Verfahren zur Herstellung von Diamant aus Graphit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Diamant aus Graphit oder amorphem Kohlenstoff.
Es ist schon vor sehr langer Zeit versucht worden, Diamanten herzustellen, aber stets mit negativem Er folg. Erst in jüngster Zeit ist es der General Electric Company in USA gelungen, sehr kleine Diamanten von etwa 0, 1 Karat bei Anwendung von sehr hohen Drucken bis etwa 140000 at und bei einer Temperatur von etwa 2700 C anzufertigen.
Um die Schwierigkeiten, die sich bei der Herstellung von Diamanten entgegensetzen, abschlätzen zu können, sei auf das Phasendiagramm des Kohlenstoffes gemäss Fig. 1 hingewiesen, das teilweise auf theo- retischen Betrachtungen und teilweise auf Versuchen beruht. Obwohl man aus diesem Phasendiagramm schliessen könnte, dass die Umwandlung von Graphit in Diamant leicht sei, da bei Zimmertemperatur nur ein verhältnismässig niedriger Druck von 14000 at erforderl, ich zu sein scheint, ist dies keineswegs der Fall, da noch weitere Bedingungen erfüllt werden müssen (siehe aber die Synthese der Diamanten von Prof. Dr.
A. Neuhaus, Bonn, Zeitschrift für angewandte Chemise , 1954, Seiten 525-536).
Theoretische Oberlegungen führen zu der Schlussfolgerung, dass es zur Umwandlung von Graphit oder amorphem Kohlenstoff in Diamant nicht genügt, eine solche Kombination von Druck und Temperatur anzuwenden, bei der das stabile Gebiet von Diamant (Fig. 1) erreicht wird, sondern, dass es auch erforderlich ist, die keimbildende Energiep des Diamanten zu erniedrigen, beispielsweise durch Einverleibung von Diamantsplittern oder eines Stoffes, der in der Struktur dlem Diamant verwandt ist. Dies ist stets notwendig, wenn die Kombination von Druck und Temperatur in der Nähe des tYbergangspunktes (Fig. 1) liegt.
Wegen der ausserordentlichen Stärke des Kristallgitters des Graphites ist die Temperatur, die zur Erleichterung einer Lageänderung erforderlich ist, sehr hoch. Im geschmolzenen Kohlenstoff, das heisst bei 40000K, sind grosse Strukturkomplexe immer noch vorhanden und sogar im gasförmigen Kohlenstoff sind ausser C-Atomen noch C2-Moleküle vorhanden, deren Kombinationsfestigkeit viel höher ist als beim Diamant.
Die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zur Herstellung von Diamant ist von grosser Wichtigkeit.
Aromatische oder graphitische Gruppen von Kohlenstoff und das C2-Molekül z. B. eignen sich nicht, während sich atomarer Kohlenstoff ausgezeichnet eignet.
Als Alternative für die Anwendung äusserst hoher Temperaturen lassen sich zur Erleichterung der Lage änderung auch geeignete Mineralisatoren, wie Borate, Fluoride, Chloride, verwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass man Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltendes Material dem bei der Explosion eines Sprengstoffes entstehenden Druck aussetzt.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bestimmten Vorrichtungen schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt das Phasendiagramm des Kohlenstoffes.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung im Querschnitt mit einer auf einen Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Körper gerichteten formgebundenen Ladung.
Fig. 3 und 4 zeigen Querschnitte von zwei solchen in einem Gehäuse angeordneten Körpern, während
Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausfüh- rungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Diamant darstellt.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 ist mit 1 eine Sprengstoffladung beispielsweise aus Pentolit bezeichnet, die mit einer kegelförmigen Vertiefung mit einem Futter 2 und einer Entzün- dungsladung 3 versehen ist. Koaxial mit der Hohlladung befindet sich das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material 5, das in einem Ge häuse 4 untergebracht ist. Die Befestigung dieses Materials 5 im Gehäuse 4 erfolgt mittels einer in das Gehäuse eingeschraubten Mutter 6. Die Hohlladung 1 wird mittels der Entzündungsladung 3 zur Detonation gebracht.
