JPH02293395A

JPH02293395A - 粒状ダイヤモンドの合成方法及び装置

Info

Publication number: JPH02293395A
Application number: JP11263589A
Authority: JP
Inventors: Junji Degawa; 出川　純司; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-05-01
Filing date: 1989-05-01
Publication date: 1990-12-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、プラズマを用いるダイヤモンドの気相合成方
法に関するものであり、特に研削用砥粒等に利用できる
ような粒状ダイヤモンドの気相合成方法及び同装置に関
するものである。

［従来の技術及び問題点コプラズマを用いる従来のダイヤモンド気相合成方法を第
５図に示す装置によって説明する。図示のように高周波
、又はマイクロ波発生装置５の間に反応管１を配置し、
この反応管１の中に支持台８を配置し、この支持台８の
上に板状基材７を載置する。これに対して矢印で示すよ
うに、揮発性有機化合物と水素及び／又は酸素の混合ガ
ス（原料ガス）を高周波、又はマイクロ波によりプラズ
マ化し、そのプラズマ空間内に配置した前記板状基材７
の上にダイヤモンドを析出させる方法が最も一般的であ
る。

ところが、この方法ではダイヤモンドの核発生が非常に
多く、生成するダイヤモンドが互に接触し合い、膜状と
なるため、研削用砥粒等粒状の形状が要求される製品に
は適用が難しい。

このような観点で気相合成法により粒状ダイヤモンドを
合成する方法として、第５図の板状基材７にかえ、支持
台８上にダイヤモンド、Ｓｌ等の粒状基材を（以下粒子
という）分散配置し、この粒子のみより粒状のダイヤモ
ンドを成長させる方法が最もよく知られている。

しかし、この方法では分散配置できる粒子の数が限られ
るため、すなわち１回の操作で得られる粒状ダイヤモン
ドの数が非常に少ないため、生産量、コストの面で工業
的要求に応えることはできない。

一このように配置できる粒子の数の少ないのは、いうま
でもなく粒子を２次元的、つまり、ある平面にしか配置
できないためである。粒子を３次元的、つまり反応容器
の中に充填すれば、その粒子数を飛躍的に増大すること
ができる。しかし、単に充填したのみでは粒子間に空間
が少ないため、ここに高周波、又はマイクロ波を入射し
ても原料ガスはプラズマ化しない。原料ガスをプラズマ
化し、粒子上にダイヤモンドを析出させるためには、粒
子間に一定割合以上の空間が必要である。

粒子間に空間を導入する方法としては、特公昭６２−５
７５８８号公報に示されているように粒子充填層下端に
振動板を配し、これを振動させることにより粒子を分散
．浮遊させる方法がある。

しかし、本発明者らがこの方法を試みたところ、この方
法では特に大径（５０ｐｍ以上）の粒子の場合、粒子が
高濃度に存在する部分と全く存在しない部分に明瞭に分
かれ、大量の粒子を良好な分散状態に維持することは困
難であった。

また、化学プラントにおいて広範に用いられているガス
流動層法、つまり粒子充填下端より原料ガスを供給する
ことにより粒子を分散．浮遊させる方法についても試み
たが、一般的な操作条件下ではプラズマが発生しない程
高１度に粒子が存在する部分と、粒子濃度が薄すぎて仮
にダイヤモンドの析出を行っても効率が悪すぎる部分と
に分かれ、粒子濃度の制御は困難であった。

効率を上げるためにはプラズマ空間内での粒子濃度をプ
ラズマが維持できる範囲で、できるだけ増す必要がある
。そこで、本発明者らは、終末速度と呼ばれる粒子が反
応管より飛び出すのに充分な速度で原料ガスを供給し、
一部を反応管より飛び出させ、飛び出した粒子はサイク
ロンによりガスと分離し、再び反応管にリサイクルする
ことによりプラズマ空間での粒子濃度を制御する方法を
開発し、さきに出願した。（特願昭［ｉ３−２８４７１
８号）しかし、この方法にも粒子がプラズマ空間を高速で通り
すぎるものとなるため、すなわち、プラズマ空間での滞
留時間が極めて短かいため、個々の粒子温度が一様とな
らないし、その極めて短い間に粒子の昇温過程等も含ま
れているので、実際にダイヤモンドが析出する時間は更
に少ないといった問題があった。

