stoffe des Endproduktes mit Ausnahme von Diamant bewirkte. Der in den Beispielen gebildete Diamant wurde nach wenigstens einer der folgenden Methoden geprüft, um sicher zu sein, dass das gebildete Produkt tatsächlich Diamant ist : Röntgenstrahlenkristallographie, Brechungsindex, Dichte, chemische Analyse, Infrarotanalyse und Härteversuche.
Bei allen Beispielen wurden die Diamanten an der Grenzfläche (oder Grenzflächen) zwischen dem Legierungskatalysator und dem kohlenstoffhaltigen Material gebildet.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird zur Umwandlung von Graphit in Diamant als Katalysator eine Legierung von 800/o Nickel und 20 /o Chrom verwendet. Das Reaktionsgefäss hatte bei diesem Beispiel einen Innendurchmesser von 4, 6 mm. Das innere Drittel des Innenraums des Pyrophyllitzylinders, der das Reaktionsgefäss bildete, war mit einem zylinderförmigen Stück der Legierung ausgefüllt. Der restliche Zwischenraum innerhalb des Pyrophyllitzylinders war mit zylindrischen Stücken von Graphit spektroskopischer Reinheit ausgefüllt. An den Trennflächen zwischen der Legierung und dem Graphit wurden Diamanten gebildet, wenn diese Anordnung 3 Minuten lang einem Druck von ungefähr 63 000 at bei einer Temperatur von ungefähr 1500 C ausgesetzt wurde.
Es wurden auch Diamanten an den Grenzflächen gebildet, wenn ähnliche Anordnungen den folgenden Bedingungen ausgesetzt waren :
Ungefährer Druck Ungefähre Temperatur Zeit at o C Minuten
63000 1400 3 70 000 1400 3 70000 1600 3 85 000 1400 3
100000 1400 3 100000 2100 Vg
Der Brechungsindex der bei einem Druck von 70000 at und einer Temperatur von 1400 C gebildeten Diamanten wurde mit weissem Licht gemessen.
Es ergab sich ein Wert im Bereich von 2, 40 bis 2, 50.
Gleichzeitig wurde auch der Brechungsindex von Naturdiamantsplittern untersucht, und es ergab sich auch hier ein Wert im Bereich von 2, 40 bis 2, 50.
Die Röntgenstrahlenbeugungsbilder der in diesem Beispiel hergestellten Diamanten wurde durch eine Debye-Scherrer-Aufnahme mit CuKa-Strahlung in einer zylindrischen Kammer von 5 cm Radius erhalten. Dieses Beugungsbild zeigte ausdrücklich, dass Diamanten gebildet wurden. Die aus diesen Aufnahmen gemessenen Abstände der Flächen (d in Ang ström) sind in der untenstehenden Tabelle mit den theoretischen Werten für Diamant verglichen.
Abstand der Flächen
Ebene (d in Angström)
Gemessen Naturdiamant (111) 2, 05 2, 05 (220) 1, 26 1, 262 (311) 1, 07 1, 076 (400) 0, 890 0, 8920 (330) 0, 818 0, 8185
Beispiel 2
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass andere Nickel-Chrom-Legierungen als Katalysatoren verwendet wurden. In der untenstehenden Tabelle sind die in den Legierungen enthaltenen Gewichtsprozente von Nickel, der Druck, die Temperatur und die Reaktionszeit angegeben, bei denen Diamanten gebildet wurden.
Ungefährer Ungefähre Zeit % Nickel Druck Temperatur Zeit au 0 C
70 87000 1600 3
70 100000 1500 3
95 65000 1600 3
95 90000 1500 3
98 70000 1550 3
Beispiel 3
Auch hier wurde wieder nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 vorgegangen mit der Ausnahme, dass als Katalysatoren Nickel-Mangan-Legierungen verwendet wurden. In der unten angeführten Tabelle sind die Bedingungen angegeben, bei denen Diamanten gebildet wurden.
Ungefährer Ungefähre Zeit % Nickel Druck Temperatur Minuten at OC
40 70000 1600 10 40 80000 1500 3
40 90000 1300 17
40 100000 1400 7
50 87000 1300 13
50 91000 1500 14
70 87 000 1400 3
70 87000 1800 3
96 65000 1400 9
96 85 000 1600 3
Beispiel 4
Hier wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel I vorgegangen, nur dass anstelle der Legierung von Beispiel 1 eine aus gleichen Gewichtsteilen Eisen und Mangan bestehende Legierung verwendet wurde. Auch hier wurde der Graphit zu Diamant umgewandelt. Die Reaktion wurde bei einem Druck von ungefähr 75000 at und einer Temperatur von ungefähr 1700"C durchgeführt.
Beispiel 5
In diesem Beispiel ist die Anwendung verschiedener Nickel-und Eisen-Legierungen erläutert, die als Katalysatoren f r die Umwandlung von Graphit zu Diamant dienen. Es wurde dasselbe Verfahren wie in Beispiel 1 angewendet. In der untenstehenden Tabelle sind die Gewichtsprozente von Nickel in der Nickel-Eisen-Legierung, der Reaktionsdruck, die Reaktionstemperatur und die Zeit angegeben, wÏhrend der das Reaktionsgemisch auf den Reaktionsbedingungen gehalten wurde.