Der dadurch erzeugte Strahl trifft mit der sehr hohen Geschwindigkeit von etwa 50 km/Sek. auf das Material 5, wodurch sich ein Loch 7 bildet, das in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Dieses Loch entsteht durch das plastische Fliessen des Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Materials in radialer Richtung, und es wird nahezu keine Substanz aus dem besagten Material heraus erodiert (siehe z. B. Explosives with lined cavities , Journal of Applied Physics, Juni 1948, Seiten 563 bis 582). In radialer Richtung werden äusserst hohe Drucke (eine oder mehrere Millionen Atmosphären) und sehr hohe Temperaturen erzeugt, so dass die wichtigsten Bedingungen für die Umwandlung des Graphites od'er des amorphen Kohlenstoffes in Diamant erfüllt werden. Das Futter 2 kann ganz oder teilweise aus Graphit hergestellt sein.
Zur Erleich terung der Kristallisation können Splitter aus Diamant oder aus einem anderen Stoff, der in bezug auf die Struktur mit dem Diamant verwandt ist, dem Material 5 einverleibt werden.
Das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material kann auch vorerhitzt und/oder vorkomprimiert werden.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3 ist das zur Diamantsynthese dienende Ausgangsmaterial mit 8 bezeichnet. Es ist mittels einer Mutter 10 in einem Gehäuse 9 befestigt. Die Mutter 10 ist, im Gegensatz zur Mutter 6 der Ausführungs- form nach Fig. 2, vollständig geschlossen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kommt ebenfalls ein von aussen bei der Detonation wirksamer Sprengstoff zur Anwendung.
Mit 11 ist das in Diamant umzuwandelnde Material bezeichnet, das gemäss Fig. 4 in einem Sackloch eines Gehäuses 12 eingesetzt und mittels einer in das letztere eingeschraubten Mutter 13 befestigt ist. Der Körper 11 selbst weist ebenfalls ein Sackloch 14 auf, das etwa die halbe Länge des Körpers aufweist, aber auch kürzer oder länger sein kann und als Erzeuger von Resonanzeffekten dient, wenn es vom einfallenden Strahl gemäss der Pfeilrichtung P getroffen wird, und zwar in derselben Weise, wie in eine sogenannte Resonanzrohreo eingeblasene Luft Resonanzeffekte erzeugt (siehe z. B. Mitteilungen aus dem Institut für Aerodynamiko, Nr. 21, 1954, Zürich : Über thermische Effekte in Resonanzröhren von H. Sprenger).
Bei richtiger Wahl des Durchmessers und der Länge des Loches ergeben sich äusserst hohe Temperaturen.
Die Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 5 umfasst ein Stahlgehäuse 18, in dem ein sehr dünner Draht 15 aus einem elektrisch leitenden Material mittels zweier verhältnismässig dicken Leitern 16 und 17 aufgehängt ist. Das Gehäuse 18 ist mittels Isolierkörpern 19 und 20 gegen die Leiter 16 und 17 isoliert. In das Gehäuse ist ein Graphit oder amorpher Kohlenstoff enthaltender Körper 21 eingesetzt. Die beiden Leiter 16 und 17 sind über Leitungen 22 und 23 und einen nicht gezeichneten Schalter an einen ebenfalls nicht dargestellten Kondensator angeschlossen. Durch die Entladung des Kondensators wird der dünne Draht zum Verdampfen gebracht. Diese explosionsartige Verdampfung hat zur Folge, dass während sehr kurzer Zeit ein sehr hoher Druck auf den Körper 21 durch Stosswellen ausgeübt wird. Dieser wird somit erheblich erhitzt (siehe z. B.
Studien zum Mechanismus von elektrischen Drahtexplosionen [Metallniederschläge und Stosswellen] von W. M. Conn in Zeitschrift für angewandte Physik , 1955, Seiten 539-554), so dass auf diese Weise den Forderungen zur Umwandlung von Graphit in Diamant Genüge geleistet wird. Es empfiehlt sich auch hier, zur Erleichterung der Kristallisation Splitter von Diamant oder eines anderen Stoffes, der in bezug auf seine Struktur dem Diamant verwandt ist, dem Syntheseausgangsmaterial als Impfstoff oder Kristallisationskeime einzuverleiben. Der dünne Draht 15 kann z. B. aus Graphit oder aus Metall oder aus Graphit mit einem Metalikern gebildet sein.