［問題を解決するための手段］上記事情に鑑み、粒子をプラズマ空間内で充分な時間、
滞留させる方法について検討した結果、重力降下する粒
子群に鉛直下方より原料ガスを供給することにより、粒
子の降下速度を減殺し、プラズマ空間内での粒子滞留時
間を延ばすという本発明に到達したのである。

以下、第１〜第４図の本発明を実施する装置について説
明し、方法実施についてその詳細を説明する。なお第５
図と同一部分は同一符号で示す。

第１図に示すように、反応管１の下部に分散板Ｉ２が設
置され、その下方に反応管１に対して下方より鉛直方向
に原料ガスを導入するガス導入管Ｉ３を設ける。反応管
１の上側に粒子供給器１０が設置され、その底部で粒子
６の供給を調整するバルブ１ｌを介して反応管１の天井
ｌ４にパイプによって連結され、また、ガス、粒状基材
を分離する手段、例えば、サイクロン３が設置され、サ
イクロン３は真空ポンプ４によって吸気され、反応管１
の天井１４とサイクロン３との間を連結するパイプにょ
って、原料ガス、粒子を吸い込んでガスと粒子とを分離
し、ガスは真空ボンプ４によって排出され、粒子はサイ
クロン３と反応管１の下方側部であって、前記分散板１
２の上方となる位置との間を連結するパイプによって分
散板ｌ２上に運ばれる構成を採り、反応管１には高周波
、又はマイクロ波発生装置５が設置され、反応管１の内
部に電界を与える高周波、又はマイクロ波が入射するよ
うにする。なお図で９は発生したプラズマを模式的に示
している。

粒子供給器１０に付随したバルブｌ！を調整することに
より粒子群は反応管１内を任意の濃度で重力降下する。

これに対して反応管１の下端より分散板１２を介して原
料ガスを供給すると、その抵抗により粒子の降下速度は
鈍り、プラズマ空間内に滞留する時間は長くなる。この
原料ガスの供給速度を調節すれば，粒子群の降下速度、
すなわち、プラズマ空間内での滞留時間を任意に調節す
ることができる。原料ガスの供給速度は粒子群の運動が
反転し、上昇に転じる速度未堝でなければならないこと
はいうまでもない。但し、操作条件によって、反応中に
一部の粒子が原料ガスとともに反応管外に排出されるこ
とは避け得られないので、前記サイクロン３により、飛
び出した粒子のみを反応管１内に還してやることが望ま
しい。

しかし、いくら粒子群のプラズマ空間滞留時間を延ばし
ても、ただ一度の通過に要する時間のみで充分にダイヤ
モンドが析出することはあり得ない。充分な大きさの粒
子に成長させるためには繰り返しプラズマ内を通過させ
る必要がある。これを行なうためには、モーター等によ
る機械的な手段によることも考えられるが、ガスによる
方法が最も簡便である。このような観点で第２図、第３
図の構成を育するものが、好適である。

第２図の装置において、第１図の装置と相違した点を挙
げてみると、反応管１に副管２が併設されることであり
、！１１管２の下部に分散板ｌ２が設置され、その下方
で副管２に対して鉛直方向にガスを導入するガス導入管
＋３’が設けられ、その天井１４′よりのパイプが反応
管１の側方より反応管１上部内に入り、そのバイプｌ５
の開孔を鉛直上向きして中心に配置し、また反応管１の
下郎より副管２の下部に粒子群が重力によって移送でき
るように、傾斜付パイプで連結されていることである。