UngefÏhrer UngefÏhre Zeit %Nickel Druck Temperatur Minuten at ¯C
8 81000 1550 15
8 93000 1850 3
16 81000 1600 15
16 93 000 1500 13
25 81000 1400 20
30 63 000 1300 3
30 90000 1450 3
30 90000 1700 3
33 75000 1300 11
33 90000 1400 6
33 90000 1700 5
35 71000 1500 8
35 93 000 1750 5
67 81000 1600 10
90 75 000 1400 6
90 85 000 1500 3
Beispiel 6
In diesem Beispiel ist die Verwendung einer Legierung aus einem Katalysatormetall und einem Nichtkatalysatormetall bei der Umwandlung von Graphit zu Diamant erläutert. Bei jedem Versuch dieses Beispiels wurde ein Zylinder aus Pyrophyllit mit einem zylindrischen Innenraum verwendet.
Der innere Teil dieses Hohlraumes war mit einem zylindrischen Stück von spektroskopischem Graphit ausgefüllt, das von zylindrischen Stücken einer Nickel-Kupfer-Legierung, die als Katalysator verwendet wurde, umgeben war.
Diese Anordnung war mit Tantal-oder Nickelscheiben abgeschlossen und wurde verschiedenen Drucken und Temperaturen unterworfen. In allen FÏllen wurden an den Grenzflächen zwischen dem Graphit und der Legierung Diamanten gebildet. In der untenstehenden Tabelle sind die Gewichtsprozente von Nickel in der Legierung, der verwendete Druck, die verwendete Temperatur und die Versuchszeit angeführt.
Ungefährer Ungefähre Zeit UngefÏhrer UngefÏhre Zeit %Nickel Druck Temperatur Minuten at ¯C
15 86000 1600 14
20 86000 1600 13
30 86000 1600 8
30 100000 2000 3
33 86000 1600 9
40 86000 2000 8
40 98000 2050 4
50 86 000 1300 14
50 96 000 2000 3
57 86000 1500 9
Beispiel 7
Das Verfahren nach Beispiel 6 wurde mit verschiedenen Kupfer-Mangan-Legierungen wiederholt, die zur Umwandlung von Graphit in Diamant verwendet wurden.
Diese Versuchsbedingungen sind in der folgenden Tabelle angegeben :
Ungefährer Ungefähre Zeit % Kupfer Druck Temperatur Minuten @@@@ @@@@@ @@@@@@@ at ¯C Minuten
50 75000 1300 12
50 87500 1200 13
50 92 000 1200 14
50 92000 1700 8
65 83000 1300 11
65 91000 1300 7 83, 3 92000 1350 3
Beispiel 8
Hier wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 vorgegangen. Zur Umwandlung von Graphit in Kohlenstoff wurde eine Anzahl verschiedener binärer Legierungskatalysatoren verwendet. In der untenstehenden Tabelle sind die Zusammensetzungen der Legierung in Gewichtsprozenten, der Druck, die Temperatur und die verwendete Zeit angeführt.
Zusammensetzung Ungefährer Druck Ungefähre Temperatur Zeit der Legierung at 0 C Minuten 95 Ni-5 Ti 65000 1450 5 70000 1550 3 90 000 1500 3 95 Ni-5 Zr 80000 1750 2, 5 90 Ni-10 Mo 70000 1400 6 70 Ni-30 Mo 87000 1600 3 50 Ni-50 Ge 77500 1600 6 70 Ni-30 Co 87000 1600 3 100000 1300 3 50 Ge-50 Mn 84000 1600 8 91000 1300 11 33 Ge-67 Mn 92000 1950 12 90 Co-10 Cr 80000 1700 3 50 Sn-50 Mn 91000 1350 12 50 Ag-50 Mn 92000 1650 8 50 Cr-50 Ge 86000 1600 7 50 Fe-50 Ge 86000 1400 17 8600018007
Beispiel 9
Es wurde nach dem Verfahren
von Beispiel 1 vorgegangen. Aus mehr als zwei Metallen zusammengesetzte Legierungen wurden als Katalysatoren zur Umwandlung von Graphit in Diamant verwendet.
In der untenstehenden Tabelle sind die Zusammensetzung der Legierung in Gewichtsprozenten, der verwendete Druck, die verwendete Temperatur und die verwendete Zeit angef hrt.
Zusammensetzung der Ungefährer Druck Ungefähre Temperatur Zeit
Legierung at 0 C Minuten 54 Fe-28 Ni-18 Co 90000 1500 11 97 000 1400 3 100000 1700 13 66 Fe-30 Ni-4 Cr 55000 1300 9 65 000 1350 6 80000 1600 3 74 Fe-18 Ni-8 Cr 90000 1600 6 90 Ni-5 Cr-5 Mn 65000 1450 3
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren synthetisierten Diamanten sind bezüglich ihrer wesentlichen Eigenschaften den natürlichen Diamanten sehr ähnlich und können daher zu denselben Zwecken wie Naturdiamanten verwendet werden, z. B. als Edelsteine in Schmuckartikeln, in der Industrie als Schneide für Glasschneider, als Schleifmittel in Schleifscheiben.