Aus vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass mittels des beschriebenen Verfahrens sämtliche Forderungen zur Herstellung von Diamant aus Graphit oder amorphem Kohlenstoff leicht erfüllt werden können, indem eine richtige Wahl der Abmessungen die Erzeugung von Drucken bis zu einigen Millionen Atmosphären und von Temperaturen bis zu Tausenden von Graden ermöglicht, wobei die keimfor- mende Energie von Diamant erheblich herabgesetzt werden kann durch Beimischung von Kristallisations- keimen zum Ausgangsmaterial. Hohe Temperaturen erleichtern die Anderungen der Lage in ausreichen- der Weise, was eine Notwendigkeit ist wegen der kurzen Zeit, die für eine Lageänderung zur Verfügung steht.
Es wird bemerkt, dass es bei statischen Druckverfahren nie möglich ist, sowohl eine sehr hohe Temperatur wie einen sehr hohen Druck gleichzeitig zu wählen wegen der Einschränkungen, die auf die Festigkeit der verwendeten Materialien zurückzufüh- ren sind. Entweder kann die Temperatur sehr hoch sein, in welchem Falle man sich mit ziemlich niedriF gen Drucken begnügen muss, oder aber es kann der Druck sehr hoch sein, wobei man sich aber mit ziemlich niedrigen Temperaturen abfinden muss.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht jedoch gleichzeitig sowohl eine sehr hohe Temperatur wie einen sehr hohen Druck zu erhalten, z. B. durch Vorerhitzung des Ausgangsmaterials bei normalem Druck und anschliessender Zündung des Sprengstoffes, so dass die Explosion für den äusserst hohen Druck und eine weitere Erhöhung der Temperatur sorgt.
Die Zusammensetzung des Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltenden Materials verursacht keine speziellen Probleme. So können z. B. zur Er leichterung der Lageänderung geeignete Mineralisato- ren, das heisst in Grenzflächenbereichen vorübergehend atomare Lösung des Kohlenstoffes bewirkende Hilfsstoffe, wie Borate, Fluoride, Chloride, ohne Bedenken dem Ausgangsmaterial einverleibt werden.
Als Umwandlungsmaterial sind bis anhin stets Graphit und amorpher Kohlenstoff genannt worden, obwohl Debye und Scherrer als Ergebnis von X Strahlversuchen feststellten, dass der amorphe Kohlenstoff lediglich Graphit ist, dessen Kristallabmessungen über diejenigen hinausreichen, welche durch mechanische Mittel beobachtet werden können. Trotz dieser Erkenntnis ist es aber in der Technik nach wie vor üblich, drei Arten von elementarem Kohlenstoff zu unterscheiden, nämlich Diamant, Graphit und amorpher Kohlenstoff.
Das beschriebene Verfahren kann auch im Vakuum oder in einer Atmosphäre eines anderen Gases als Luft durchgeführt werden.
Das Gehäuse, in welchem das Graphit oder amorphen Kohlenstoff enthaltende Material eingeschlossen ist, kann auch einem äusseren Gegendruck unterworfen werden.
Nach dem beschriebenen Verfahren wird unter gewissen Umständen ein Produkt erhalten, das härter sein kann als natürlicher Diamant ; unter anderen Umständen dagegen kann es etwas weniger hart sein.
Die Durchführung des Verfahrens ist auch bai Anwendung mehrerer Druckstrahlen möglich, indem bei, spielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der eine Strahl, wie durch die Pfeilrichtung angezeigt, von links und ein zweiter Strahl in entgegengesetzter Richtung von rechts wirksam ist.
So lassen sich Diamanten in einfacher, billiger Weise rasch und in verhältnismässig grossen Abmessungen herstellen, die im allgemeinen die Form eines Rohres besitzen.