反応管１下部に下降した粒子６は副管２に移動し、この
副管２の下端のガス導入管！３′より粒子が副・管２を
飛び出すのに充分な流速でガス（輸送ガス）を供給する
と粒子は再び反応管１の上部にもどり、再び分散して重
力降下を始める。このサイクルが繰り返され粒子は成長
を続ける。なお反応管１内の粒子濃度は副管２に供給す
る輸送ガスの流速によって制御することができる。

この場合、副管２より反応管１への粒子を含んだ輸送ガ
スの供給は上述のように鉛直上向きとすることが望まし
く、下向きに供給すると粒子群が初速をもつことになる
ので、プラズマ空間滞留時間を延ばすためには、反応管
１の下端のガス導入管＋３’よりの供給する原料ガスが
余分に必要となるからである。

また、第３図の装置は、第２図の装置において、反応管
１の外側に併設した副管２を反応管１の内部に配置した
ものである。

劉管２の下端のガス導入管１３’より供給される輸送ガ
スは，副管２にも電界を与え、そこでもダイヤモンドの
析出を行う場合を除き、反応管１でのダイヤモンドの析
出と直接関係がないため、原理的には、特に種類は問わ
れない。例えば、安全で安価な窒素ガス等が最も一般的
である。しかし実際には輸送ガスと原料ガスの混合が避
けられないので、輸送ガスとして原料ガスと異なる種類
のものを使用する際は、第４図に示す装置が好適である
。これを第３図に示す装置と対比して説明すると、併設
した副管２の天井側は、反応管１の天井Ｉ４の上に配置
されたサイクロン３′にパイプによって連結され、サイ
クロン３′の下端より粒子が反応管１の天井１４からパ
イプによって反応管１に入ることになり、また、第１図
の装置と同様に、反応管１よりの原料ガスを俳出すると
同時に、反応中上方より飛び出す粒子６を捉らえて反応
管１にもどすサイクロン３を備えることである。

このような構成を採ることによって、粒子を含む輸送ガ
スは、サイクロン３′で輸送ガスを分離して、粒子のみ
を再び反応管１の上部より反応管１内に送り込むことが
できる。

なお、第２図の装置における副管２を設置する構成によ
れば、一つの副管に対して多数の反応管に粒子を供給す
る構成も容易に採ることができる。

゛）以上、主として本発明を実施する装置について述べ
たが、本発明の方法実施について最も重要な点はプラズ
マ空間内の粒子群濃度である。前述のように粒子群濃度
が濃いとプラズマは発生せず、反対に薄いとダイヤモン
ド析出の効率が悪い。プラズマ空間内での粒子群濃度は
原料ガスの種類、組成、系内の圧力にもよるが、体積で
２０％以下であることが必要で、好ましくは５〜１５％
程度である。

プラズマを発生する手段としては交流、又は直流電界を
用いることができるが、反応管中に電極を挿入すること
なく、プラズマを発生することができる３０ＫＨｚ〜５
０ＧＨｚの高周波、又はマイクロ波が好ましい。

原料ガスとしては、一般にダイヤモンドの気相成長に用
いられるものなら、特にその種類、組成は問わないが、
高粒子濃度で安定にプラズマを維持するために不活性ガ
スを加えることが好ましい。具体的にはＨ２，　Ａｒ，
　Ｃ■４の体積で１＝１二〇．０２の混合ガス等である
が、ＣＯ，Ｃ０２ｌ　アルコール等炭素を含む化合物を
原料とすることができる。

粒子６、すなわち粒状基材もダイヤモンドで被覆可能な
物質であれば、何を用いてもよい。ダイヤモンドを基材
とした場合、最も結晶性がよく、又強度が高くなること
は当然であるが、目的により、ＳＩＣ，　ＡｆＮ，　Ｓ
ｌ．　Ｗ等を使用することができる。

以下、実施例により本発明の方法を具体的に説明する。

実施例１第２図の装置を使用した。石英製の反応管１の内径は４
０■冒、副管２の内径は２０箇一である。副管２に平均
粒径５０μ曹のダイヤモンド粒子を高さ４０璽■に充填
した。

反応管、コ１１管の下端よりＨ２，　Ａｒ，　ＣＯ４の
体積で１　：　１　：　０．０２の混合ガスを各々ＩＯ
ＯＳＣＣＭ，７２０ＳＣＣＭで供給しながらサイクロン
３に連結した真空ボンブ４で系内の圧力を５０Ｔｏｒｒ
に保ったところ、ダイヤモンド粒子群の副管→反応管→
副管の循環が起こり、又反応管中ではダイヤモンド群が
煙状となり、その降下速度も充分遅いようにうかがわれ
た。

この状態において反応管に周波数２．４５０［ｌｚのマ
イクロ波を出力５００Ｗで与えながら２４時間保持した
ところ、すべてのダイヤモンド粒子の粒径が１００μ塵
近くとなり回収された。但し粒子の成長にあわせ、ガス
流量を増した。

実施例２第４図の装置を使用した。反応管１の内径は４５■−、
ＩＩＩ管２の内径は２０ｍ閣である。副管に平均粒径１
００ｌｍのＳＩＣ粒子を４０ｍｍの高さ充填した。

反応管下端より１２１　Ａｒ＋　Ｃ２１１５０■の体積
で１：２：　０．０４の混合ガスを５００５ＣＣＭで、
副管の下端よりＡｒを２５００ＳＣＣＭで供給しながら
、系内の圧力を７５Ｔｏｒｒに保ったところ、実施例１
と同じ＜　ＳＩＣ群の循環が起こり、反応管内は煙状と
なった。

この状態において反応管に周波数２．４５０｝ｌｚｓ出
力８００Ｗのマイクロ波を与えながら３０時間保持した
。但し粒子の成長にあわせガス流量を増した。

その結果、すべてのＳＩＣ粒子の周囲はダイヤモンドで
覆われ、その粒子径は最大＋７０β園、平均で１４０声
閣であった。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の方法によれば、比較的長
い時間、粒状基材群をプラズマ空間に置くことができ、
一度に多量の粒状ダイヤモンドを効率よく得ることがで
きる。

また、本発明の装置では、予め粒状基材群を充填できる
副管を反応管に併設し、反応管に対して、輸送速度を、
これに供給するガス速度をかえて供給することで、輸送
量を調節するこ七ができるとともに、反応管より半被覆
された粒状基材群を回収して再び反応管に輸送、供給す
る系を作っているので、収率高く、安定した粒状ダイヤ
モンド合成ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図は、本発明を実施する
装置を概略図で示す。第５図は従来のダイヤモンド合成を行う装置を概略的に
示す。１・・・反応管、２・・・副管、３、３’・・・サイク
ロン、４・・・真空ポンプ、５・・・高周波、又はマイ
クロ波発生装置、６・・・粒状基材、７・・・板状基材
、８・・・支持台、９・・・プラズマ、１０・・・粒子
供給器、ＩＩ・・・バルブ、＋２・・・分散板。Ｎ憧寥４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）有機化合物と水素及び／又は酸素を含む混合ガス
を交流、又は直流の電界によってプラズマ化し、このプ
ラズマ化した空間内に分散・浮遊させた粒状基材上にダ
イヤモンドを析出させるダイヤモンド合成方法において
、重力降下する粒状基材群に、前記混合ガスを鉛直下方
より、該粒状基材群の全部が鉛直上方に反転輸送される
流速未満で供給することを特徴とする粒状ダイヤモンド
の合成方法。
（２）反応管の内部に電界を発生させる手段と、該反応
管の上部より粒状基材群を供給する手段と、該反応管の
鉛直下方より上方に原料ガスを供給する手段と、該反応
管内のガス、粒状基材を分離し、前記粒状基材を反応管
下部にもどす手段と、下部よりのガス供給によって、内
部に充填した粒材基材群を前記反応管の上部に輸送する
とともに、前記反応管の下部より粒状基材群が回収でき
る副管を備えることを特徴とする粒状ダイヤモンドの合
成装置。